塔式太阳能热发电系统发电量模拟分析研究

蒋浩

前言

目前，塔式发电技术是一项较新的技术，国外正式公开的资料较少，同时国内产业政策及技术不成熟，相关研究不深入，已投运示范项目较少，可借鉴经验不多。因此，对塔式光热电站发电量分析计算研究具有重要意义。本文针对太阳能塔式光热发电设计技术，从光学、力学、传热学、材料学等多方面着手，研究建立一套太阳光能的收集、聚焦、能流传输以及光热、热电转换为一体的发电量分析模型，研究成果将对塔式太阳能热电站的整体性能分析及控制策略研究有重要意义，并对塔式光热发电项目的前期开展及后续设计工作提供指导。

1塔式光热电站运行方式

塔式光热电站的发电量分析与运行工况及运行方式密切相关，塔式光热电站的主要运行工况包括：蓄热工况、集热发电工况、蓄热和发电并行工况、蓄热发电工况、防凝工况。

（1）春季运行方式

春季反映了在太阳能辐射持续波动，并且辐射能量较低的情况下，利用蓄能系统，汽轮发电机组断断续续发电的运行模式，适合轻度参与调峰。

（2）夏季运行方式

夏季反映了在太阳能辐射比较好的情况下，利用蓄热系统存储的能量来延长汽轮发电机组发电时间的运行模式，适合深度参与调峰。该状态应尽量高效利用蓄热罐蓄热，使汽轮机长期处于额定负荷运行，提高发电量及整场效率。

（3）秋季运行方式

秋季与春季近似，反映了在太阳能辐射持续波动，并且辐射能量较低的情况下，利用蓄能系统，汽轮发电机组断断续续发电的运行模式，适合轻度参与调峰。

（4）冬季运行方式

冬季反映了当太阳辐射情况不佳时，汽轮发电机组大部分时间处于停运状态，适合于适当调峰。此时应做好低负荷及停机时熔融盐防凝措施以及空冷器防冻措施，在空冷器启动时应分组投运。

2发电量计算模型

根据太阳能发电子系统分类，将发电量计算分解为太阳能资源模型、集热系统模型、蒸汽发生及汽轮发电系统模型、储热系统模型等4个模块。

2.1太阳能资源模型

太阳能资源模型主要针对光热电站对可利用的太阳能资源进行分析，主要分析指标为太阳能水平面总辐射量（GHI）以及法向直接辐射照度（DNI）。

某一时刻，地面水平面总辐射量（I_t）主要由直接辐射（I_b）、散射辐射（I_d）两部分組成，即

（式2-1）

（式2-2）

式中：为太阳直接辐射透明度系数;为太阳散射辐射透明度;为太阳光入射角;为太阳高度角;为倾斜面倾角。

（式2-3）

（式2-4）

式中：表示一定地形高度下的大气量，;

为海平面上的大气量，

;

是大气修正系数，，h为海拔高度。

根据水平面直射分量可计算得出太阳能法向直接辐射照度DNI=。

2.2集热系统模型

（1）光学模型

光学模型是基于太阳法向直射辐照度垂直于定日镜采光平面并且将会被吸热器外避免吸收的部分展开研究，该模型涉及反光镜光学损失系数、定日镜场光学损失系数和吸热器光学损失系数。

集热系统模型主要针对光热镜场所吸收的太阳辐射热量进行分析。可表示为：

（式2-5）

式中：

为场址所在地代表年太阳能法向直接辐射照度（DNI）;

为镜场光学系数：

;

其中：

（a）为余弦损失系数

（式2-6）

式中：

，，为入射光及反射光向量，

S及R为入射光及反射光向量长度。

（b）为大气透过效率

（式2-7）

为定日镜和吸热器之间的距离（km）;

（c）为阴影遮挡损失效率系数

（式2-8）

式中：

为第i排的定日镜数量，

为定日镜数量，

为第i排阴影高度：，

为第i排阴影宽度：

，

为入射光与定日镜法线夹角，

为入射光的天顶角，

，为入射光方位角，为反射光方位角;

（d）为遮挡损失效率系数

（式2-9）

式中：

为第i排的定日镜数量，

为定日镜数量，

为第i排遮挡阴影高度：，

为第i排遮挡阴影宽度：，

为入射光与定日镜法线夹角，

为反射光的天顶角;

（e）为截断损失效率系数

（式2-10）

式中：

为定日镜面型误差、跟踪误差等整体误差，

dx、dy为吸热器长、宽微分。

（f）为吸热器反射损失效率系数

（式2-11）

（式2-12）

式中：

为吸热器反射损失与入射光关系系数，

为吸热器表面吸收率，

为吸热器开口面积（m²），

为吸热器吸热体表面面积（m²），

为吸热器入射角;

为其它损失系数;

为镜面反射率;

（2）散热模型

集热系统的散热模型主要以吸热器散热损失为主。吸热器散热损失主要包括吸热器吸热体表面通过采光口向外的辐射热损，吸热体表面通过吸热器采光口与外界对流换热损失，吸热体表面与外界的导热损失。

（式2-13）

则吸热器散热损失效率为：

（式2-14）

2.3蒸发及发电系统模型

根据热力系统，从集热系统出来，熔盐通过换热器产生高温过热蒸汽。其中主要效率损失包括熔盐、汽管路系统损失，换热设备效率损失。

（1）熔盐、汽管道散热损失

熔盐、汽管道散热损失量将根据管道保温厚度、管径以及保温传热系数等参数计算所得。

（2） 换热设备效率损失：熔盐依次通过过热器、再热器、高压蒸汽发生器、预热器，根据现有制造水平，各换热器效率取95%。

（3）发电系统模型：其中主要效率损失包括汽轮机冷源损失，汽轮机机械效率损失，发电机效率损失等。

2.4储热系统模型

储热系统将根据设计的汽轮发电机组装机容量和蓄热时间，通过机组的热平衡，求得在T₁时间内汽轮发电机组运行所消耗的热量Q₀。蓄热时间为T₁的储热装置最少吸收热量见下式：

（式3-22）

式中：为太阳能热电站装机容量;T₁为储热时间;为汽轮机组额定工况下绝对效率;为储热系统放热过程效率。

2.5光热电站发电量计算

根据太阳辐射资源分析所确定的厂址所在地代表年法向逐时太阳能直射辐射总量（DNI），结合主要设备类型参数，进行太阳能电站年发电量估算。

光热发电站年平均上网电量Ep计算如下：

/1000

（式3-23）

式中：

i——計算时间间隔序号;

n——总计算次数，对于典型气象年，若按1小时间隔计算，则为8760。

e_i——发电量（kWh）;

DNIⁱ——法向直接辐照度（W/m²）;

tⁱ——时间间隔，（h）;

——镜场总采光面积，（m²）;

dⁱ——某一计算时刻因为考虑DNI达不到吸热器启动及正常运行要求、吸热器温升速率限制、最大功率限制、定日镜最大运行风速限制、蓄热系统容量限制等引起的定日镜弃光率。

——定日镜场效率，包括镜面反射率、定日镜镜面清洁度、定日镜误差、定日镜余弦效率、遮挡和阴影效率、大气衰减和吸热器截断效率等;

——吸热器热效率;

——集热及换热系统传热流体管道传输效率，可取99%;

——热电转换平均效率，包括蓄热系统热效率、汽轮发电机组效率、热力系统管道效率。

3案例分析

本文以某地区50MW塔式光热发电站为例，通过上述模型对发电量进行模拟分析。主要性能参数如下表所示。

4结束语

本文针对塔式光热电站系统特性，根据其运行工况及运行方式，建立了4个分析模块，针对每个模块的特点建立数学模型，并通过多目标优化循环计算，对塔式系统的全年发电量进行分析模拟，为今后的塔式电站设计提供一定的理论依据。

参考文献：

[1] 宓霄凌，王伊娜，李建华，李心 《塔式太阳能热发电站镜场设计分析》. 太阳能 2016

[2] Francisco J. Collado，J.A. Turegano. Calculation of the annual thermal energysupplied by a defined heliostat field. Solar Energy 1989

[3] 王瑞庭 魏秀东. 《太阳能塔式电站镜场对地面的遮阳分析》. 光子学报 2009.9