CSP塔式電站定日鏡采光面積及造價計算

(湖南理工職業技術學院，湖南 湘潭 411100)

0 引 言

2015年周孝信院士在關于“三代電網的發展歷史和主要特征”報告中指出：到21世紀50年代，能源供應體系中，清潔能源發電占比有望超過60%～70%。其中帶儲能CSP聚光發電技術以其能量供應連續性、峰谷可調節可調度性、與電網負荷高度吻合性而將在新能源體系中處于核心地位。國際能源署2014年預測，太陽能光伏、光熱發電在2050年將占全球總發電量的16%和11%，超越其他新能源而成為最大電力來源[1]。

在傳統石化能源日益枯竭及新能源戰略地位日益凸顯的大背景下，國內光熱發電也得到了迅猛發展。在國家“十三五”規劃、《電力發展“十三五”規劃》等一系列政策文件引導促進下，國內自2016年相繼立項了20個光熱發電示范項目，總裝機容量達到1.35GW。2018年3月，國家能源局與發改委《關于提升電力系統調節能力的指導意見》又明確提出：“十三五”期間，光熱發電裝機要達到500萬千瓦。

但由于光熱發電商業化應用起步晚，工程設計過程還存在不少問題，最典型突出的則屬定日鏡場設計，這主要體現在兩方面：一是缺乏相應設計規范；二是設計計算過程復雜。目前電站定日鏡場設計主要依靠專業設計軟件進行，如SENSOL、HFLCAL、RCEll、WINDELSOL、國內長春光機所的HFLD等。對于一般工程設計人員，短時間內也難以掌握這些專業軟件；而實力稍弱的工程公司，或者技術實力雄厚、但跨行業的工程公司(如冶金、石油化工)，由于沒有技術儲備，又缺乏這些必備工具。如何在項目可行性研究階段快速估算鏡場面積和造價，則成為這些企業實際工程項目中首要解決的問題之一。文中基于塔式電站“光—熱—電”的能量轉換過程，提供了一種快速估算定日鏡采光面積的方法，并與實際工程案例做了對比，最后通過工程詢價的方式，對鏡場造價做了初步估算。

1 計算原理與關鍵參數

典型的熔融鹽塔式電站流程如圖1所示。太陽能熱發電實際就是“光—熱—電”的轉換過程。在這一能量形式轉換過程中，能量總量維持不變。因而可通過給定的電站容量，按“電—熱—光”的逆向過程，計算得到鏡場所需的采光面積。為保證發電機組按額定功率輸出電能，要求汽輪機實際輸入熱功率不小于其額定熱功率，進而得到吸熱器、定日鏡場最小輸出熱功率。

圖1 CSP塔式電站原理示意圖

在電站設計點時刻，鏡場收集的總太陽輻射能量被吸熱器吸收后，一部分存儲于儲熱系統，一部分直接供應給汽輪機組發電，基于能量守恒，應有：

E=Etur×ηtur

(1)

Erec=Etur+Estor

(2)

(3)

(4)

式中,ηrec為塔式吸熱器熱效率。

根據圖1及以上公式，計算鏡場面積時，在確定的電站發電功率下，關鍵只需確定四個效率值，即：汽輪機組效率、儲熱系統儲熱效率、吸熱器熱效率、鏡場總光學效率。

CSP光熱電站一般采用中小型凝汽式發電機組，在現有技術水平下，汽輪機組總效率ηtur一般在30%左右，不超過40%[2]，更加精確的計算數據則可以向國內大型汽輪機供應商咨詢。對于熔融鹽儲熱系統，儲熱效率ηstor一般不低于91%，大型系統可達98%，文獻[3]中統計得到儲熱系統熱效率高達98%～99%。可研階段可保守按下限值取。

定日鏡場效率ηfield主要由鏡面損失、余弦效應損失、陰影和阻擋損失、大氣衰減損失以及溢出損失(即截斷損失)幾個因素決定[4-5]，其中主要損失是余弦損失。

實際上，鏡場效率隨太陽位置、日期及電站容量變化而動態變化。在相同條件下，定日鏡效率隨電站容量增大而降低，鏡場越大，定日鏡離中央吸熱塔越遠，光學損失越大[6]。在詳細設計階段，應借助專業軟件進行分析。文中為簡化估算過程，僅以文獻[5-7]中統計數據為依據，具體見表1。

表1典型塔式電站鏡場、吸熱器年均效率

項 目大漢1MW電站PS10 11MWSolar Two 10MW鏡場年均效率/%68.764.050.3吸熱器年均效率/%8576

注：1.文獻[6]中，張耀明統計塔式吸熱器集熱效率為73%。

2.文獻[7]中，通過HFLD軟件驗證分析得到PS10鏡場效率為64.07；在此基礎上設計北京10 MW塔式電站鏡場年均效率為64.15%；

由表1，鏡場年均效率可按50%～68.7%進行估算，可研按不低于60%，大型電站取小值處理。

吸熱器的效率主要由吸熱器本身反射、對流、輻射、導熱決定。根據王志峰、張耀明等統計研究，吸熱器年均效率ηrec一般在73%～85%，具體見表1。一般工程估算過程中，對于腔式吸熱器可取大值，管式吸熱器取小值。

2 計算實例及結果對比

以50 MW熔融鹽塔式電站為例，電站基本設計條件、鏡場面積及造價估算見表2。

表2電站基本設計條件、鏡場面積及造價估算

項 目數值單位1.電站基本設計條件電站容量E50MW電站設計點春分正午設計點DNI900(1)W/m2儲熱時長h6小時設計充熱時長h18(2)小時2.鏡場面積計算汽輪機組總效率ηtur38.4(3)%儲熱系統效率ηstor91%定日鏡場年均效率ηfield62%吸熱器年均效率ηrec78%汽輪機額定輸入熱功率Etur=E/ηtur130.2MW儲能系統每天所需儲存的熱量Etotal=h×Etur/ηstor858.5MW·h儲能系統充熱功率Estor=Etotal/h1107.3MW設計點吸熱器需要輸出的熱功率Erec=Etur+Estor237.5MW所需定日鏡場總面積A=Erec/(ηfield·ηrec·DNI)545728.5(4)m23.造價估算鏡場單價m800(5)元/ m2鏡場總造價F=m·A43658.3萬元

注：(1)DNI為參照德令哈50 MW塔式電站取值；

(2)鏡場從上午8點至下午16點，鏡場反射的太陽能經吸熱器后一部分能量開始流向儲熱系統進行儲存；

(3)汽輪機組效率為參照德令哈50 MW塔式電站取值；

(3)該估算面積為鏡場所需最小面積，實際工程還應按單塊定日鏡面積進行圓整；

(4)該價格為洛陽一家傳動設備廠與西班牙STS在國內合資公司報價，包含鏡面、支撐結構、傳動及控制系統，不含施工費用。

按表2所述方法，保持汽輪機組效率、充熱時間不變，取鏡場、吸熱器、儲熱系統效率極值分別為60%～68%、70%～85%、91%～98%，計算得到最大鏡場面積為628 367.4 m2；最小鏡場面積為441 863.8 m2；按其效率中值計算得到面積為523 181.6 m2。

青海中控德令哈50MW塔式電站概況見表3。

表3德令哈50MW電站

項 目數 值單 位設計點春分日正午年均DNI2058(實測)KWh/ m2.a設計點處DNI～900W/ m2汽輪機組總效率38.4%儲熱時長6小時鏡場鏡面面積488000m2

以德令哈50 MW電站鏡場鏡面面積為比較基準，與按表2得到的最大、最小面積相比，其偏差范圍為-9.4%～+28.7%；與按中值計算的面積相比，得到偏差為+7.2%。

3 結束語

(1)基于能量守恒原理，按“電—熱—光”的逆向工藝流程，給出了簡化的定日鏡場面積計算方法，并以50 MW電站為例，給出了計算過程。

(2)取鏡場、吸熱器、儲熱系統效率極值分別為60%～68%、70%～85%、91%～98%，按表2計算得到50 MW電站最大鏡場面積為628 367.4 m2，最小鏡場面積為441 863.8 m2，按其效率中值計算得到面積為523 181.6 m2。以青海中控德令哈50 MW塔式電站鏡場面積488 000 m2為比較基準，與按表2得到的最大、最小面積相比，其偏差范圍為-9.4%～+28.7%，與按各效率中值計算的面積相比，得到偏差為+7.2%。

(3)通過工程詢價的方式，給出了國內定日鏡出廠價為800元/m2，以此對鏡場造價做了估算。