槽式太阳能热发电系统数值模拟研究

李博，苑晔

(1.电力规划设计总院，北京 100120； 2西北电力设计院有限公司，西安 710075)

0 引言

太阳能热发电技术是利用太阳光聚集能量，通过换热装置提供的蒸汽来驱动汽轮机组做功发电[1-3]的技术，具有可储能、可调峰、可连续稳定发电、可集中规模化利用清洁能源的优点。与常规火电不同，太阳能热发电系统的经济配置受太阳能资源、聚光集热场规模、储热容量的影响较大，其中集热场投资可占系统投资50%以上。因此，合理优化太阳能热发电系统对节约投资和运行成本至关重要。一般来说，在开展太阳能光热项目前期阶段需借助电站仿真软件对聚光集热场规模、储热时间进行优化，得到发电量、成本电价等系统经济性数据的初步估计值，为项目提出初步可行性方案。

国内一些学者采用自主开发的计算程序对太阳能热发电系统进行了数值模拟[4-5]，主要是针对发电量的计算及技术经济指标的优化，但目前更多的还是采用免费的商业化软件进行电站的优化工作[1,6]。可用于对太阳能热发电系统进行技术经济性评估的免费商业化软件主要有美国可再生能源实验室(NREL)开发的系统顾问模型(SAM)软件以及德国宇航局(DRL)开发的Greenius软件。已公开发表的资料中多使用SAM软件进行太阳能热发电站的经济性配置研究，而对Greenius软件，目前尚未见到公开发表的研究。我国目前正在积极发展光热发电产业，对电站仿真软件的深入研究有利于为光热发电项目的开展提供更加可靠的依据。

鉴于以上考虑，本文利用SAM和Greenius两种电站仿真软件，选取我国西部适宜进行光热电站开发的地区，对50 MW典型配置的槽式太阳能热发电系统[7]进行数值模拟，重点考察月发电量、年发电量、年利用小时数、光电效率等关键经济性数据，探讨两个软件对槽式太阳能热发电系统模拟结果的差异，为光热发电系统的优化提供参考。

1 数值模拟研究条件

本文选取我国西部地区适合建设光热电站的两个地区，分别采用SAM和Greenius软件对典型配置的50 MW槽式太阳能热发电系统进行数值模拟，所模拟的太阳能热发电系统的配置见表1。集热场采用Euro Trough ET150型聚光集热器，每个集热器回路包含4个集热器组合(SCA)，每个SCA长150 m，开口反射面积为817.5 m2，集热器回路的总采光面积可达3 270 m2。采用Schott PTR70 2008型集热管，集热管外径为70 mm，吸收率为96%。传热介质采用导热油，集热场回路入口油温为293 ℃，出口油温为393 ℃。储热介质采用熔盐(w(NaNO3)=60%，w(KNO3)=40%)，空冷汽轮机主蒸汽压力为10 MPa，主蒸汽温度为383 ℃，这里忽略了管路的沿程温降，汽轮机设计效率为37.8%。

表1 50MW槽式太阳能热发电系统配置

太阳辐射量具有随机性，根据各年的太阳辐射量数据来计算相关的工程设计参数，其结果会有很大的误差。根据多年的气象数据得出具有代表性的太阳辐射数据，建立工程代表年，以充分反映长期的太阳辐射变化规律。工程代表年通过整理多年光资源数据，得到具有典型代表性的光资源数据，并以此为依据对太阳能光热电站进行设计。根据气象资料，A地区的设计年用太阳法向直接辐射(DNI)值为1 847.9 (kW·h)/m2，B地区的设计年用DNI值为1 877.9 (kW·h)/m2。软件中两个地区的设计点DNI值均为900 W/m2。

图1 成本电价随储热时长的变化曲线

图2 192回路下成本电价随储热时长变化曲线的SAM和Greenius计算对比

2 不同镜场规模的储热时长优化分析

首先采用SAM软件对A，B地区的镜场规模和储热时长进行优化。优化计算的前提是电网调度不受限制，汽轮发电机组能满负荷发电则满负荷发电。图1为128，156，186，192回路数下，A，B地区的成本电价随储热时长的变化曲线。从图1可以发现，两个地区在不同镜场规模条件下的储热时长优化分析曲线变化趋势一致。在特定镜场规模条件下，成本电价随储热时间的增加，呈现先降低后升高的趋势，存在一个最优储热时间，使得成本电价最低。当储热时长较小时，提高镜场规模会增加成本电价，是不经济的，但当储热时长增加时，提高镜场规模会降低成本电价，使得电站运行更加经济。

从图1不难看出，192回路时系统技术经济性最优，A，B地区的最优成本电价分别为1.020，1.025 元/(kW·h)，对应的储热时间均为9 h。这里需要指出，由于目前国内尚没有已经投运的商业化太阳能热发电站，本文只对各系统设备的成本进行初步核算和估计。

3 SAM计算和Greenius计算对比分析

为了清楚地表示出SAM和Greenius计算结果的差异，图2给出了192回路条件下，成本电价随储热时长变化曲线的SAM和Greenius计算对比。从图2可以发现， A，B地区的SAM和Greenius计算结果相似，成本电价变化趋势类似，均呈现先降低后增加的趋势，两个软件的计算结果均显示最优储热时长为9 h。Greenius计算的A，B地区的成本电价分别为1.044，1.023 元/(kW·h)，与SAM计算得到的1.020，1.025 元/(kW·h)相比，差异在3%以内，这说明SAM和Greenius的经济性评价模型计算结果基本一致。

下面以镜场规模为192回路为例，考察不同地区、不同储热时长工况下，两个软件的月发电量计算差异。图3所示为192回路下，储热时长分别为9，10，11 h的A地区月发电量计算结果。两种计算方法的计算结果均表明5月的发电量最高；SAM计算得到的1～5月的月发电量明显低于Greenius的计算结果，SAM计算得到的6，7月的月发电量高于Greenius的计算结果，其他月份两个软件的计算结果基本一致。总体来说，两个软件的月度发电量计算结果差异并不明显。

图3 192回路下A地区月发电量

图4 192回路下B地区月发电量

储热时长/hSAM计算结果年发电量/(MW·h)年利用小时/h光电效率/% Greenius计算结果年发电量/(MW·h)年利用小时/h光电效率/%9165758331514.29 168832337614.5610169189338414.50 171755343514.8011172145344314.84 174220348415.02

表3 B地区电厂经济性指标参数计算结果对比

图4所示为192回路下，储热时长分别为9，10，11 h的 B地区月发电量计算结果。两种计算方法的计算结果均表明5月的发电量明显高于其他月份；SAM计算得到的3月发电量明显高于Greenius的计算结果，两个软件计算得到的2月的发电量基本一致，除了这两个月份以外，其他月份，SAM的计算结果明显低于Greenius的计算结果。此外，通过对比图3和图4发现，由于B地区的资源优于A地区，因此B地区5—9月的月度发电量明显高于A地区该时间段的月度发电量。

表2、表3给出了A，B地区电厂经济性指标参数的计算结果。从表3可以发现，在考察的3种储热时长工况下，SAM计算的A地区年发电量、年利用小时数及光电效率均低于Greenius的计算结果。在储热时长为9，10，11 h的工况下，年发电量差异为1.8%，1.5%和1.2%。从表4可以发现，在考察的3种储热时长工况下，SAM计算得到的B地区年发电量、年利用小时数及光电效率也低于Greenius的计算结果。在储热时长为9，10，11 h的工况下，年发电量差异为2.7%，2.6%，2.3%，差异随着储热时长的增加而减小。这说明在不同的地区以及不同储热时长工况下，SAM计算得到的技术经济性指标均低于Greenius计算得到的结果。

接下来，以A地区9 h储热工况为例进行进一步分析可能造成年发电量计算结果差异的原因。SAM计算得到的集热场输出用于做功发电的能量为450 725 MW·h，而Greenius计算得到的这一数据为478 610 MW·h，两者相差5.8%。本文采用了成熟的商业化集热器和集热管，两个软件对跟踪精度、吸收效率、余弦损失、端部损失等参数设定是一致的，且导热油的回路进、出口温度也设定一致，但导热油在回路中的流量流速、集热管散热损失等参数在两个软件中的设定均有差异，这有可能导致散热量计算的差异，从而导致镜场输出热量存在差异。

镜场输出用于做功发电的能量包含两部分，一部分直接进入汽轮机做功发电，另一部分则进入储热系统准备发电用。Greenius计算得到的储热系统储放热量为4 340 MW·h，SAM计算得到的该数值为4 250 MW·h，差异较小。通常情况下，储热系统的效率均设定为99%，因此可以判定储热系统的热损失不会是发电量计算差异的来源。在汽轮机模块方面，Greenius的输入参数需写入特定的输入文件中，计算矩阵需要根据具体的机组参数、换热介质的进出口温度、额定背压等信息输入，因此，不同的机组可能会产生的不同的计算矩阵，且机组循环效率随负荷变化，也就是说不同负荷工况的循环效率不同。而SAM的汽轮机模块设定为具有一次再热的朗肯蒸汽循环系统，其循环效率与换热流体的流速、温度及背压条件都有关系。在SAM界面中，输入以上信息的额定值，系统会自动匹配最优的汽轮机系统和空冷或湿冷系统，进行非设计工况下的计算。

因此，根据以上分析可以发现，Greenius和SAM在技术经济指标计算方面的差异主要来源于聚光集热场热量输出计算以及汽轮机模块。

4 结论

本文利用SAM和Greenius两种电站仿真软件，选取我国西部适宜进行光热电站开发的地区，对50 MW典型配置的槽式导热油太阳能热发电系统进行了数值模拟，重点考察了发电量、年利用小时数、光电效率等关键经济性数据，探讨两个软件对槽式太阳能热发电系统进行模拟时的差异。

在192回路的储热时长优化计算中，SAM和Greenius软件的计算结果相似，最优储热时长的计算结果一致。在相同工况下，两个软件计算得到的月发电量差异并不明显。SAM计算得到的年发电量、年利用小时数和光电效率的结果低于Greenius的计算结果。分析发现，这种差异可能来源于镜场热量输出计算以及汽轮机模块。由于目前我国尚未有建成的商业化太阳能热发电机组，未来仍需要用实际运行数据对两个软件的相关模型进行验证。