槽式太陽能光熱供蒸汽系統工程設計關鍵技術探究

沈惠沖

上海電氣工程設計有限公司

0 引言

太陽能是一種成本低廉、環保清潔、形式靈活的可再生能源形式。有學者認為利用太陽能是解決當前能源、資源和環境等問題的有效方法和途徑，它不會消耗資源，也不會產生廢氣、廢渣污染空氣、土壤和水［1］，也有學者從太陽能能量轉換的角度

根據聚光集熱方式不同，太陽能光熱分為線聚焦、面聚焦和點聚焦三種類型。其中線聚焦主要包括太陽能拋物面槽式和太陽能線性菲涅爾式，面聚焦主要包括太陽能塔式，點聚焦系統主要包括太陽能碟式。不同集熱器類型示意圖，如圖3。認為它是綠色能源的綠色利用形式，并且太陽能資源是世界上分布最為廣泛的可再生能源［2］。全球太陽能資源豐富的國家或地區主要集中在北非、非洲南部、北美西南部、南美西南部、西亞、中亞西北部以及澳大利亞西北部（如圖1）。在國內，太陽能資源豐富的地區主要位于新疆東部、西藏、甘肅、青海、內蒙等地區（如圖2）。

圖1 全球太陽能直射輻射分布圖

圖2 中國太陽能直射輻射分布圖

圖3 不同集熱器類型示意圖

對比四種聚光集熱類型，太陽能碟式聚光比最高（1 000～3 000），塔式次之（300～1 500），線聚焦系統的拋物槽式（70~80）和線性菲涅爾式（25~100）相對較低。四種類型常規的優缺點見表1。

表1 四種類型常規的優缺點

在太陽能光熱利用中，聚光集熱系統收集太陽輻射熱量，通過聚光集熱面匯聚到集熱管上，集熱管中的傳熱工質被加熱，加熱后的傳熱工質進入儲能系統和蒸汽發生系統中工作。聚光集熱系統的集熱效率對于整個太陽能光熱項目有著至關重要影響。一般來說，鏡場集熱面積和儲熱系統容量主要受工程造價、運維和財務成本及項目站址太陽能資源等因素影響。

本文以內蒙古自治區包頭市郊某工業園區100 t/h光熱蒸汽供熱項目為例，以槽式太陽能光熱項目全壽命周期整體經濟性最優為目標，并通過建立系統模型計算，分析不同太陽能倍數及儲熱容量邊界條件下每噸蒸汽成本，最終確定最優儲熱容量方案。

結合該工程分析槽式太陽能光熱供蒸汽系統工程設計關鍵技術要點，重點討論站址太陽能資源評估及設計點DNI、聚光集熱鏡場面積、儲熱小時數等因素對光熱供蒸汽項目的影響。

1 工程設計關鍵技術要點

1.1 太陽能資源評估

規范［3］中要求，槽式太陽能光熱設計首先需要分析項目站址所在區域的太陽能資源概況，并對該地區太陽能資源的豐富程度進行初步評價，同時分析該地區的地理條件和氣候特征，為站址選擇和工程技術方案初步確定提供參考依據。需要運用公共氣象數據庫或其他方法進行分析評估，特別是對于大型商業槽式太陽能光熱項目建議結合現場觀測數據分析，用于太陽能資源分析的現場觀測數據應不少于一個完整年連續觀測記錄。中國電建西北勘測院陳鍵［4］等人基于氣象統計學對光熱項目太陽能資源進行研究，提出了一套太陽能資源的評估方法。本文采用對比分析的方法分析項目所在地太陽能資源和設計點DNI值，為項目站址和技術方案設計提供了適用可靠的設計條件。

內蒙古自治區地理位置在我國北部，其太陽能資源十分豐富，年日照時數在2 600～3 400 h之間，太陽能年總輻射量在1 342～1 948 kWh/㎡之間，內蒙古自治區是我國太陽能高輻射值地區之一，全區太陽能資源分布具有呈自東向西遞增特點，見圖4。

圖4 內蒙古自治區總輻射分布圖

根據公開氣象數據，內蒙古自治區部分縣市多年平均太陽輻射數據和日照時間如圖5所示，其中，包頭市年太陽總輻射量（GHI）為5 815.76 MJ/m2，位于區內中下游，平均日照時間位于區內中上游，具備建設光熱供熱供汽工程的條件。

由于項目前期實測DNI數據缺乏，選擇臨近區域參考點的實測數據代替。NREL光資源軟件中，相近站點有包頭達茂旗百靈廟，陜西榆林兩處，日均DNI分別為4.94 kWh/m2，4.04 kWh/m2。

比較可知，達茂旗百靈廟地理位置、冬季日照百分率更接近，且直接輻射DNI數據、降水量等與場址更為接近。該工程選用百靈廟的直接輻射DNI數據計算集熱量，按照NREL光資源軟件中包頭市達茂旗百靈廟數據作為計算依據。在充分利用光照資源的原則下，如圖5，站址設計點DNI值取950 W/㎡。

圖5 包頭市達茂旗百靈廟DNI值數據圖

1.2 方案設計及比選

1.2.1 方案設計

根據項目需求，該期工程儲熱容量為1 200 MWth，需要滿足額定工況16 h連續出力。儲熱系統采用冷/熱雙罐方案，分別設置一組冷工質泵和一組熱工質泵。槽式反射鏡將陽光反射到集熱管，集熱管中的導熱油（從冷儲油罐泵出）被加熱到300℃，流入熱儲油罐。熱儲油罐中的高溫導熱油進入蒸汽發生器將給水加熱至飽和蒸汽，低溫導熱油流入冷儲油罐。而高溫蒸汽可提供給工業用戶進行生產。蒸汽發生器設計1×100%容量，單臺配置具有管道系統簡單、閥門少、設備占地小、運行調節相對簡單等特點。為應對停機檢修及連續陰雨多云天氣，該工程將傳統熱源作為儲熱供汽的調峰機組。

工藝系統設計流程圖見圖6，主要設備包括槽式反射鏡（及其支架）、集熱管、冷熱儲油罐、工質泵、蒸汽發生器（及預熱器），給水泵等。

圖6 槽式太陽能光熱供蒸汽系統示意圖

1.2.2 系統建模(SAM)

系統指導模型SAM(system advisor model)，它是一個主要應用于可再生能源行業的模擬與分析軟件，目前被廣泛運用于太陽能領域，該系統的拋物線聚光集熱模型基于該軟件建立。通過SAM平臺建立的模型可以計算得到太陽能光熱每小時的熱力輸出，并生成8 760 h全年逐小時的各項數據結果，可以通過設置不同的輸入條件，對計算結果進行總體性能評估和優化。

SAM模型包括三個模塊，分別對應三個步驟［5］：第一步設置輸入條件；第二步對模型進行計算；第三步輸出計算結果并匯總分析。項目性能計算取決于場址氣象條件、光熱項目整體配置、各子系統的配置情況（如太陽能集熱場、儲熱系統、蒸汽生產系統等）等。

該工程采用拋物線槽式集熱（IPH Trough）模型，基本參數設置見圖7。

圖7 拋物線槽式集熱（IPH Trough）模型基本參數

其中，設計點DNI值取950 W/m2，太陽能倍數采用4倍，計算結果如下：

1）聚光集熱系統：集熱系統回路68個回路，鏡場面積42.95萬m2，總占地面積約92.27萬m2，集熱器反射面積為1 579 m2；

2）儲熱系統：導熱油體積11 350 m3，導熱油密度837.18 kg/m3，儲罐高度15 m，直徑31.6 m。

1.2.3 技術方案比選

由于太陽光照小時數的限制和連續24 h供汽的需求，本章節對槽式光熱太陽能聚光集熱系統的儲能能力（儲熱小時數），結合前期投資造價，分析不同配置方案的可行性與經濟性，不同方案計算結果見表2。

表2 在不同儲熱小時數的前提下方案計算結果

方案一，采用槽式太陽能光熱供蒸汽配置16 h儲熱，能夠保證連續供蒸汽不受太陽能資源（晝夜交替、多云陰雨天氣等情況）的影響，在夜晚或輻射量較低時，可以實現24 h連續出力。根據模型計算太陽能倍數為4，年利用小時數為4 753 h，初投資約10.58億元，每噸蒸汽成本（25年）約為89元，投資靜態回收期約為9.87a。

方案二，采用槽式太陽能光熱供蒸汽配置8 h儲熱，在較高輻射量的條件下，保證削峰輻射能量浪費降到最低，充分利用太陽能資源。根據模型計算太陽能倍數為2.2，年利用小時數為2 600 h，初投資約5.61億元，蒸汽成本（25年）約為86元/t，投資靜態回收期約為10.14a。

方案三，采用槽式太陽能光熱供蒸汽不帶儲熱，由于太陽資源的晝夜交替影響，槽式太陽能光熱系統僅白天運行，充分利用白天太陽輻射量，可以大幅降低初期投資，此方案需要和其他能源供蒸汽系統耦合運行，對新增容量供蒸汽應用場景有一定的實用性和經濟性。根據模型計算太陽能倍數為2.2，年利用小時數為1 511 h，初投資約2.66億元，蒸汽成本（25年）約為70元/t，投資靜態回收期約為8.82a。

2 結論與展望

1）站址設計點DNI值是太陽能光熱項目工程設計的首要參數。太陽能光熱的蒸汽產出量不確定性與太陽能資源不連續性、不確定性密切相關，客觀有效評估站址太陽能資源顯得尤其重要，任何一種資源評估方法都有一定的缺陷和不足，在工程設計過程中，需加強理論聯系實際，結合實測數據來評估太陽能資源，為系統設計提供設計依據。

2）聚光集熱隨著鏡場面積增大，集熱場總的吸熱量也會增加，系統蒸汽產出量也就越大，但是工程所需的蒸汽量是一定的，蒸汽量不可能隨著鏡場面積增大而無限增加。項目總投資也會隨著鏡場增大而增加，因此工程設計中鏡場面積選取需綜合考慮噸蒸汽成本和項目投資回收期。

3）在太陽能光熱工程設計過程中，儲熱小時數影響整個項目的能源利用效率和供能安全，儲熱系統將白天多余的熱量通過儲熱介質儲存起來，在太陽低輻射量和夜間時運行對外供蒸汽，可以實現24 h連續運行。如果儲熱小時數過大，則太陽能倍數增大，鏡場面積和項目占地相應增大，項目初投資也會增加，并且在較高輻射量的條件下，太陽能尖峰輻射不能被全部吸收利用；如果儲熱小時數過小，鏡場吸熱量不足以保證夜間或陰雨天氣正常的蒸汽需求，可能影響項目的正常運行。這需要工程師在項目設計時，要充分考慮太陽能資源與項目實際需求和原有能源供應的適應性，選擇最適合的儲能小時數。