生物質能輔助槽式太陽能發電系統容量配置優化設計

惠永琦

摘要：太陽光普照大地，太陽的能量是用之不竭的。然而由于太陽能熱發電系統受天氣的影響而具有不穩定性，為保證系統發電的連續性，需要有蓄熱系統和輔助熱能系統來補充能量。由于生物質資源分布廣泛且直燃利用技術成熟，采用生物質鍋爐進行輔助供能。本文以1MW裝機規模為基礎，首先介紹系統中各個部分的數學模型，同時建立了系統的經濟分析模型，采用遺傳算法加罰函數法進行模型求解。通過此研究，確定系統合適的容量配置，使1MW裝機規模項目達到經濟性最優。

關鍵詞：太陽能；生物質；經濟性模型；優化

引言：

太陽光普照大地，太陽的能量是用之不竭的；而且太陽能熱發電絕對干凈，不會污染環境，完全符合當前全球能源危機下新能源的選擇標準。然而由于太陽能熱發電系統受天氣的影響而具有不穩定性，從而引發電系統輸出功率波動。為保證系統發電的連續性以及滿足整個系統的功率平衡，需要蓄熱系統和輔助熱能系統補充能量。采用目前被廣泛應用在槽式太陽能熱發電系統中的熔融鹽儲熱技術進行蓄熱儲能；由于生物質資源分布廣泛且生物質直燃利用技術成熟，利用生物質鍋爐進行輔助供能。

Sahin和Kodal提出，定義一個目標函數：單位總成本的功輸出。以此為目標函數，求取最大熱經濟學目標函數條件下的系統最佳設計參數。本文以1MW裝機規模為基礎，建立整個系統的經濟分析模型，采用遺傳算法加罰函數法進行求解。通過此研究，確定系統合適的容量配置，使1MW裝機規模項目達到經濟性最優。

1、槽式太陽能蓄熱儲能輔助系統設計

槽式太陽能熱發電系統由五部分組成：集熱系統、換熱系統、發電系統、蓄熱系統和輔助熱能系統。集熱系統聚焦太陽直射光，加熱真空集熱管里面的工質，通過換熱系統加熱水產生高溫高壓的蒸汽，驅動汽輪機發電機組發電的系統，從而將太陽能轉化為電能，如圖1所示。

由于受到自然條件的限制和隨機因素的影響，到達地面的太陽照度是不穩定的，所以必須解決蓄能問題和增加補燃裝置。在系統上并聯生物質鍋爐，使系統在沒有太陽輻射能量的時候能繼續滿足發電需要。

2、槽式太陽能熱發電系統模型

2.1 數學模型建立

2.1.1 太陽能集熱系統功率輸出模型

對太陽能集熱系統，其產熱輸出量與當日每小時平均光照輻射量和太陽能集熱器集熱效率有關。其熱量輸出特性：

式中：Qij（t）為i月第j天t時刻太陽能集熱場產生熱量，J；Ssolar為太陽能集熱器面積，m2；Eij（t）為i月第j天t時刻太陽輻射總量，J/m2；η1為太陽能集熱器的集熱效率。

則太陽能集熱系統平均每小時輸出功率為：

2.1.2 生物質燃燒器功率輸出模型

生物質鍋爐要在太陽能集熱器不工作的條件且蓄熱系統放熱至熱量最低限的情況下，其提供的熱量經過生物質鍋爐直接加熱水成為過熱蒸汽，推動汽輪機做工。其功率輸出關系式如下：

式中：P為電站輸出電功率，W；ηRan為理想循環效率；ηr，el為汽輪發電機組效率。

2.1.3 蓄熱系統功率輸出模型

蓄熱系統在蓄熱溫差為△T時的蓄熱量：

式中：Q△T為蓄熱系統最大蓄熱量，J；Cw為蓄熱系統儲熱介質的比熱容，J/（kg×℃）；△T為蓄熱溫差，℃；ρw為蓄熱介質的密度，kg/m3；Vtank為蓄熱系統儲熱介質的體積，m3。

假設吸收或釋放Q△T熱量時，需要t1小時，則蓄熱系統平均輸出功率：

2.2 經濟性模型

在生物質輔助槽式太陽能熱發電系統中，槽型拋物面聚光集熱器面積的增加，可以減少生物質鍋爐的運行時間，但是會導致蓄熱系統儲熱介質體積的增加，因此增加系統的初投資。實現經濟效益的最大化，是確定太陽能集熱器面積和蓄熱系統儲熱介質體積的一個標準。本文通過建立系統的經濟目標函數，對系統中主要裝置的參數進行優化設計。

2.2.1 經濟目標函數

對于太陽能熱動力系統，獲取功量是我們的最終目的，在相同的經濟投入情況下，獲取的功量越多，系統的經濟性越好。我們定義一個目標函數：單位總成本的功輸出。然后以此為目標，求取最大熱經濟學目標函數條件下的系統最佳設計參數。因此本文的槽式太陽能熱發電系統經濟性目標函數：

式中：M為工程使用年限內總費用，包括系統的初始投資、安裝費用、年維護費用和運行成本等；W為工程使用年限內電站輸出的總功。F被稱為單位投資的產功率，它越，表明系統的經濟性越好，應該追求F的最大值。

假設工程使用年限為LPROJ年。

（I）太陽能集熱系統費用計算

太陽能集熱系統總費用主要包括太陽能集熱器和塔架初始投資、安裝和維護費用。其總費用C1：

式中：Ssolar為太陽能集熱器的面積，m2；C11、C12和C13分別表示單位面積太陽能集熱器的初始投資成本、安裝費用和年維護費用；C14、C15和C16為與單位面積太陽能集熱器配套的塔架初始投資成本、安裝費用和年維護費用。

（II）生物質鍋爐費用計算

生物質鍋爐總費用主要包括生物質燃燒器及配套鍋爐的初始投資、安裝和維護費用。其總費用C2：

式中：C21、C22和C23分別表示單位功率生物質鍋爐的初始投資成本、安裝費用和年維護費用。

（III）蓄熱系統費用計算

蓄熱系統費用主要是儲鹽罐和熔融鹽初始投資費用、安裝費用以及維護費用。其總成本 C3：

式中：Vtank為蓄熱系統儲熱介質的體積，m3；C31、C32和C33分別表示單位體積儲鹽罐的初始投資、安裝費用和年維護費用；C34、C35和C36分別表示單位體積儲熱介質的初始投資、安裝費用和年維護費用。

（IV）工程使用年限內系統的運行成本

系統的運行成本包括燃燒生物質燃料的費用和水泵等用電費用等。其中生物質燃料費用需按月計算，其他費用按年計算。則工程使用年限內系統的運行成本：

式中：C41為生物質燃料的費用；C42為燃燒動力費用；C43為人工費；Ielse為其它費用。

i月份生物質燃料的費用為Fi，則生物質燃料的年費用C41：

式中Fi計算如下：

式中：Wi為一年中i月份電站需要的總功，J；Q1i為一年中i月份太陽能集熱系統吸收的熱量，J；Np為生物質燃料的價格，元/t；qpellet為生物質燃料的熱值，J/kg；η1為生物質燃燒器的燃燒效率。

（V）工程使用年限內總費用

2.3 容量優化配置模型及其求解

2.3.1 優化目標

假設已知某地區典型年份的每小時光照強度數據，給定槽式太陽能集熱系統的集熱面積和集熱效率，蓄熱系統儲熱介質的有關參數（密度、體積、比熱容等），理想朗肯循環效率、汽輪發電機組效率以及電站輸出的電功率。這樣就可以根據太陽能集熱系統、生物質鍋爐以及蓄熱裝置的數學模型，得到槽式太陽能集熱系統、蓄熱系統以及生物質鍋爐在該年份中各個時刻的輸出功率。本文中優化目標是在盡可能地保證供電可靠性的同時提高整個系統投資的經濟性，要選取一組最優的組合（Ssolar，P2，Vtank ），使經濟目標函數取得最大值。

2.3.2 系統約束條件

（1）功率平衡等式約束

假設t時刻電站需輸出的電功率為P。則功率平衡為：

P3（t）>0表示蓄熱系統放熱，反之蓄熱系統吸熱。

（2）不等式約束

（1）生物質鍋爐滿足的條件是在集熱系統以及蓄熱系統都不運行的條件下滿足電站需要輸出的電功率，即

（2）太陽能集熱器面積、生物質顆粒燃燒器功率和蓄熱系統儲熱介質體積約束：必須大于或者等于0。即有：

2.3.3 優化模型的求解

本文中由于光照的不穩定性，（Ssolar，P2，Vtank ）組合不一定完全滿足功率平衡約束，這時會出現

或

這就是電力盈余或者電力不足，電力盈余會造成資源的浪費；而電力不足影響供電的可靠性，所以必須盡可能的減小它們。定義新的目標函數：

式中：C5表示能量浪費懲罰；C6表示停電懲罰；它們的大小分別與電力盈余ESURPLUS和電力不足ELOSS有關。

當 時，有

當 時，有

于是有

，

式中：ɑ和β分別為懲罰系數。

遺傳算法和罰函數法優化參數步驟如下：

（1）優化模型初始化。在罰函數中，根據每個品質指標重要性設置不同懲罰值，把約束條件變成目標函數，最終確定總的目標函數。

（2）參數編碼：遺傳算法一般不直接處理問題空間的參數而是將待優化的參數集進行編碼。

（3）初始種群的生成：根據變量（Ssolar，P2，Vtank）滿足的取值范圍進行隨機取值，隨機地產生 個個體組成一個群體。

（4）適應度函數的設計：將模型求解中進行轉化的目標函數作為適應度函數，依次計算種群中各個個體的適應度值。

（5）選擇、交叉和變異，產生新一代種群。

（6）對新群體進行重評價、選擇、雜交和變異。循環往復，直至最優個體的適應度達到某一界限或最優個體的適應度和平均適應度值不再提高，算法結束。

整個模型求解的遺傳算法流程如圖2。

2.4 實例分析

（I）假設位于我國某地區的1MW生物質能輔助槽式太陽能發電系統，該地區某月份光照強度數據如圖3。

本人通過長期實際調研和參照有關參考文獻，取得關于太陽能集熱系統、生物質鍋爐、蓄熱裝置和生物質燃料有關參數和經濟性數據等。

（II） 實例中發電系統優化結果

以本人搜集的數據為例，根據前面所給的生物質輔助槽式太陽能發電系統中各個子系統模型、經濟目標函數以及一些約束條件等，將參數帶入，則有：

當生物質能輔助槽式太陽能發電系統中太陽能集熱系統的面積為785m2，生物質鍋爐燃燒器的功率為1.65MW，蓄熱裝置的容積為41.6m3時經濟目標函數取值最大。

3、結論

太陽能熱發電不會污染環境，是最清潔能源之一。為了保證系統發電的連續性，本文采用生物質鍋爐進行輔助供能。

為確定生物質輔助槽式太陽能發電系統的最優容量配置，本文建立太陽能集熱系統、生物質輔助熱能系統以及蓄熱系統的數學模型和經濟性模型，并考慮了現實中的一些約束條件，最終建立優化模型。運用遺傳算法加罰函數法對生物質輔助槽式太陽能發電系統中太陽能集熱系統、生物質輔助熱能系統以及蓄熱系統容量配置進行了求解，得出最佳容量配置。本文的生物質輔助槽式太陽能發電系統容量優化配置具有參考價值。

參考文獻：

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