槽式太阳能热发电系统太阳倍数和蓄热时长的选取方法研究.pdf

SOLAR ENERGY 06/2015500 引言槽式太阳能热发电技术作为目前最成熟的太阳能热发电技术，已在美国、西班牙等国成功实现商业运行，并收到良好的效益 [1]。作为槽式太阳能热电系统的核心部分，集热场为系统获得能量的主要部分， 决定着整个系统输入能量的大小，在系统中起着非常重要的作用；由于集热器成本较高，集热场面积的大小在很大程度上决定着系统的总成本。增加蓄热系统可使槽式太阳能热电系统在额定负荷下的运行时间更长，但会使系统更加复杂。尤其是在集热面积和蓄热容量的配置问题上，妥善解决这个问题对系统的运行性能及经济性都很有必要。李献偶等 [2] 利用 SAM 软件对在浑善克沙地建造 50 MW 槽式太阳能热发电站进行了可行性分析，从寻求最低电价的角度得出对于浑善克沙地区当太阳倍数为 2.5、蓄热容量为 12 h 时系统电价最低的结论。 Izquierdo 等 [3] 从单位面积年发电量和容量因子的关系出发，研究了槽式和塔式光热电站最佳集热面积。本文研究集热场面积及蓄热容量对系统年发电量、 年效率等运行结果的影响。 并以此为基础，通过对比平准化度电成本，研究获得槽式太阳能槽式太阳能热发电系统太阳倍数和蓄热时长的选取方法研究利用 SAM 软件对美国达科特地区建设 50 MW 的槽式太阳能电站进行模拟，对比研究不同太阳倍数和蓄热时长对系统年净发电量、系统年效率及容量因子的影响，通过对比平准化度电成本，研究选择系统最佳太阳倍数与蓄热时长的方法。槽式太阳能热发电； SAM ；太阳倍数；蓄热时长摘 要关键词内蒙古工业大学能源与动力工程学院 ■ 赵明智 * 张晓明 宋士金 李亚楠热发电系统最佳集热场面积的方法，同时讨论不同配置下容量因子的变化情况。1 系统参数的说明1.1 槽式太阳能系统简介槽式太阳能发电系统主要包括槽式太阳能集热场和发电装置两部分，如图 1 所示 [4]。集热场通过集热器跟踪太阳的位置，并接收聚焦太阳辐射以加热集热管内的导热流体，从而实现辐射能转化为热能。集热场接收的太阳辐射能为QinIA 1式中， I 为法向直射辐照度； A 为集热器面积。收稿日期 2014-09-04 基金项目 内 蒙古自然科学基金项目沙漠沙尘环境槽式线聚焦太阳能热发电集热系统的集热性能研究 2014MS0511通信作者 赵明智 1976 ，男，副教授、硕士生导师，主要从事太阳能利用的研究。 zhaomingzh2020163.com1 槽式太阳能系统原理图阳光 2.7 MWh/m 2a太阳能接收区太阳能过热器HTF加热器 可选 蓄热装置 可选 燃料太阳能预热器锅炉（可选）燃料蒸汽发生器太阳能再热器膨胀装置低压预热器脱气器蒸汽涡轮机冷凝器变电站技术产品与工程SOLAR ENERGY 06/201551接收的太阳辐射经过集热镜面的反射，聚焦到集热管，再传递给管内工质。集热器集热量的表达式为 [5]Qsolar eldρταγ λ cosθ KQin 2式中， ρ 为聚热镜面的反射率； α 和 τ 分别为集热管的吸收率和透过率； θ 表示入射角； γ 为采集因子，表示由集热器反射聚焦的太阳辐射能被集热管接收的部分， 包括集热器余弦效应、 跟踪精度、几何精度及集热器间的阴影遮挡和管端损失； λ 为集热器镜面清洁度； K 为太阳入射角的修正系数，通常根据特定集热器的试验数据给出。在集热场被加热后的导热工质经过蒸汽发生系统，与给水发生换热，转换为高温、高压的蒸汽推动汽轮机做功，转化为机械能带动发电机发电。系统实际发电量 Pactual 为PactualQpower blockη power block 3式中， Qpower block 为进入汽轮机蒸汽的热量；η power block 为汽轮发电机组效率。系统年净发量是评价电站系统的性能参数。年净发电量为系统年发电量减年厂自用电量剩余部分的发电量，可对外输出。这样，系统年效率可表示为系统年净发电量与集热场接收的辐射能之比η netPnet/Qin 4式中， Pnet 为年净发电量。1.2 集热场面积由式 2 可看出，集热量和集热场面积为相对应关系，但它也受地理位置、气候条件等因素的影响。一般情况下，增加集热场的面积可增加集热量，从而增加系统发电量。但是，若集热面积太大，当集热场集热量远远大于汽轮机组所需热量时， 不仅会造成浪费， 还会使系统成本增加。所以槽式太阳能热电系统的集热场面积会有一个合适的设计点。在槽式太阳能热电系统的集热场面积设计中，一般引入太阳倍数 SM 这一概念。 SM 是指在地区的设计法向直射辐照度下，集热场输出的热功率与汽轮机发电机组额定进口热功率之比，如式 5 所示 [5]|des 5式中， Qsolar field 为集热场的集热功率，可由式 2 计算得出； Qpower block 为汽轮发电机组额定进口热功率，由电站设计容量决定。SM 反映了集热场规模与发电系统设计热功率之间的关系。由式 6 可知，当 SM1，在达到设计的辐射值时，集热场集热功率等于汽轮发电机组的额定进口热功率。但由于太阳辐射具有间歇性、不确定性，法向直射辐照度在大部分的时间里并不等于设计值，所以在槽式电站的实际设计过程中，为了保证汽轮机发电机组在全年中可有更多时间工作于额定工况，使系统更高效地运行， SM 值一般都大于 1。在系统设计中，合适的集热场面积应满足的要求为 1 尽量增加系统在额定负荷下的年工作小时数； 2 尽量减小系统的安装和修护费用； 3能更高效地利用蓄热系统和补燃系统。1.3 蓄热容量蓄热系统是太阳能热力发电系统的关键技术之一。它的作用是在光照充足时，贮存集热场输出的多余热量， 在光照资源不足时 阴天或晚上 加以利用，这不仅避免了能量浪费，而且还可增加汽轮机的运行时长，提高设备的利用率，降低整个电站系统的发电成本。图 1 所示蓄热系统的工作过程为在吸热阶段，低温蓄热介质由泵输送出罐并吸热升温；放热阶段，高温蓄热介质由泵送出，并进入蒸汽发生系统加热给水，产生蒸汽推动汽轮机做功。在配备有蓄热系统的光热系统中，蓄热时长的选择非常重要。蓄热时长是蓄热系统所储存的最大热量可使汽轮发电机组在额定参数下的运行时间，反映了蓄热系统的蓄热容量大小。由于增加了蓄热系统，系统的投资和运行成本增加。另外，为了满足蓄热系统的蓄热要求，SM Qsolar eldQpower block技术产品与工程SOLAR ENERGY 06/201552系统运行结果的影响。分别取 SM 值为 1～ 2 之间的 6 个值来讨论集热面积与系统发电量的关系。 SM 与系统运行结果的关系如图 2 所示。集热镜场的面积比无蓄热系统时大，投资和维护成本都随之增长。那么，对整个系统，选择合适的系统配置不仅关系到系统的运行结果，对其经济性也产生很大影响。2 集热场面积和蓄热容量对系统的影响与分析利用美国可再生能源实验室 NREL 开发的SAM 软件，选用美国达科特地区气象数据，模拟建设 50 MW 的槽式太阳能电站，讨论集热场面积和蓄热容量的选择对系统运行结果的影响，在此基础上研究系统配置的选择方法。2.1 基本的参数设定在集热设备的选用方面，集热器选用目前应用广泛的 Euro Trough ET150 型槽式集热器，集热管选用 Schott PTR70 2008 型。其他设计参数见表 1。名称 设计参数集热器行间距 /m 15跟踪精度 0.95镜面反射率 0.935集热管的吸收率 0.96集热管的透过率 0.963镜面清洁度 0.95镜面几何精度 0.98集热管破损系数 0.005导热工质 Therminol VP-1 导热油集热场出口温度 /℃ 391集热场进口温度 /℃ 293汽轮机发电机组净 / 50/55总发输出功率 / MW汽轮机进汽压力 / MPa 10汽轮机组发电效率 0.3774冷却方式 水冷补燃率 0表 1 槽式太阳能热电系统设计参数2.2 太阳倍数对系统结果的影响以上述槽式电站的设置参数，在无蓄热系统时，通过不同 SM 值来反映不同集热镜场面积对由图 2 可看出，当 SM1 时，年净发电量为8.82 107 kWh ，效率为 14.6。随 SM 值从 1 逐渐增加到 2，年净发电量逐渐增大；当 SM2 时，年净发电量为 1.26 108 kWh ，增幅达 43.5，而效率降为 10.7。主要原因为随着 SM 的增大，集热面积大，集热场集热量增加，从而使提供给汽轮机的热量增加，发电量增加。然而受电站设计容量的限制，发电机组满负荷时所需汽轮机进口能量一定。当集热场集热量大于发电机组所需能量时，超出部分会被浪费，这也是系统年效率会随 SM 的增大而下降的原因。所以，年净发电量随 SM 值增长的趋势不会一直持续，其增长速度会越来越缓，最终趋于水平。2.3 蓄热时长对系统结果的影响为了讨论蓄热时长对系统运行结果的影响，以 SM 值为 2 的槽式太阳能热电系统为例，采用双罐式蓄热系统， 其中蓄热工质为 HITEC 融盐，蓄热罐热损失为 0.4 W/m 2K ；分别选取蓄热时长为 0、 2、 4、 6、 8、 10、 12 h，得出蓄热时长与系统运行参数的关系，如图 3 所示。由图 3 可知，系统年净发电量与系统年效率均先随蓄热时长的增加而增长，并在蓄热时长为10 时达到最大值，此时年净发电量达到 1.81 108kWh ，系统年效率为 18.5；与无蓄热系统时相比，年净发电量增长了 43.1，系统年效率增长了 5.9。图 2 SM 对槽式太阳能系统运行结果的影响1.30 1081.25 1081.20 1081.15 1081.10 1081.05 1081.00 1089.50 1079.00 1078.50 1078.00 107年净发电量/kWh年净发电量系统年效率0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.215.0014.5014.0013.5013.0012.5012.0011.5011.0010.5010.00系统年效率/SM技术产品与工程SOLAR ENERGY 06/201553系统增加蓄热装置，可回收一部分热量，增加系统的运行时间， 使年发电量和系统效率增加，这与图 3 所反映的结果一致。但这种增加限制，主要受集热场面积、蓄热系统及相关管路的热损影响。由于对特定集热面积，年集热量不变，而较大蓄热罐会使系统热损失增大，从而在蓄热时长增大到一定值时，年净发电量与系统效率的变化趋势逐渐平缓，甚至出现下降。2.4 系统配置的选择方法由以上分析可得，增加 SM 值和蓄热时长可明显提高系统的年发电量，但这种增加有限；另一方面，增加 SM 值和蓄热时长必然会导致投资成本的增加。所以，对于一个特定容量的槽式光热电站，集热场面积、蓄热容量和系统经济性之间应有一个最优配比点，而确定这一配比点也是槽式光热系统设计的重要环节。平准化度电成本 LCOE 是指系统每发一度电所要投资的成本，是反映电站经济性的重要指标。 LCOE 为充分考虑一个太阳能电站整个运行周期内的投资和运营、维护、管理成本的一个综合性参数，可由式 6[6] 计算得出。6式中， fcr 为年金因子； Cinvest 为系统总投资；COM 为系统操作和维护成本； Cfuel 为年补燃的燃料费； Enet 为年净发电量。仍以上述美国达科特地区建立的 50 MW 槽式光热电站为例，分析集热场面积、蓄热容量和LCOE 之间的关系。 其中， 集热场面积用 SM表示，蓄热容量用蓄热时长表示。电站相关的经济性参数见表 2。LCOE fcrCinvestCOM CfuelEnet参数 数值土地修整 3 美元 /m2集热镜场 300 美元 /m2直接成本 导热油 150 美元 /kWe蓄热系统 40 美元 /kW th发电系统 850 美元 /kWe意外开支 8工程设计 、 施工与管理 直接成本的 16间接成本 土地费用 直接成本的 3营业税 直接成本的 7维护费用 50 美元 /kWa模拟周期 30 a贷款率 40贷款年限 25 a其他经济参数 贷款利率 7.5/a膨胀率 2.5/a折现率 8/a财产税 1/a表 2 槽式太阳能系统的经济性参数通过分析不同的镜场面积和蓄热容量对应LCOE 的变化规律，结果如图 4 所示。由图 4 可知，对于达科特地区，当蓄热时长为 12 h、 SM2.5 时， LCOE 最低，可达 14.72 欧元 /kWh ，为系统的理论最佳配置点。而无蓄热系统的槽式光热系统，其 LCOE 最低点出现在SM1.5 时，为 16.43 欧元 /kWh ，比理论最佳配比点上涨了 11.6。由于集热场和蓄热系统在整个系统的成本中所占有比例很大，约为 60，增加 SM 值和蓄1.30 1081.20 108年净发电量/kWh年净发电量系统年效率19.0018.0017.0016.0015.0014.0013.0012.0011.0010.00系统年效率/0 2 4 6 8 10 12 14蓄热时长 /h图 4 SM、蓄热时长与 LOCE 的关系LOCE/欧元kWh-1302826242220181614121.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5SM0 h 2 h 4 h6 h 8 h 10 h12 h技术产品与工程SOLAR ENERGY 06/201554热时长，会大幅增加系统的初期投资 [7]。如与SM2、蓄热时长为 6 h 的系统相比，比理论最佳配比点初期总投资增加了 30，而此时系统的LCOE 为 15.43 欧元 /kWh ，相比于理论最佳配比点仅上涨了 4.8。2.5 容量因子与系统配置之间的关系容量因子 capacity factor ， CF 是考虑一个光热电站年发电小时数的重要数据，是指太阳能热电站在规定时间段内实际输出的电量与满负荷条件下输出电量之比，时间段通常为 1 年 即8760 h，定义式为 [3]7式中， Egross 为光热电站的年实际发电量；Prate 为电站额定功率。因为太阳辐射的间歇性，即使增加了蓄热系统，也不能保证系统可得到全天能量输入，限制了系统的年发电量，影响其 CF 值。所以对槽式光热系统来说， 其 CF 值通常都不会太大。 由式 7可看出，只要能影响系统输出性能的参数都会对CF 的大小产生影响，如装机容量、辐射资源及光热电站的系统配置等。图 5 为系统在 SM1.5、 SM2 时，系统 CF随蓄热时长的变化关系。由图 5 可知，不同 SM值系统， CF 都随蓄热时长的增加而增加，最终都趋于稳定。当 SM1.5 时， CF 值最终稳定在30.5 附近；当 SM2 时， CF 最终稳定在 40.3附近。 SM 值不同时，其 CF 的稳定值也不相同，SM 值越大，其稳定值越高。所以，如果要增加系统的 CF，可通过增加集热镜场面积和为系统装备更大容量的蓄热系统的途径来实现。3 结论通过模拟分析美国达科特地区建设 50 MW的槽式太阳能电站，对比了不同的太阳倍数、蓄热时长对系统运行参数、平准化度电成本及容量因子的影响，得出以下结论1 增加集热面积可有效增加系统年净发电量，但受系统发电装置容量等条件的限制，这种增加有限，且增加集热面积会使系统年效率降低。2 增加蓄热装置使系统的能量分配更加合理，蓄热时长的增加有利于年净发电量与年效率的增加。3 可通过寻找最低系统平准化度电成本，作为系统选择配置的方法，但还要结合分析其初期投资成本来做出决定。4 当太阳倍数值一定时，容量因子随蓄热时长增加而增加，且都存在一个稳定值；另外，太阳倍数值越大，其稳定值也越大。参考文献[1] Reddy K S ， Kumar K R. 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