塔式太陽能熱發電站能源管理系統的探討

許粲羚，朱子欽（浙江大學能源工程學院，浙江 杭州 310058）

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塔式太陽能熱發電站能源管理系統的探討

許粲羚，朱子欽（浙江大學能源工程學院，浙江 杭州 310058）

摘要：本文介紹了塔式太陽能熱發電站的發展現狀，論述了塔式太陽能熱發電站的主要控制系統組成，提出了能源管理系統的基本構架和管理運行模式，為有效地管理和控制塔式太陽能熱發電站提供了可行方案。

關鍵詞：太陽能熱發電站；能源管理系統

1　引言

能源和環境是全球經濟發展的焦點問題，化石能源短缺，生態環境惡化，促使各國都加大了對可再生能源的開發。相對于風能、潮汐能以及太陽能光伏發電等，太陽能熱發電具有發電功率平穩可控、運行方式靈活、熱電冷可聯供等優點，因此成為了當前世界范圍內的開發熱點。隨著一批太陽能熱發電站的建設與運營，如何對太陽能熱發電站進行有效管理和控制，合理利用太陽能資源，減少能源浪費，提高太陽能熱發電站的運行效率，是一個值得深入研究的新興課題。太陽能熱發電技術可分為塔式、槽式、碟式三種主要類型，本文將以塔式太陽能熱發電為例，對能源管理系統的構架和功能進行探討，并提出設計方案。

2　塔式太陽能熱發電系統的發展

2.1塔式太陽能熱發電系統的基本形式

塔式太陽能熱發電系統是利用多臺獨立跟蹤太陽的定日鏡，將陽光聚集到固定在支撐塔上的吸熱器中，把太陽輻射能轉換成傳熱工質的熱能，再通過熱力循環轉換成電能。塔式太陽能熱發電系統主要由定日鏡場、支撐塔、吸熱器、儲熱器、換熱器和發電機組等組成。按照傳熱工質的種類，塔式太陽能熱發電主要有水-蒸汽、熔融鹽和空氣等形式。水-蒸汽塔式太陽能熱發電系統的原理如圖1所示。

圖1　水-蒸汽塔式太陽能熱發電系統[1]

塔式太陽能熱發電系統具有聚光比高，傳熱工質能夠達到較高的工作溫度，熱傳遞路程短，熱損失少，易于實現蓄熱，系統綜合效率高等特點，系統設計參數可與常規火電機組取得一致，使太陽能熱電站達到較高的熱電轉換效率，具有良好的大規模、大容量應用前景。

2.2國外建設情況

從2007年至今，塔式太陽能熱發電站逐步實現了商業化運營。其中，西班牙陸續投產了PS10、PS20和Gemasolar，其容量分別為11MW、20MW和20MW。美國陸續投產了Sierra SunTower、Crescent Dunes和Ivanpah項目，其容量分別為5MW、110MW和392MW。

其中，2014年2月投產的世界最大的商業化塔式光熱電站—美國Ivanpah塔式太陽能熱發電廠總容量達392MW，是全球塔式光熱電站的標志性項目。

表1　國外部分已建和在建塔式光熱電站

2.3國內建設情況

在國內，塔式太陽能光熱發電是最早進行MW級試驗項目建設及商業化運行的太陽能熱發電形式。在國家863計劃的支持下，由中科院電工所牽頭建設的八達嶺太陽能塔式熱發電項目是我國第一個MW級塔式熱發電試驗項目，該電站于2012年8月成功并網發電。

由浙江中控太陽能技術有限公司投資建設的浙江中控德令哈50MW塔式太陽能熱發電項目一期10MW工程，于2013年7月并網發電，投入商業運行。該電站于2014年9月初獲得國家發改委電價核準（1.2元/kWh），是我國第一個核準電價的商業化太陽能熱發電項目。

表2　國內部分已建成塔式光熱電站

表3　國內部分在建及擬建塔式光熱電站

3　主要控制系統的分析

塔式太陽能熱發電站主要分太陽島和常規島兩個部分，太陽島的控制系統是當前研究的重點。目前太陽島的控制系統主要包括鏡場控制系統、吸熱控制系統和儲熱控制系統等，鏡場控制系統由于控制對象多而且復雜，是當前研究的難點和關鍵。鏡場控制系統一般將定日鏡分成多個組進行控制，每個組再包括多個定日鏡，如圖2所示。

圖2　鏡場控制系統

常規島也稱為發電島，其控制系統與常規火電廠基本一致，主要包括汽機電液控制系統（DEH）、汽機危急遮斷系統（ETS）以及輔助控制系統等。

在太陽島控制系統和常規島控制系統之間，需要設計一套協調控制系統（CCS），用于統籌兩者之間的關系，使得太陽島的熱能輸出與常規島的發電量相對平衡。該系統是塔式太陽能熱發電站主控制系統的核心子系統。

目前鏡場控制系統基本隨鏡場成套設計，DEH、ETS基本隨汽輪機成套設計，其他控制系統則由主控制系統完成，主控制系統一般采用分散控制系統（DCS），如圖3所示。

圖3　主控制系統圖

4　能源管理系統的研究

4.1設置能源管理系統的意義

太陽能熱發電站的主控制系統雖然可以滿足電站的正常啟停和運行，但目前還存在著一系列問題。比如，由于太陽光照的不確定性，電站的運行穩定性很難得到保證；主控制系統的設計目標是保證電站的運行，如何合理利用太陽能資源有待考慮；太陽能發電、儲熱與電網需求之間的合理平衡有待優化處理等。

能源管理系統，是工業企業合理計劃和利用能源，以降低單位產品能源消耗，提高經濟效益，降低排放量為目的的信息化管理系統，該系統已經在國內其它領域取得了明顯效果。如何讓太陽能熱發電站合理利用資源和能源，提高太陽能熱發電站的運行效率？研究并設計一套適合太陽能熱發電站的能源管理系統將具有非常重要的意義。

4.2能源管理系統的構架

主控制系統可以實現太陽能熱發電站的基本控制，但要合理利用資源和能源，提高太陽能熱發電站的運行效率，則需要在現有主控制系統的基礎上添加一套天氣預測系統，在綜合分析判斷主控制系統信息和天氣預測信息的基礎上，設計一套能源管理系統，統籌太陽能熱發電站的運行模式和切換。

與主控制系統構架不同的是，在能源管理系統的管控結構中，太陽島的概念將只包括鏡場系統和吸熱器系統，不包括儲熱系統。儲熱系統將單獨作為能源管理的獨立單元考慮。

能源管理系統是綜合協調太陽能熱發電、儲熱與電網需求的管理系統，對于需要長期穩定接入電網的項目，電站還需要配套輔助燃料系統，供長期陰雨天氣發電用。能源管理系統的基本構架，如圖4所示。

圖4　能源管理系統圖

4.3能源管理系統的管理模式

能源管理系統以天氣預測系統為基本判據，與電網調度進行實時交換信息，根據太陽輻射情況，可以設計四種運行管理模式。

模式一：直接發電并儲熱。該模式適用于陽光充足的晴天。在天氣晴好時，太陽島和常規島正常運行，吸熱器發出的熱量一部分用于發電，一部分進行儲熱。

模式二：直接發電。該模式適用于陽光較弱的天氣，比如晴天的清晨和傍晚、多云天氣、霧霾天氣等。此時太陽光熱全部用來發電，儲熱系統停止接受熱能。

模式三：儲能發電。該模式適用于無陽光的天氣，比如晚上和陰雨天氣等。該模式通過儲熱系統放出的熱能進行發電，此時鏡場和吸熱系統停止運行，常規島運轉。

模式四：停止運行或輔助燃料發電。該模式適用于連續陰雨天氣時間超過最長儲熱時間，無法發電的情況。此時全部設備都將處于停運狀態。對于設置有輔助燃料的電站，如果需要發電，則啟動輔助燃料維持發電運行。

以上為太陽能熱發電站能源管理系統需要實現的基本運行管理模式，針對電網中不同定位的電站，比如調峰電站，則需要根據電網的指揮實時切換不同的運行模式。

5　結語

太陽能熱發電站的研究和建設正處于蓬勃向上的發展時期，將能源管理系統應用于太陽能熱發電站具有非常現實的意義。充分發揮好能源管理系統的作用，合理有效地管理和控制電站，使電站在運行周期內發揮最大的效能，是能源管理系統的設計目標。能源管理系統是在主控制系統基礎上發展起來的，也是管理和協調主控制系統的上層系統，處理好能源管理系統和主控制系統之間的接口以及相互融合是能源管理系統成功應用的基礎。

本文介紹了塔式太陽能熱發電站的發展現狀，塔式太陽能熱發電站的主要控制系統組成，在此基礎上提出了能源管理系統的構架和基本管理運行模式，可為太陽能熱發電站的建設提供參考。

參考文獻：

[1] 中國太陽能熱發電產業政策研究報告[R]. 國家太陽能光熱產業技術創新戰略聯盟.

文獻標識碼：B

文章編號：1003-0492（2016）04-0082-03中圖分類號：TK514

作者簡介

許粲羚（1995-），女，北京人，本科，現就職于浙江大學能源工程學院熱工與動力系統研究所，主要研究方向為新能源發電與能源工程管理。

Discussion on Energy Management System of Tower-type Solar Thermal Power Station

Abstract:This paper introduces the development status of tower-type solar thermal power stations, discusses its main control systems, and proposes the basic framework and management operation modes with providing the feasible scheme to manage and control tower-type solar thermal power stations effectively.

Key words:Solar thermal power station; Energy management system