槽式太陽能光熱電站集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

韓建國， 王 強(qiáng)， 劉向民， 王興平， 杜宇航， 蔣志浩

(1. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240；2. 國家電投新疆能源化工集團(tuán)達(dá)坂城風(fēng)電有限公司， 烏魯木齊 830000)

聚光型太陽能集熱器按照接收器的形狀不同主要分為槽式、塔式、碟式以及線性菲涅爾式4種類型，其中槽式聚光系統(tǒng)是國內(nèi)外開發(fā)利用最多的一種集熱器類型，主要是因?yàn)槠渚哂邪惭b方便、結(jié)構(gòu)簡單、安全且可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。槽式太陽能光熱電站利用太陽能發(fā)電，即利用槽式拋物面反光鏡將太陽光聚焦到集熱管上，集熱管捕獲太陽能光能并將其轉(zhuǎn)化為可帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的熱量[1]。2016年，我國國家能源局公布了《建設(shè)太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目通知》，啟動(dòng)了首批20個(gè)太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目，總規(guī)模達(dá)1 349 MW，這標(biāo)志著我國太陽能熱發(fā)電的商業(yè)化進(jìn)程開始起步[2]。其中包括7個(gè)槽式太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目，中廣核德令哈50 MW槽式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目已于2018年10月10日實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行；中船新能烏拉特中旗100 MW槽式太陽能光熱發(fā)電項(xiàng)目于2021年7月13日實(shí)現(xiàn)機(jī)組連續(xù)24 h不間斷、穩(wěn)定、高負(fù)荷發(fā)電，其他示范項(xiàng)目也在建設(shè)之中。

研究槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)性能對于槽式太陽能光熱電站的投資建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。Pal等[3]對太陽能場鏡面尺寸及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，得出了提高太陽能集熱器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的方法，但并未分析太陽能場控制系統(tǒng)對整個(gè)電站的影響。李博等[4]分別使用系統(tǒng)顧問模型(SAM)軟件和Greenius軟件對槽式太陽能光熱電站進(jìn)行數(shù)值模擬和對比分析，但是未用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。趙明智等[5]分析了儲(chǔ)熱系統(tǒng)對槽式太陽能光熱電站的影響，但未考慮集熱系統(tǒng)中集熱器數(shù)量的影響。王慧富等[6]研究了集熱器陣列布置方案和集熱系統(tǒng)工質(zhì)設(shè)計(jì)出口溫度對系統(tǒng)性能的影響，但忽略了集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)對整體性能的影響。

鑒于目前集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)對系統(tǒng)性能影響研究較少的情況，筆者根據(jù)國內(nèi)某50 MW槽式太陽能光熱電站，研究集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)對系統(tǒng)年凈發(fā)電量和平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)的影響。在此基礎(chǔ)上，研究集熱系統(tǒng)回路數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)長對平準(zhǔn)化度電成本的影響，得到了最佳的儲(chǔ)熱時(shí)長。

1 槽式太陽能集熱系統(tǒng)與儲(chǔ)熱系統(tǒng)

1.1 集熱系統(tǒng)

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)及發(fā)電系統(tǒng)。槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)通過拋物面聚光鏡面將太陽光匯聚在焦線上，在焦線上安裝集熱管，以吸收聚焦后的太陽輻射能。管內(nèi)的流體被加熱后，流經(jīng)換熱器時(shí)加熱水產(chǎn)生蒸汽，然后利用蒸汽動(dòng)力循環(huán)來發(fā)電。集熱系統(tǒng)主要包括支架、反射鏡面和真空集熱管。真空集熱管是槽式太陽能集熱器的核心設(shè)備，包括不銹鋼內(nèi)管、外面包裹的玻璃套管、除氣環(huán)和波紋管。為了獲得更好的光學(xué)性能，金屬管表面外鍍有選擇性涂層，該涂層對太陽光譜具有很高的吸收率和低的發(fā)射率，從而減少金屬吸熱管對外的輻射熱損失。

1.2 集熱系統(tǒng)回路數(shù)

集熱系統(tǒng)回路數(shù)等于太陽倍數(shù)乘以太陽倍數(shù)為1.0時(shí)所需的回路數(shù)。所需的集熱系統(tǒng)回路數(shù)四舍五入為最接近的整數(shù)。集熱系統(tǒng)回路數(shù)與集熱場面積的關(guān)系式[7]如下：

Ssolarfiled=Nloops·ASCAs·NSCAs

(1)

式中：Ssolarfiled為集熱場面積，m2；Nloops為集熱系統(tǒng)回路數(shù)；ASCAs為單個(gè)集熱器面積，m2；NSCAs為單個(gè)回路的集熱器數(shù)量。

1.3 集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)

圖1為集熱系統(tǒng)分區(qū)示意圖，圖中分別表示了將集熱系統(tǒng)分成2個(gè)、4個(gè)和6個(gè)分區(qū)的情況。槽式太陽能光熱電站的集熱場由多個(gè)集熱系統(tǒng)分區(qū)組成，每個(gè)分區(qū)由很多回路組成。一個(gè)分區(qū)中的所有回路共享同一組冷熱集管管道的環(huán)路。集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)決定了將傳熱流體輸送至動(dòng)力塊的集管的位置和形狀，從而影響熱損失。本文中選取集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)為2、4、6、8和10進(jìn)行研究。

圖1 集熱系統(tǒng)分區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the partition of the collector system

1.4 儲(chǔ)熱系統(tǒng)

太陽能受到晝夜、天氣和季節(jié)等氣象條件的影響，為了保證整體系統(tǒng)的發(fā)電穩(wěn)定性，需要設(shè)置儲(chǔ)熱系統(tǒng)。在白天太陽能資源豐富的條件下，集熱場所吸收的熱量超出了電站的發(fā)電需求，儲(chǔ)熱系統(tǒng)就將多余的熱量儲(chǔ)存起來，在夜晚或者白天天氣不好時(shí)，電站無法從集熱系統(tǒng)獲得熱量發(fā)電時(shí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)開始放熱，使得電站正常運(yùn)行。

2 模型建立與參數(shù)說明

2.1 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)模型

太陽法向直射輻照度是指垂直于太陽光線方向上的單位面積單位時(shí)間內(nèi)所接收的太陽輻射能量，計(jì)算公式[8]為：

IDNI=G0[a+b·exp(-c/sinαs)]

(2)

其中，

a=0.423 7-0.008 21(6-H)2

(3)

b=0.505 5+0.005 95(6.5-H)2

(4)

c=0.271 1+0.018 58(2.5-H)2

(5)

式中：αs為太陽高度角，(°)；H為當(dāng)?shù)睾０胃叨?，km；G0為太陽常數(shù)，取1 366 W/m2；IDNI為太陽法向直射輻照度，W/m2。

集熱場1年內(nèi)吸收的總太陽輻射能Qin為：

Qin=IDNI·A

(6)

式中：A為集熱器面積，m2。

集熱器吸收鏡面反射的太陽輻射能，將熱能傳遞給工質(zhì)。集熱器吸收的熱量Qsolar為：

Qsolar=ρταγλcosθKQin

(7)

式中：ρ為鏡面反射率；τ為集熱管透過率；α為集熱管吸收率；γ為采集因子；λ為集熱器鏡面清潔度；θ為入射角，(°)；K為太陽入射角修正系數(shù)。

加熱后的導(dǎo)熱工質(zhì)進(jìn)入蒸汽發(fā)生器與水換熱，產(chǎn)生的高壓高溫蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功，使發(fā)電機(jī)發(fā)電。系統(tǒng)實(shí)際發(fā)電量P為：

P=Qpower·ηpower

(8)

式中：Qpower為進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽熱量，kJ；ηpower為汽輪機(jī)組發(fā)電效率。

2.2 太陽能發(fā)電成本

平準(zhǔn)化度電成本LLCOE是指系統(tǒng)每發(fā)1 kW·h電所需花費(fèi)的成本，即通過考慮整個(gè)太陽能電站運(yùn)行周期內(nèi)的投資、運(yùn)營維護(hù)和管理成本等因素，從而確定的一個(gè)參數(shù)。平準(zhǔn)化度電成本為項(xiàng)目運(yùn)行周期內(nèi)總的資金投入與運(yùn)行周期內(nèi)發(fā)電量的比值，是反映電站經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，計(jì)算公式[9]如下：

(9)

式中：Cn為第n年的項(xiàng)目總費(fèi)用，元；En為第n年太陽能電站年凈發(fā)電量，MW·h；r為折現(xiàn)率，%;N為運(yùn)行總年數(shù)。

2.3 年發(fā)電效率

年凈發(fā)電量是評價(jià)電站系統(tǒng)性能優(yōu)劣的參數(shù)。年凈發(fā)電量為系統(tǒng)年發(fā)電量減去年廠自用電量，可對外輸出電量。系統(tǒng)年發(fā)電效率ηnet可表示為系統(tǒng)年凈發(fā)電量與集熱場接收的輻射能之比：

ηnet=Pnet/Qnet

(10)

式中：Pnet為年凈發(fā)電量，kW·h；Qnet為集熱場接收的輻射能，kW·h。

2.4 容量因子

槽式太陽能光熱電站在一定時(shí)間內(nèi)實(shí)際輸出的總電量與滿負(fù)荷條件下輸出電量的比值為電站容量因子(F)，時(shí)間段通常為8 760 h。容量因子是考察電站年發(fā)電小時(shí)數(shù)的重要數(shù)據(jù)，代表了發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電的年利用系數(shù)，其計(jì)算公式[10]為：

(11)

式中：Prate為發(fā)電機(jī)組額定功率，kW。

2.5 電站主要仿真參數(shù)

以國內(nèi)某50 MW槽式太陽能光熱電站為例，通過對當(dāng)?shù)氐湫蜌庀竽甑臍庀髷?shù)據(jù)計(jì)算來分析槽式太陽能光熱電站的系統(tǒng)性能。其中代表性日期的太陽法向直射輻照度的變化情況如圖2所示，槽式太陽能光熱電站主要參數(shù)見表1。

圖2 代表性日期太陽法向直射輻照度的變化Fig.2 Change of solar normal direction irradiance on a representative day

表1 50 MW槽式太陽能光熱電站的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of a 50 MW parabolic trough CSP station

通過建立的模型，利用某50 MW槽式太陽能光熱電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行模擬，得到年凈發(fā)電量為192 173.456 MW·h，電站實(shí)際運(yùn)行的年凈發(fā)電量為197 500 MW·h，相對誤差為2.6%，誤差較小，保證了模擬的正確性。

3 模擬結(jié)果對比及分析

3.1 單回路集熱器數(shù)量的選擇

在導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫度和質(zhì)量流量一定的情況下，太陽法向直射輻照度不變，單個(gè)回路中導(dǎo)熱油流速太快，出口溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)溫度，此時(shí)需要增加單個(gè)回路長度，即增加單回路集熱器數(shù)量。同理，如果單個(gè)回路中導(dǎo)熱油流速太慢，為使出口溫度達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，就需要減小單個(gè)回路的長度，即減少單回路集熱器數(shù)量。

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)模型的平準(zhǔn)化度電成本和集熱器的壓力隨單回路集熱器數(shù)量的變化如圖3所示。從圖3可以看出，單回路集熱器數(shù)量增多，平準(zhǔn)化度電成本和集熱器壓力增大。

圖3 平準(zhǔn)化度電成本及集熱器壓力隨單回路集熱器數(shù)量的變化Fig.3 Change of LCOE and collector pressure with the numbers of the collectors in a single loop

在單回路集熱器數(shù)量從4增加到6時(shí)槽式太陽能光熱電站的平準(zhǔn)化度電成本增大了0.22，在單回路集熱器數(shù)量從6增加到8時(shí)平準(zhǔn)化度電成本增大了0.58。在單回路集熱器數(shù)量超過4時(shí) ，集熱器壓力超過了安全壓力4 MPa[10]。單回路集熱器的數(shù)量會(huì)對電站發(fā)電量產(chǎn)生影響，集熱系統(tǒng)中單回路集熱器數(shù)量越多，吸收的太陽能就越多，換熱效率也會(huì)越高，在單個(gè)回路中盡可能地選擇更多的集熱器數(shù)量。綜上所述，單回路集熱器數(shù)量小于等于4為宜。

3.2 集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

圖4給出了槽式太陽能光熱電站的年凈發(fā)電量和平準(zhǔn)化度電成本隨集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)和回路數(shù)的變化。從圖4(a)可以看出，相同回路數(shù)下，集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)小于等于6時(shí)，年凈發(fā)電量幾乎不變，當(dāng)集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)大于6時(shí)，年凈發(fā)電量減小，這是由于隨著集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)的增多，系統(tǒng)的換熱回路以及連接管道也會(huì)增多，沿程損失相應(yīng)增加，使得系統(tǒng)年凈發(fā)電量減小；但是隨著回路數(shù)的增多，系統(tǒng)年凈發(fā)電量也會(huì)相應(yīng)增大，這是因?yàn)榛芈窋?shù)增多，槽式太陽能光熱電站的集熱器面積增加，從而可以吸收更多的太陽能。當(dāng)回路數(shù)分別為260、270、280、290和300，集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)從2增加到10時(shí)，年凈發(fā)電量減小量分別為5.14 GW·h、5.34 GW·h、5.8 GW·h、4.75 GW·h和4.99 GW·h，分別減少了2.2%、 2.1%、2.3%、1.8%和1.7%；當(dāng)回路數(shù)分別為260、270、280、290和300，集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)從2增加到6時(shí)，年凈發(fā)電量減小量分別為0.96 GW·h、0.85 GW·h、0.37 GW·h、0.26 GW·h和0.09 GW·h，分別減小了0.4%、0.35%、0.14%、0.1%和0.03%，可以看出集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)對年凈發(fā)電量影響不大，尤其是集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)為2～6時(shí)幾乎沒有影響。

從圖4(b)可以看出，回路數(shù)和集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)增多，系統(tǒng)連接管道增加，集熱管也會(huì)增加；集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)增多，初始投資就會(huì)增加，對設(shè)備的維護(hù)成本也會(huì)增加，在集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)大于6之后，平準(zhǔn)化度電成本增長幅度變大。在相同回路數(shù)下，集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)在2、4、6之間選取時(shí)經(jīng)濟(jì)性最高。

(a) 年凈發(fā)電量

(b) 平準(zhǔn)化度電成本

圖5給出了集熱管道最大壓力隨集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)和回路數(shù)的變化。隨著回路數(shù)的減少，集熱管道的最大壓力隨之減?。辉谙嗤芈窋?shù)下，集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)增多，集熱管道的最大壓力減小，這是由于在回路數(shù)一定時(shí)，增加分區(qū)會(huì)使每一個(gè)分區(qū)中的回路數(shù)變少，管道長度變短，集熱管出口流速固定，即集熱管道的最大壓力會(huì)減小。

圖5 集熱管道最大壓力隨集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)和回路數(shù)的變化Fig.5 Change of the maximum pipe pressure with the numbers of partitions and loops in the collector system

由圖4和圖5可知，綜合考慮年凈發(fā)電量、電站的投資成本及其安全性，最佳的集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)為6。

3.3 儲(chǔ)熱時(shí)長對系統(tǒng)性能的影響

通過上述分析，選取集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)為6，對槽式太陽能光熱電站作進(jìn)一步分析。圖6給出了發(fā)電效率和容量因子隨儲(chǔ)熱時(shí)長的變化。從圖6可以看出，系統(tǒng)的發(fā)電效率和容量因子隨著儲(chǔ)熱時(shí)長的增加而增大，但是增大幅度越來越小，最后趨于穩(wěn)定。

圖6 發(fā)電效率和容量因子隨儲(chǔ)熱時(shí)長的變化Fig.6 Change of generating efficiency and capacity factor with the heat storage time

圖7給出了槽式太陽能光熱電站年凈發(fā)電量和平準(zhǔn)化度電成本隨集熱系統(tǒng)回路數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)長的變化。從圖7(a)可以看出，在相同回路數(shù)下，儲(chǔ)熱時(shí)長增加，系統(tǒng)年凈發(fā)電量增大，這是由于增加了儲(chǔ)熱時(shí)長，集熱系統(tǒng)所吸收的太陽能可以更多地儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱系統(tǒng)中，在沒有太陽光的情況下，儲(chǔ)熱系統(tǒng)可以為電站提供更多的能量用于發(fā)電。

從圖7(b)可以看出，儲(chǔ)熱時(shí)長增加，系統(tǒng)平準(zhǔn)化度電成本會(huì)先減小后增大，相同回路數(shù)下，集熱管吸收的熱量一部分用于發(fā)電，多余的部分由儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)存起來，用于應(yīng)對沒有太陽光的情況，可以為電站發(fā)電提供所需的熱量，避免浪費(fèi)太陽能引起的損失，在儲(chǔ)熱時(shí)長為16 h時(shí)，儲(chǔ)熱系統(tǒng)的投資與年凈發(fā)電量比值最低，達(dá)到最低的平準(zhǔn)化度電成本。

(a) 年凈發(fā)電量

(b) 平準(zhǔn)化度電成本

儲(chǔ)熱時(shí)長增加，平準(zhǔn)化度電成本先減小后增大，先減小的原因是增加儲(chǔ)熱時(shí)長會(huì)使系統(tǒng)年凈發(fā)電量增大，從而使平準(zhǔn)化度電成本減??；后增大的原因是增加儲(chǔ)熱時(shí)長也會(huì)增加電站的初始投資，當(dāng)電站初始投資超過發(fā)電的收益時(shí)，平準(zhǔn)化度電成本就會(huì)增大。在不同回路數(shù)下，都存在一個(gè)最佳的儲(chǔ)熱時(shí)長(16 h)。當(dāng)回路數(shù)為270、儲(chǔ)熱時(shí)長為16 h時(shí)，達(dá)到系統(tǒng)的最佳配置點(diǎn)。

4 結(jié) 論

(1) 基于所建立的槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)模型，在保證換熱效率的前提下，盡可能多地選擇單回路集熱器數(shù)量，在滿足槽式太陽能光熱電站安全性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，單回路中最佳集熱器數(shù)量為小于等于4。

(2) 在相同回路數(shù)下，平準(zhǔn)化度電成本隨著集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)的增多而增大；年凈發(fā)電量隨著集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)的增多而減小，但是減小幅度很??；管道最大壓力隨著集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)的增多而減??；選取集熱系統(tǒng)分區(qū)數(shù)為6時(shí)最為合適。

(3) 在相同回路數(shù)下，年凈發(fā)電量隨著儲(chǔ)熱時(shí)長的增加而增大；平準(zhǔn)化度電成本隨著儲(chǔ)熱時(shí)長的增加先減小后增大；選取儲(chǔ)熱時(shí)長為16 h最為合適。