塔式光热电站镜场失电对吸热器安全性的影响分析

2021-11-29陈鹏飞

西北水电 2021年5期

文龙，陈鹏飞，王晓，陈康，周治

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；2.中国电建太阳能热发电工程研究中心，西安 710065)

0 前言

塔式光热发电系统主要由多面定日镜组成的镜场将太阳辐射反射到吸热塔顶部的吸热器上，转换成热能加热传热工质，被加热后的高温传热工质经过储热装置后进入蒸汽发生系统中，产生高温、高压蒸汽推动汽轮发电机组发电。塔式光热发电系统的聚光比高，易达到较高的工作温度，吸热器散热面积较小，光热转换效率高，适宜大规模发电，且其运行参数与常规火电站基本一致，更易获得相关的配套设备[1]。“高参数、大容量、连续发电”是未来光热发电的发展趋势，多年的研究和实践表明，塔式光热发电是最可能引起能源革命、实现大功率并网发电、并最终替代常规发电的最经济手段之一，拥有广阔的商业应用前景[2-5]。

塔式光热发电系统中，镜场和吸热器负责整个电站的能量收集，在整个电站中起到至关重要的作用。系统在运行过程中，如果镜场发生故障，比如镜场或部分定日镜突然失电，会对吸热器产生什么影响，是否会对吸热器的安全造成威胁，有必要对这种情况进行研究分析，以确定相应的应对策略，从而保证整个系统的安全运行。本文基于蒙特卡罗光线追迹法，仿真模拟了塔式光热发电系统在运行过程中，镜场或部分定日镜突然失电的情况下，吸热器表面的热流密度分布情况，对可能造成的不利影响进行了分析研究。

1 研究方法

1.1 蒙特卡罗光线追迹法

本文主要基于蒙特卡罗光线追迹法来仿真模拟镜场或部分定日镜突然失电的情况下，吸热器表面的热流密度分布。蒙特卡罗法[6]是模拟大量随机事件的概率过程，光线追迹法[7-8]能动态跟踪每一根光线的运动轨迹，清晰地判断其与每一面定日镜及吸热器的相交情况。首先确定定日镜镜面沿着主入射光方向在地面上的投影范围，然后采用蒙特卡罗法随机投撒大量光点，光点的数量应多到可以覆盖镜场中所有定日镜镜面在地面上形成的投影区域，每根投射光线均由入射向量和地面上随机光点组成。随机光点的坐标如下[9]：

Xi=xmax+(xmax-xmin)random(n,1)

(1)

Yi=ymin+(ymax-ymin)random(n,1)

(2)

式中：xmin、xmax、ymin、ymax分别是定日镜镜面顶点坐标沿着主入射光方向在地面上投影的最小和最大x、y坐标值(本文选择正东方向为x轴的正向，正北方向为y轴的正向，地面为x-y平面)；n为随机投撒光点的数目，random(n,1)表示随机生成n个0到1之间的随机数[9]。

本文所采用蒙特卡罗光线追迹法的主要流程如下：随机投撒大量光点，首先判断入射光线是否照射到定日镜上，根据地面上的光点坐标和光点附近若干面定日镜镜面沿着主入射光方向在地面上的投影依次判定入射光线与各定日镜镜面的相交情况，若光点不在任一定日镜镜面的投影范围内，则认为该光点对应的入射光线未照射到定日镜上，否则认为该光点对应的入射光线照射到定日镜上，同时求取交点；随后求取该入射光线经镜面反射后的反射光线，追踪反射光线路径，判断其是否被其他定日镜所遮挡，若遮挡，则考虑下一个光点，若不被遮挡，则判断反射光线与吸热器表面是否相交，若相交则求取交点，同时认为该光线为有效光线。依次对所有入射光线进行追踪，得到全部有效光线与吸热器表面的交点，再对吸热器表面进行网格化处理，判断每个交点的网格位置，就可以得到与吸热器表面网格相对应的光线数量矩阵。最后根据当时的天气情况将光线数量矩阵转换成相应的能量矩阵，得到吸热器表面的热流密度分布情况。

1.2 非平行入射光

太阳照射到地球上某一点的光线实际并非平行光，而是一锥形光，如图1所示。

图1 太阳光锥角示意图

图1中，α0称为太阳光锥角，是地球上的观察点Q到太阳圆盘的切线P1Q和P2Q之间的夹角；αs表示P1Q或P2Q与O1Q(太阳中心点O1与观察点Q的连线)之间的夹角，α0=2αs[9]。

根据几何关系，计算可得：

(3)

式中：R1为太阳半径，值为1.392×106km；R2为日地距离，值为1.496×108km；代入公式(3)中计算可得：αs≈4.65 mrad。

由于太阳光是发散的，因此在地球上观察到太阳的像实际是一个圆盘，称之为Solar Disk或者Sun Shape。Solar Disk上的能量分布并不均匀，本文采用如下Solar Disk能流密度模型[10]：

(4)

式中:S(α)为Solar Disk上一点的能流密度；λ为常量，值为0.5138；αs为锥形光张角的一半；α为观察点到Solar Disk中心点连线同观察点到Solar Disk上一点连线之间的夹角；S0的数值由观察点到太阳的距离决定[10]。

基于以上分析，非平行入射光条件下的仿真模拟更贴合实际。本文在生成入射光线时，对每个入射光向量均加入了随机偏差，即根据上述Solar Disk能流密度模型生成单位向量，以此体现非平行光的特性。

本文主要基于蒙特卡罗光线追迹法，同时考虑了非平行光的特性以及定日镜光学精度、跟踪精度等因素，自行研发了相应的仿真模拟软件，对镜场或部分定日镜失电情况下，吸热器表面的热流密度分布进行了仿真模拟，并分析了失电情况对吸热器安全性的影响。

1.3 方法验证

本文对自行研发的仿真模拟软件的正确性和准确性进行了验证。下图为某型号定日镜在成像白板上的光斑照片。

图2 某型号定日镜在成像白板上的光斑图

在同等条件下，本文仿真模拟得到的光斑如下：

图2中实际光斑(此处指涵盖90%能量的椭圆)的长半轴、短半轴长度分别为1.99 m、1.93 m，图3中仿真模拟得到的光斑(此处指涵盖90%能量的椭圆)的长半轴、短半轴长度分别为1.97 m、1.92 m，误差分别只有1.01%、0.52%，这说明本文仿真模拟得到的光斑与实际光斑基本一致，证实了本文所采用的自研软件的正确性，同时也说明其具有较高的准确性。

图3 在同等条件下本文的仿真结果图

2 系统模型

本文在仿真模拟过程中，所采用的定日镜模型(如图4)及其基本参数如下：

图4 定日镜模型图

表1 定日镜基本参数表

所采用的吸热器模型(如图5)及其基本参数如下：

表2 吸热器基本参数表

图5 吸热器模型图

本文基于上述定日镜和吸热器模型在青海省共和县设计了1个50 MW塔式光热电站，电站布局如图6：

图6 50 MW塔式光热电站布局图

本文以上述电站为研究对象，对整个镜场或部分定日镜失电情况下，吸热器表面的热流密度分布进行了仿真模拟。

3 仿真及结果分析

3.1 镜场失电

本文首先对镜场失电情况下，吸热器受光面及下护板上的热流密度分布随时间的变化进行了仿真模拟。假定在青海省共和县2019年3月25日真太阳时12时(此时的DNI为792 W/m2，环境温度7.8 ℃，风速2.2 m/s)，本文设计的光热电站镜场发生失电，失电后所有定日镜保持失电时的姿态不变，无法进行正常的追日工作。对镜场失电时、失电后1、2、5、10、20 min时吸热器受光面及下方护板上的热流密度分布情况进行仿真模拟，结果如图7～12所示。

镜场失电时刻，吸热器受光面上的热流密度分布较为均匀，最高热流密度为1 182.48 kW/m2；由于瞄准策略、控制精度及定日镜误差等原因下护板上沿热流密度较高，最高热流密度为230.15 kW/m2。对于本文的吸热器而言，受光面允许最高热流密度为1 200 kW/m2，下护板允许最高热流密度为300 kW/m2，由此可见，镜场失电时刻吸热器是安全的。

图7 镜场失电时吸热器受光面及下护板上的热流密度分布图

图8 镜场失电1 min后吸热器受光面及下护板上的热流密度分布图

镜场失电1 min后，吸热器受光面及下护板上的热流密度分布发生变化，最高热流密度分别为1 213.32 、336.51 kW/m2，已超过吸热器受光面和下护板所允许的最高热流密度；镜场失电2 min后，吸热器受光面及下护板上的热流密度分布已发生了较大变化，最高热流密度急剧上升，分别达到1 346.75、543.98 kW/m2。

图9 镜场失电2 min后吸热器受光面及下护板上的热流密度分布图

图10 镜场失电5 min后吸热器受光面及下护板上的热流密度分布图

图11 镜场失电10 min后吸热器受光面及下护板上的热流密度分布图

图12 镜场失电20 min后吸热器受光面及下护板上的热流密度分布图

随着时间的推移，定日镜的光斑渐渐偏离出吸热器表面，吸热器受光面及下护板上的最高热流密度开始逐渐降低。镜场失电5 min后，部分定日镜的光斑偏移至吸热塔上，此时吸热器受光面上的最高热流密度已降至543.99 kW/m2，下护板上的最高热流密度虽然下降至412.98 kW/m2，但仍高于其允许的最高热流密度。镜场失电10 min后，吸热器受光面及下护板上仅残留有少量定日镜的光斑，此时受光面及下护板上的最高热流密度均已远低于其允许的最高热流密度。镜场失电20 min后，吸热器受光面和下护板上基本已经没有了定日镜的光斑。下表为镜场失电后，吸热器受光面及下护板上的最高热流密度。