槽型抛物面太阳能热发电系统在国内典型地区的仿真分析与对比研究

曲 航,赵 军,邵周亭

(1.鲁东大学应用技术学院,烟台 264025;2.天津大学机械工程学院,天津 300072;3.光汇石油海运集团股份有限公司,深圳 518119)

0 引 言

槽型抛物面太阳能热发电 (Parabolic Trough Solar Power,PTSP)技术可以实现太阳能-热能-电能的转化,其技术可靠性和大规模化商业化前景已由美国加利福尼亚洲 Mojave Desert,自1985年～1991年间陆续兴建的9座总装机容量354 MW的PTSP电站所证明[1]。以及PTSP相关技术的进步带来的建设和运营成本的下降使得PTSP日益成为国际上的热点。

槽型抛物面太阳能电站对于选址有一定的要求,包括太阳能资源、土地面积、土地利用情况、坡度,以及包括电网、天然气管线、铁路和公路在内的基础设施等。我国新疆、西藏和内蒙古地区由于兼备充足的直射太阳辐射和面积广大的未利用土地,满足PTSP电站的选址要求,具有建设太阳能电站的潜力[3～4]。在这3个地区中,内蒙古自治区在电网设施方面具有优势,可通过华北和东北电网实现与其它区域之间的互联,利于将来将太阳能转化而成的电力外送。本文以内蒙古奈曼地区为背景,用TRNSYS软件对槽型抛物面太阳能电站进行了系统仿真,分析了该系统在当地气象条件下的适用性,研究了直射辐射强度 (Direct Normal Insolation,DNI)对电站运行性能的影响。为比较国内不同气象条件对系统的影响,选择了西藏拉萨地区对同样的电站系统进行了仿真分析。

1 槽型抛物面太阳能热发电仿真系统的建立

槽型抛物面太阳能热发电系统的单位发电成本随着电站规模的扩大而降低,因此,本文中系统仿真的对象选择为35 MW的槽型抛物面太阳能电站,系统的建立遵循朗肯循环的原理,其系统流程图见图1[4]。

图1 槽型抛物面式太阳能电站系统图Fig.1 Schematic of the parabolic trough solar power station

槽型抛物面太阳能电站有别于传统火力发电厂的核心部分是聚光集热子系统,它由槽型抛物面集热器阵列组成,阵列中的单元是LS-2代集热器[4]。

除了聚光集热器阵列之外,电站系统中的其它部件都属于发电子系统。蒸汽器由单相的省煤器、蒸发器和过热器组成;预热器和过冷器两个模块一起共同组成给水加热器。在给水加热器中,由汽轮机抽出的蒸汽在给水流入省煤器前对其进行预热;除氧器用来除去给水中的氧气。此外,其它主要部件还有冷凝器和冷却塔。此仿真电站系统的汽轮机具有抽汽部分,抽出的蒸汽除了引入给水加热器之外,还被引入除氧器进行加热脱氧。

在进行系统仿真时,集热器阵列的出口温度设定为390℃,在额定发电功率时对应的直射太阳辐射通量为850 W/m2。

2 研究区概况

奈曼旗位于内蒙古自治区通辽市西南部。地理位置位于 120°19′～ 121°35′E,42°14′～ 43°32′N之间,全境东西宽68 km,南北长140 km,土地总面积8 137.5 km2(约1 220万亩)。全旗土地沙漠化严重,流动半流动沙漠化面积达5 110.4 km2,占土地总面积的62.8%[5～6]。

奈曼旗气候属于北温带大陆性季风干旱气候。年平均日照时数为2 940～2 955 h左右,年平均气温5.0～6.5℃,全年的平均直射太阳辐射(DNI)量为196.2W/m2(1718.7 kW◦h/(m2◦a))[7]。冬季多西北风,春季多西南风,年平均风速3.6～4.1 m/s。

3 系统仿真结果及其分析

根据所建立的35 MW槽型抛物面太阳能电站仿真系统,采用Meteonorm和Energy Plus气象数据[7～8],对奈曼旗地区的电站运行情况进行了模拟。本文还选择了国内直射辐射资源居于前列的西藏拉萨地区 (年均DNI值271.3 W/m2,即2 376.6 kW◦h/(m2◦a))就同样的系统进行了模拟。

图2 奈曼电站夏季的模拟运行结果Fig.2 Simulation result of Naiman power station in summer

图3 奈曼电站冬季的模拟运行结果Fig.3 Simulateion result of Naiman power station in winter

图2和图3则为内蒙古奈曼电站在夏季的7月10日和冬季的1月5日的运行模拟结果,而图4、图5分别为拉萨电站在夏季的6月8日和冬季的12月21日的运行模拟结果,其中涵盖了较为晴朗的天气和多云天气 (图2、图4)。从图中可以看出,直射辐射强度的变化对于槽型抛物面太阳能电站的运行性能有着较大的影响;另一方面,冬夏两季的电站运行特性有着较大的差异。在夏季,电站的产热量和发电量与DNI的走势较为吻合,在冬季则不然,这是由于太阳光线入射角在冬季和夏季的不同变化特性所决定的。因此,笔者引入了入射直射辐射强度 (Incident Direct Radiation,IDR)这一概念[9],从图中可以看出,相对而言,IDR更好地反映了PTSP电站的运行性能,这一点在冬季更为明显。相对于目前国际上通行的聚焦式太阳能电站太阳能资源评估标准— —DNI来说,入射直射辐射强度— —IDR与电站发电量的关系更为明显。

图4 拉萨电站夏季的模拟运行结果Fig.4 Simulation result of Lhasa power station in summer

图5 拉萨电站冬季的模拟运行结果Fig.5 Simulation result of Lhasa power station in winter

进一步选择全年这一较长的时间跨度进行研究,作为电站选址分析中评估系统性能的重要参数之一,分别计算出仿真系统在奈曼和拉萨两地的模拟年发电量 分别为37 271.10 MW◦h和66 541.08 MW◦h,两者相差78.5%。

除了直射辐射强度之外,环境温度和风速等气象参数也是影响槽型抛物面太阳能热发电系统性能的因素。表1列出了奈曼以及拉萨两地的DNI,IDR以及其余气象参数的年度值[7,8],结合前面的分析可以得出,从全年的角度来看,环境温度和风速对于电站的全年发电量的影响相对较小。

表1 奈曼和拉萨两地的气象数据Tab.1 年度值

为了进一步评估各气象参数对于槽型抛物面电站运行性能的影响,模拟计算了奈曼和拉萨两地电站仿真系统的逐月发电量,见图6和图7。从图中可以看出,拉萨和奈曼旗两地仿真电站的逐月发电量大致随着IDR平均值的增减而变化,但是在个别月份出现例外,如拉萨电站在8,9月份的发电量和奈曼旗电站在4,5月的发电量。

图6 奈曼电站的逐月发电量Fig.6 Monthly output of Naiman power station

图7 拉萨电站的逐月发电量Fig.7 Monthly output of Lhasa power station

个别月份的IDR平均值和电站发电量的不一致变化可以从两地的月度环境温度和风速的变化规律得到解释,见图8及图9。拉萨8,9月的IDR平均值分别为244.8 W/m2和251.3 W/m2,而电站发电量在9月的仿真结果为6 143.30 MW◦h,低于8月的发电量6 262.24 MW◦h。这是由于在月均风速不变的情况下,当地月均环境温度由8月的11.2℃降低到9月的9.4℃;奈曼电站5月的发电量为5 795.24 MW◦h,比4月的5 639.92 MW◦h有所升高,而IDR平均值则从4月的255.4 W/m2降低到5月的233.7 W/m2,这是由于5月的月均风速从4月的5.0 m/s降低到4.6 m/s,而环境温度则从7.3℃升高到15.1℃。

图8 奈曼的月度环境温度和风速Fig.8 Monthly ambient temperature and wind speed in Naiman

图9 拉萨的月度环境温度和风速Fig.9 Monthly ambient temperature and wind speed in Lhasa

拉萨和奈曼旗两地电站全年发电量的差别显然是由于不同的IDR年平均值的缘故;从发电量的逐月分布来看,由于IDR平均值以及其它气象参数的综合影响,拉萨和奈曼旗两处电站在冬季的发电量差别要大于夏季,这一点在进行选址评估考虑电网负荷变化时显得尤为重要。

4 结 论

本文应用STEC部件库在 TRNSYS环境下建立了35 MW槽型抛物面太阳能电站的仿真模型,对其在内蒙古奈曼地区气象条件下的运行性能进行了模拟分析。结果表明,电站的全年发电量可达37 271.10 MW◦h。

本文还针对同样系统在奈曼和西藏拉萨两地进行的模拟运行性能进行了对比分析。结果表明,拉萨电站的年发电量明显较高。因此,在电站选址时应该对各要素进行综合考虑。

为了较为准确地评估当地太阳能资源对于太阳能电站运行性能的影响,本文提出了入射直射辐射强度IDR这一概念,并通过系统仿真得出其比目前国际上通行的直射辐射强度DNI更加适宜作为聚焦式太阳能电站的太阳能资源评估指标。

[1]E.Zarza,H.Price,E.Lupfert,et al.Advances in Parabolic Trough Solar Power Technology[J].Journal of Solar Energy Engineering 2002,124:109-125.

[2]http://www.nevadasolarone.net/the-plant.

[3]Qu Hang,Zhao Jun,Yu Xiao,et al.Prospect of Concentrating Solar Power in China-the Sustainable Future[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008 12(9):2498-2507.

[4]QU Hang,ZHAO Jun,YU Xiao.Simulation of parabolic trough solar power generating system for typical Chinese sites.Proceedings of the CSEE:2008,28(11):87-93.

[5]常学礼,李胜功,赵学勇.奈曼旗沙漠化地区农业生态系统能流效益特征分析[J].中国沙漠,1992,6(3):85-91.

[6]www.naimanqi.gov.cn

[7]Meteotest.MeteonormHandbook[R/OL].Bern,Switzerland.Oct,2007.

[8]U.S.Dept.of Energy.Energy Plus Handbook[R/OL].Washington DC,the United States of America,Oct 2007.

[9]曲航,槽型抛物面太阳能热发电系统选址分析及集热管传热的研究[D],天津:天津大学博士学位论文,2008.