南京南瑞太陽(yáng)能科技有限公司 ■ 王啟揚(yáng) 談?dòng)扬w 林晨
江蘇省太陽(yáng)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ■ 蔣川
南京嘉業(yè)新能源有限公司 ■ 袁銀鳳
隨著石油、煤炭、天然氣等能源迅速消耗并面臨枯竭的威脅,太陽(yáng)能作為一種可再生的清潔能源,其開發(fā)和利用已受到世界各國(guó)的普遍關(guān)注[1]。從1950年蘇聯(lián)設(shè)計(jì)、建造世界第一座塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電的小型試驗(yàn)電站至今,許多國(guó)家相繼建立起不同形式的太陽(yáng)能示范電站及商業(yè)化電站[2,3]。在這些電站中,以槽式和塔式為主,其中槽式光熱發(fā)電技術(shù)已相對(duì)成熟,塔式光熱電站由于技術(shù)要求更高,前期投入更大,其發(fā)展稍滯后于槽式光熱電站。但塔式電站也具備一定的優(yōu)勢(shì),如規(guī)模性效益更強(qiáng)、光-熱-電轉(zhuǎn)換效率更高、系統(tǒng)熱損失更小等[4]。因此,許多國(guó)家也逐漸將目光投向大規(guī)模塔式光熱電站。
槽式光熱電站的集熱模塊具有相對(duì)獨(dú)立性,其規(guī)??蛇M(jìn)行物理疊加。但塔式電站圍繞其中心集熱塔建造,在擴(kuò)大集熱規(guī)模的過(guò)程中,會(huì)造成大氣傳輸因子、余弦效率、占地面積、集熱塔高度等一系列因素的非線性增長(zhǎng)。塔式電站雖然具有規(guī)模性效益,但并非單體規(guī)模越大越好。另外,由于不同地區(qū)的自然條件存在差異,適宜建造的電站規(guī)模也不同。本文通過(guò)對(duì)塔式光熱電站能量轉(zhuǎn)化內(nèi)在機(jī)理的理論分析,建立聚光系統(tǒng)、吸熱系統(tǒng)和儲(chǔ)熱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合System Advisor Model(SAM)仿真軟件,以太陽(yáng)直射輻照值(DNI)為主要考查因素,分析不同地區(qū)建造塔式光熱電站的適宜規(guī)模,并對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置研究。
通過(guò)分析并建立不同地理位置太陽(yáng)輻射模型,建立圓形聚光鏡場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型,考慮鏡子的相關(guān)損失,建立單個(gè)鏡子集熱能力的表達(dá)式。最后,建立整個(gè)鏡場(chǎng)集熱能力與面積的關(guān)系模型。
鏡場(chǎng)總輻射能量Erad與鏡場(chǎng)鏡子個(gè)數(shù)Nm、鏡場(chǎng)面積Sfield間的關(guān)系為:
太陽(yáng)的直射幅照度I(t)表達(dá)式為:
塔式光熱電站的吸熱系統(tǒng)包括聚光塔頂?shù)奈鼰崞?、蒸汽發(fā)生器、過(guò)熱器等裝置,完成從鏡場(chǎng)吸收的輻射能量到蒸汽熱能的轉(zhuǎn)換[5,6]。
吸熱工質(zhì)吸收的集熱場(chǎng)輻射能量,一部分被存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱系統(tǒng)的高溫熔鹽罐內(nèi),另一部分與蒸汽發(fā)生器進(jìn)行換熱,加熱水工質(zhì),產(chǎn)生蒸汽[7]。本節(jié)建模對(duì)吸熱器與蒸汽發(fā)生器之間熔融鹽工質(zhì)的能量傳遞過(guò)程與儲(chǔ)熱系統(tǒng)能量調(diào)度進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,可得到熔鹽工質(zhì)與蒸汽發(fā)生器換熱的輸入熱量:
式中,QB為熔融鹽工質(zhì)傳遞進(jìn)蒸汽發(fā)生器的熱量,J;ηre為集熱器效率;λe為熔鹽工質(zhì)輸送到蒸汽發(fā)生器的占比。
蒸汽發(fā)生器受熱部分的水工質(zhì)連續(xù)性方程式為:
式中,vt為蒸汽發(fā)生器受熱面內(nèi)部總?cè)莘e,m3;ρa(bǔ)為蒸汽發(fā)生器中汽水工質(zhì)的平均密度,kg/m3;Dec為入口給水流量,kg/s;Ds為過(guò)熱器出口蒸汽流量,kg/s。
吸熱器吸收總能量為Qre,在儲(chǔ)熱系統(tǒng)建模過(guò)程中對(duì)輸入能量進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,假設(shè)根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行工況,吸熱器吸收的總能量中有λe用于發(fā)電,得到蓄熱系統(tǒng)能量輸入為:
式中,Qst為蓄熱系統(tǒng)輸入熱量,J。
儲(chǔ)熱系統(tǒng)通過(guò)換熱器的能量輸出為:
式中,d為管徑;h為傳熱系數(shù),W/(m2·℃);A為傳熱面積;ti為入口水溫,℃;to為出口水溫,℃;tm為定性溫度,℃;tw為管壁溫度,℃。
在本節(jié)研究中,選取DNI值分別為2791.4(Daggett)、2606.6(Las Vegas)、2422.2(Tonopah)的3個(gè)地區(qū)作為模擬地域。塔式光熱電站模擬容量為40~350 MW,梯度為10 MW。集熱塔高度和集熱器規(guī)格,采用SAM內(nèi)嵌軟件迭代計(jì)算得到。
在以上3個(gè)地域,對(duì)不同容量的塔式光熱電站進(jìn)行仿真分析,得到不同地區(qū)能量均化成本(LCOE)與容量的關(guān)系曲線如圖1所示。
圖1 不同地區(qū)LCOE與容量關(guān)系曲線
對(duì)3組數(shù)據(jù)分別比較得到:
1) DNI值越高的地方,越適合建造塔式光熱電站,建站成本越低。
2)電站容量在40~200 MW區(qū)間內(nèi),隨著規(guī)模的擴(kuò)大,單位功率造價(jià)越便宜,規(guī)?;б姹憩F(xiàn)明顯;電站容量在200~280 MW區(qū)間內(nèi),電站單位功率造價(jià)趨于平穩(wěn);電站容量在280~350 MW區(qū)間內(nèi),規(guī)模越大單位功率造價(jià)反而上升,說(shuō)明不利因素的影響比重逐漸擴(kuò)大。
根據(jù)美國(guó)能源署(DOE)對(duì)不同容量電站進(jìn)行的成本仿真分析對(duì)比結(jié)果顯示,塔式電站最合適的裝機(jī)規(guī)模為250 MW,相對(duì)于100 MW的塔式電站參照模型來(lái)看,其LCOE可下降20%。當(dāng)超過(guò)這一范圍繼續(xù)增加裝機(jī)規(guī)模,其LCOE不降反升。通過(guò)對(duì)照,模擬結(jié)果基本吻合。但是,由于實(shí)際建造時(shí)的影響因素較多,最優(yōu)塔式光熱電站規(guī)模需根據(jù)當(dāng)?shù)赝恋刭Y源、水資源、負(fù)荷情況及資金狀況等多重因素綜合考慮。
定日鏡是塔式光熱電站最主要的組成部分之一,占整個(gè)電站基礎(chǔ)投資的50%。從20世紀(jì)80年代的Solar One塔式光熱電站開始,定日鏡的規(guī)?;瘧?yīng)用已有30余年,但縱觀各個(gè)電站,定日鏡的規(guī)格卻各有不同[8,9]。本次將通過(guò)對(duì)配備不同尺寸定日鏡的塔式光熱電站進(jìn)行仿真分析,研究其最優(yōu)化配置的問(wèn)題。
本節(jié)將LCOE和總面積作為主要考核對(duì)象,定日鏡尺寸(正方形結(jié)構(gòu))和電站容量值為參變量,其余參數(shù)均保持一致。為避免氣候?qū)Ψ抡娼Y(jié)果的影響,在研究過(guò)程中均選取Daggett(DNI=2791.4)作為模擬地域。塔式光熱電站的額定容量分別選取250 MW和10 MW,定日鏡的邊長(zhǎng)從2~20 m,梯度為1 m。
通過(guò)仿真分析,得到定日鏡尺寸與LCOE Real(實(shí)際值)關(guān)系曲線和定日鏡尺寸與總面積關(guān)系曲線如圖2、圖3所示。
根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可得到以下規(guī)律:
1) 在兩種規(guī)模的電站中,隨著定日鏡尺寸的增加,LCOE 實(shí)際值都呈先降后升的規(guī)律;
圖2 Daggett地區(qū)兩種規(guī)模塔式電站定日鏡尺寸與總面積的關(guān)系曲線
圖3 Daggett地區(qū)兩種規(guī)模塔式電站定日鏡尺寸與LCOE 實(shí)際值的關(guān)系曲線
2) 250 MW電站LCOE實(shí)際值的最低值所對(duì)應(yīng)的定日鏡邊長(zhǎng)為12 m,而10 MW電站LCOE實(shí)際值的最低值所對(duì)應(yīng)的定日鏡邊長(zhǎng)為6 m;
3) 在兩種規(guī)模的電站中,隨著定日鏡尺寸的增加,總面積值都呈現(xiàn)增長(zhǎng)的規(guī)律。
由此可得出,對(duì)于不同規(guī)模的塔式光熱電站,定日鏡最優(yōu)尺寸不同,且規(guī)模大的電站對(duì)應(yīng)的定日鏡最優(yōu)尺寸更大。在相同規(guī)模的塔式光熱電站中,大定日鏡的土地利用率小于小定日鏡。
在實(shí)際工程建設(shè)中,定日鏡的最優(yōu)尺寸選取需充分考慮生產(chǎn)制造能力、控制難度、抗風(fēng)強(qiáng)度、安裝調(diào)試成本等因素,根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況分析而定。
根據(jù)結(jié)構(gòu),塔式光熱發(fā)電站中吸熱器主要包含表面式和空腔式兩類。兩種類型的吸熱器各具優(yōu)缺點(diǎn),在選擇過(guò)程中需考慮多方面的因素。其中主要包括電站容量、地理位置等[10,11]。本次將針對(duì)表面式吸熱器的規(guī)格進(jìn)行仿真研究。
本節(jié)將吸熱器面積作為主要考核對(duì)象,定日鏡尺寸(正方形結(jié)構(gòu))和電站容量值為參變量,其余參數(shù)均保持一致。在研究塔式光熱電站額定容量與吸熱器設(shè)計(jì)規(guī)格的關(guān)系時(shí),考慮不同地域?qū)υO(shè)計(jì)要求的影響,在研究過(guò)程中均選取Daggett(DNI=2791.4)和 Tonopah(DNI=2422.2)作為對(duì)照仿真地域,電站容量從40~300 MW,梯度為10 MW。在研究定日鏡尺寸與吸熱器設(shè)計(jì)要求的關(guān)系時(shí),考慮塔式光熱電站額定容量的影響,分別選取250 MW和10 MW的塔式光熱電站作為對(duì)照組,定日鏡的邊長(zhǎng)從2~17 m,梯度為1 m。
通過(guò)仿真分析,得到電站容量與吸熱器面積間的關(guān)系曲線如圖4所示,定日鏡邊長(zhǎng)與吸熱器面積間的關(guān)系曲線如圖5所示。
根據(jù)仿真研究得到的關(guān)系曲線可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:
1) DNI值對(duì)塔式光熱電站吸熱器的設(shè)計(jì)規(guī)格沒有明顯影響;
2) 隨著塔式光熱電站設(shè)計(jì)容量的增加,吸熱器表面積也呈相應(yīng)增長(zhǎng),且接近線性關(guān)系;
圖4 不同地區(qū)塔式光熱電站額定容量與吸熱器面積關(guān)系曲線
圖5 Daggett地區(qū)不同規(guī)模塔式光熱電站定日鏡尺寸與吸熱器面積關(guān)系曲線
3) 在小容量塔式光熱電站中,定日鏡尺寸的增加會(huì)導(dǎo)致吸熱器表面積的微量增長(zhǎng);
4) 在大容量塔式光熱電站中,定日鏡尺寸的增大對(duì)吸熱器表面積的影響較小。
電站容量增加,就需傳熱介質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)獲得更多的熱量,在溫度梯度一定的情況下,為增加熱通量需增大換熱面積,這也驗(yàn)證了隨著塔式光熱電站設(shè)計(jì)容量的增加,吸熱器表面積也呈現(xiàn)相應(yīng)增長(zhǎng)的現(xiàn)象。在小容量塔式光熱電站中,定日鏡尺寸的增加會(huì)使聚集的光斑增大,進(jìn)而導(dǎo)致吸熱器設(shè)計(jì)規(guī)格的增大;在大容量塔式光熱電站中,因定日鏡尺寸改變而增大的光斑相對(duì)于吸熱器尺寸偏小,因此不會(huì)對(duì)吸熱器的設(shè)計(jì)規(guī)格造成影響。
儲(chǔ)熱是指將能量轉(zhuǎn)化為在自然條件下比較穩(wěn)定的熱能,并加以儲(chǔ)存的過(guò)程。在太陽(yáng)能光熱電站中,當(dāng)負(fù)荷降低時(shí),利用蓄熱裝置可把多余熱能暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)。由于太陽(yáng)能自身的非連續(xù)性,蓄熱器的放熱還可用于補(bǔ)充高峰負(fù)荷的需要。因此,蓄熱可實(shí)現(xiàn)供電的削峰填谷,從而保證電能并網(wǎng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性[12,13]。
在本節(jié)研究中將采用帶熔鹽儲(chǔ)熱的塔式光熱發(fā)電模型,傳熱、儲(chǔ)熱介質(zhì)為60%NaNO3+40%KNO3的二元復(fù)合熔鹽,儲(chǔ)熱系統(tǒng)為冷、熱雙鹽罐結(jié)構(gòu)。為充分考慮光照強(qiáng)度及電站規(guī)模對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)最優(yōu)化容量的影響,擬選取Daggett(DNI=2791.4)和Los Angeles(DNI=1800)作為仿真地域,電站規(guī)模選取10 MW和100 MW兩種,儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量以滿足電站按額定功率發(fā)電1 h所需容量為計(jì)算單位。儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量從額定功率發(fā)電1 h所需容量起,以等差數(shù)列遞增,梯度為1 h。
通過(guò)仿真分析,得到儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量(Full Loads Hours of TES)與能量均化成本(LCOE 實(shí)際值)間的關(guān)系曲線如圖6所示。
圖6 塔式光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量與LCOE實(shí)際值關(guān)系曲線圖
根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可得到以下結(jié)論:
1)配置儲(chǔ)熱系統(tǒng)能有效降低LCOE 實(shí)際值,但有一個(gè)最佳范圍,過(guò)高或過(guò)低都將影響電站的經(jīng)濟(jì)性;
2)同一地區(qū),不同規(guī)格塔式太陽(yáng)能光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)的最優(yōu)化容量相同,表明儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量與電站設(shè)計(jì)規(guī)格的比值與電站規(guī)格無(wú)關(guān),而取決于當(dāng)?shù)毓庹諚l件;
3)不同地區(qū),相同規(guī)格塔式太陽(yáng)能光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)的最優(yōu)化容量不同,且DNI值越大的地區(qū)所需儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量越大,表明在光照條件越好的地區(qū)配置大容量?jī)?chǔ)熱系統(tǒng)能更好地提高資源利用率。
在此次研究中,集熱場(chǎng)規(guī)模與電站額定功率的比值固定。而在實(shí)際應(yīng)用中,為了實(shí)現(xiàn)快速調(diào)峰功能,集熱場(chǎng)規(guī)模與電站額定功率的比值是不同的。因此,在儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮當(dāng)?shù)毓庹諚l件、集熱場(chǎng)規(guī)模與電站額定功率的比值、提高儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量引起技術(shù)難度的增加這幾個(gè)因素。
經(jīng)過(guò)對(duì)塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備優(yōu)化配置的研究,得到了相應(yīng)結(jié)論。以下將國(guó)內(nèi)某地區(qū)作為擬建地點(diǎn),進(jìn)行驗(yàn)證分析。
選取內(nèi)蒙古阿巴其地區(qū)作為仿真地點(diǎn),當(dāng)?shù)氐牡乩砑皻庀髷?shù)據(jù)如圖7所示。
圖7 阿巴其地區(qū)地理及氣象數(shù)據(jù)
此次仿真中選取電站額定裝機(jī)容量為250 MW,在定日鏡規(guī)格選取中,結(jié)合仿真結(jié)論及國(guó)內(nèi)外已建成的塔式光熱電站,選擇正方形定日鏡,邊長(zhǎng)為12 m。采用表面式吸熱器,傳熱介質(zhì)為二元復(fù)合熔融鹽,儲(chǔ)熱容量選取7 h最優(yōu)容量。
通過(guò)仿真計(jì)算,最終得到電站運(yùn)行數(shù)據(jù)。其中電站總造價(jià)為19.2748億美元,平均年發(fā)電量為9.41785億kWh,能量均化成本為15.38美分/kWh,電站平均月發(fā)電量如圖8所示。
圖8 電站平均每月發(fā)電量
根據(jù)優(yōu)化配置仿真結(jié)論選取各關(guān)鍵設(shè)備規(guī)格,在內(nèi)蒙古阿巴其地區(qū)以250 MW塔式電站作為仿真對(duì)象,其經(jīng)濟(jì)性較好,在一定程度上驗(yàn)證了關(guān)鍵設(shè)備優(yōu)化配置研究的結(jié)論,可供實(shí)際工程建設(shè)參考。
通過(guò)對(duì)塔式太陽(yáng)能光熱電站容量、定日鏡尺寸、吸熱器規(guī)格和儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量4個(gè)方面進(jìn)行研究,得到大容量塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備優(yōu)化配置的結(jié)論有如下幾點(diǎn):
1)塔式光熱電站的規(guī)模性效益很明顯,200 MW電站的單位功率造價(jià)比50 MW電站的單位功率造價(jià)能降低約10%,電站的最優(yōu)化規(guī)模在200~280 MW之間。
2)對(duì)于定日鏡尺寸無(wú)確切的最優(yōu)值,但具有整體規(guī)律:電站容量越大,對(duì)應(yīng)的定日鏡最優(yōu)尺寸越大。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,定日鏡的尺寸需根據(jù)建造工藝、安裝、控制、當(dāng)?shù)刈匀粭l件等因素進(jìn)行綜合考慮。
3)隨著塔式光熱電站容量增長(zhǎng),吸熱器設(shè)計(jì)規(guī)格相應(yīng)增大。在小容量塔式光熱電站中,定日鏡尺寸的增大要求吸熱器規(guī)格增大;在大容量塔式光熱電站中,定日鏡尺寸的變化對(duì)吸熱器的設(shè)計(jì)規(guī)格影響較小。
4)儲(chǔ)熱系統(tǒng)能有效提高塔式光熱電站的資源利用率,從而降低能量均化成本,光照條件越好需儲(chǔ)熱系統(tǒng)的配比越高,同一地區(qū)不同規(guī)格電站的儲(chǔ)熱系統(tǒng)最優(yōu)化配比相近。
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