塔式太阳能热发电系统设计软件的开发

浙江中控太阳能技术有限公司 ■ 李建华 易富兴 张旭中 李晓波 李其衡 宓霄凌 胡中

0 引言

近十年来，太阳能热发电产业发展步伐迅速，在全球范围内已经掀起了投资和建设热潮。而塔式太阳能热发电技术作为理想的大规模发电方式，其应用前景十分广阔[1]。在太阳能热发电系统中，镜场布置设计、拟选站址光资源情况、储热系统参数配置及经济环境参数均会影响系统的运行结果和经济效益，因此，利用计算机仿真系统对太阳能热发电项目进行方案设计与经济性评估，能够有效地提高设计质量和效率，对项目的前期开发具有重要意义[2]。

随着太阳能热发电产业的发展，太阳能热发电系统设计软件在大型并网太阳能热发电系统设计中的应用越来越多。太阳能热发电系统设计软件在一些发达国家开发的较早，如System Advisor Model软件(下文简称“SAM软件”)，是由美国Sandia实验室、NREL和美国能源部联合开发的，针对几种可再生能源发电技术的特性成本进行测算的国际权威软件，其通过导入所需测算地点的天气参数、系统类型、系统规模、系统盈利模式及系统投资，即可得到整个发电系统的均化发电成本，对各类可再生能源形式的技术经济性评估起到了非常重要的作用。然而该软件的内置性能与经济模型是基于国外本土特性进行搭建的，与我国实际情况有一定程度的差别，导致其在我国应用时的仿真结果不够准确。当前缺乏符合我国国情的塔式太阳能热发电系统设计软件，亟需开发针对该发电系统进行全面设计与分析的工具。

基于此，本文以太阳能热发电系统相关理论知识和实践经验为基础，开发了基于Windows平台的塔式太阳能热发电系统设计软件Solar Project Designer 1000(下文简称“SPD1000软件”)，用于提供完整的系统设计优化方案和数据分析。软件使用Visual Studio 2010开发环境，采用C++/Fortran语言开发，系统运行于Windows平台。通过与SAM软件的仿真结果进行对比分析，验证了SPD1000软件的可靠性。

1 塔式太阳能热发电系统建模

塔式太阳能热发电系统主要由镜场、吸热系统、储热系统、换热系统及汽轮机发电系统组成，具体设备如图1所示。太阳光通过镜场中成千上万的定日镜被反射至位于中央高塔上的吸热器，加热吸热器内流通着的熔盐等吸热工质，被加热后的高温熔盐储存于储热系统的高温熔盐罐中，在需要用电时抽取高温熔盐罐中的高温熔盐与水进行换热，产生高温高压的过热蒸汽驱动汽轮机发电，冷却下来的熔盐回到储热系统的低温熔盐罐中。

图1 塔式太阳能热发电系统示意图

为了模拟实际的塔式太阳能热发电系统，SPD1000软件分别搭建了镜场设计、吸热系统设计、储热系统设计、换热系统设计4个主要模型，并支持用户自定义汽轮机发电系统选型。

1.1 镜场设计模型

SPD1000软件的镜场布置方法主要有麦田型布置和圆形交错布置2种，如图2、图3所示。2种布置方法的主要特点为：由于遮挡损失较大，麦田型布置适合于小规模、方形地块的电站；圆形交错布置适合于大规模、圆形或方形地块的电站。用户可根据地形及实际需要选择合适的布置方法。

图2 麦田型布置镜场

图3 圆形交错布置镜场

根据用户输入的项目站址的地理参数、气象参数、光资源、定日镜规格参数等信息，分析设计点的定日镜光学损失，计算初始镜场中每面定日镜的可投射能量，在满足吸热器额定热功率Pr,des及吸热器能流密度的要求下，以镜场光学效率最优为目标，通过对比不同预选范围内的镜场光学效率，从而设计出最优的镜场方案。

吸热器额定热功率Pr,des可表示为：

式中，Af为预选定日镜的总反射面积，m2；ηf,des为预选定日镜的平均光学效率，包括大气透射率(1-太阳传输损失)、阴影遮挡效率、余弦效率、吸热器截断效率(采用蒙特卡罗光线追迹法计算得到)、镜面清洁度、镜面反射率；ηr,des为吸热器额定效率；IDNI,des为设计点的DNI值，W/m2。

另外，SPD1000软件还可支持任意不规则地形的镜场设计。不规则地形的镜场设计是以“定日镜布满用地范围”为原则(若需要留出其他用处，则需要事先处理)，找到合适的吸热塔位置，以满足吸热器能流密度的要求。

在得到满足吸热器额定热功率要求的最优镜场后，根据全年每个时刻点的DNI值IDNI和镜场光学效率ηf，可计算得到镜场投射到吸热器上的能量值Pf，即：

1.2 吸热系统设计模型

在塔式太阳能热发电系统中，吸热系统模型主要是对吸热塔顶端的吸热器进行建模。通过输入环境参数、吸热器涂层及熔盐特性参数，吸热系统模型可实现吸热器几何结构参数的设计，包括吸热器直径、吸热器高度及吸热器面板个数等。在全年仿真过程中，通过计算吸热器各个时刻的散热损失Pr,loss，可得到吸热器对应的实际输出热功率Pr，即介质吸收的热量。

Pr的计算公式为：

式中，Pr,loss为吸热器散热损失，包括对流换热损失Pr,对流loss和辐射损失Pr,辐射loss。

Pr,loss的计算公式为：

式中，h为对流换热系数；Ar,i为吸热器面积微元；tr,i为吸热器面积微元的壁面温度；te为环境温度；0.95为发射率；5.67×e-8为玻尔兹曼常数。

吸热器效率ηr的公式为：

1.3 储热系统设计模型

储热系统模型可根据输入的装机容量Pt、储热时间Ttes、汽轮机额定效率ηt、高低温熔盐的焓差ΔH、储热系统的效率ηsc，实现对系统储热总量Etes、所需熔盐量Msalt的估算。

系统储热总量Etes的公式为：

所需熔盐量Msalt的公式为：

综合考虑电站站址所处位置的地震等环境情况与相关设计标准，完成储罐本体设计、设备重量计算及储罐基础设计。

1.4 换热系统设计模型

换热系统模型主要包括物料能量衡算、预热器设计、蒸发器设计、过热器设计和再热器设计等。

具体模型为：过热器和再热器采用并联方式，高温熔盐一部分通往过热器，另一部分通往再热器；然后从过热器和再热器出来的熔盐汇合，通往蒸发器；蒸发器熔盐出口连接预热器，预热器熔盐出口连接低温熔盐罐；水经过预热器通往蒸发器，蒸发器蒸汽出口连接过热器蒸汽入口，过热器蒸汽出口连接汽轮机主蒸汽入口；再热器用于汽轮机高压缸排汽再热，以提高系统效率。

1.5 用户自定义汽轮机发电系统

用户可根据需要，从软件中选取已配置好的汽轮机参数，或用户自定义汽轮机参数。汽轮机参数包括主蒸汽温度、压力、流量，再热蒸汽温度、压力、流量，排气背压，抽汽级数及抽汽参数，汽轮机额定效率等。汽轮机发电系统模型用于模拟热能转化为电能的过程，实现总发电功率的计算。

2 总体框架与功能设计

SPD1000软件采用C++语言，在Visual Studio 2010环境下进行开发，主要用于实现塔式太阳能热发电系统的设计优化、技术性能指标仿真及经济性能分析等功能。

2.1 总体框架设计

本软件主体流程包括相关设计参数的设定(包括装机容量、吸热系统参数、设计点参数、镜场设计参数、储热系统参数、厂用电参数、经济性参数和成本参数)、汽轮机设计仿真、换热系统设计仿真、吸热系统设计仿真、环境设计仿真、储热系统设计仿真、发电量计算(包括厂用电的计算)、经济性分析等模块，最终输出的报告有方案设计报告(包括镜场方案、吸热系统方案、换热系统方案、储热系统方案)、发电量数据(包括相关曲线)、电站经济性分析报告。SPD1000软件主要的实现流程和数据传递如图4所示。

SPD1000软件可实现塔式太阳能热发电系统的总体系统设计和子系统独立设计。在总体系统设计中，子系统之间数据相互传递，能够保证子系统参数的匹配，从而实现系统的整体设计与优化。

图4 SPD1000软件系统设计流程图

2.2 功能设计

结合实际项目情况，为了满足各类终端用户的需求，软件有5类主要项目模式：总体方案设计、太阳岛设计、热力岛设计、光资源分析及经济性分析。各项目模式的结构功能如图5所示。

图5 SPD1000软件中的5类主要项目模式及其功能

由图5可以看出，软件中的5类主要项目模式的功能可以概括为2大类：方案设计和数据分析。

1)方案设计不仅支持用户直接输入完整设计参数进行电站系统或子系统的仿真分析，而且提供塔式太阳能热发电系统各子系统关键参数的优化，例如镜场布置参数、吸热塔高度、储热时间、太阳倍数等。

2)数据分析涵盖了光资源、发电量及系统整体经济性等各类数据计算与分析，为使用户可以方便直观地了解分析结果，软件提供了数值、图表、报告等多种方式。

2.3 软件深化功能

2.3.1 基于工程需求的镜场设计功能

同类镜场设计软件所设计镜场的外围轮廓一般都是具有一定规则的外形，如圆形、椭圆形、扇形、方形；区别于其他同类镜场设计软件，SPD1000软件可根据实际工程的需要，在项目用地不规则、范围有限且坡度较大时对镜场进行设计。为了保证所设计镜场可以满足实际工程的应用条件，SPD1000软件可根据场地坡度、场地边界及用户需求，合理布置镜场内各类通道需求、热力岛区域等；在用地受限的情况下，用户能够根据项目需求选择最优镜场效率或最大集热量2种方式进行不规则地形的定日镜场设计。

2.3.2 更适应我国经济环境的分析功能

软件仿真的准确性主要取决于发电量计算和经济性分析。SPD1000软件除了提供针对塔式太阳能热发电系统专业详细的设计功能外，还可以根据我国不同地区的经济环境设计对应的分析模型，用户可以通过项目总投资、内部收益率、建设周期、标准电价，以及当地政府补贴、税收政策等参数进行配置。

根据用户设定的经济性参数，SPD1000软件对仿真结果进行分析和整理，生成适合我国经济环境的报表，供用户直接查看相关数据或者导出使用。图6为SPD1000软件生成的软件财务指标汇总表的显示界面。

2.3.3 完善的项目管理功能

SPD1000软件提供统一的项目管理功能，可以根据用户需求对项目进行描述，便于快捷搜索和查看项目的基本信息。项目管理支持5类项目的新建、重命名和删除等功能。

图6 SPD1000软件生成的软件财务指标汇总表的显示界面

2.3.4 软件适用性

目前已有的电站系统仿真软件存在搭建系统过程繁琐复杂、电站关键设计参数不明确，以及仿真结果显示不直观等问题，在一定程度上限制了软件使用的终端用户。而SPD1000软件能够从技术和经济角度，为能源顾问、专业技术人员、电站投资方等各类终端用户提供不同的评估分析结果，并且人机交互界面友好。

1)能源顾问：在项目初期研究阶段，SPD1000软件可提供项目总体设计、光资源分析、电站经济性分析，为项目前期技术经济的可行性作较完整的评估。

2)专业技术人员：SPD1000软件可为其提供太阳岛设计、热力岛设计、光资源分析、电站经济性分析等子系统功能的单独设计和优化，可实现吸热塔高度、定日镜布置、吸热器尺寸、储热时间、太阳倍数等参数的详细优化设计。

3)电站投资方：SPD1000软件可为其提供详细的发电量分析报告、发电量曲线、储热容量曲线，以及电站经济性分析报告等作为投资参考依据。

3 实例分析

3.1 镜场仿真设计实例

利用SPD1000软件对建立在青海省德令哈地区的塔式太阳能熔盐热发电系统进行设计与发电量的仿真计算。该塔式太阳能熔盐热发电系统的装机容量为50 MW，主要配置参数如表1所示。

表1 主要仿真参数配置

综合考虑定日镜镜场光学效率、吸热器能流密度分布要求，SPD1000软件设计输出的定日镜镜场布置如图7所示。

图7 SPD1000软件设计的镜场布局图

而SAM软件在镜场设计中，仅以全年定日镜可投射能量为标准进行定日镜选择。而在实际项目中，还需要考虑吸热器能流密度的要求，即南北的能量有一定的比例要求，以避免一侧吸热器的能量过多，而另一侧过少，如图8所示[4]。

对比图7和图8可以看出，SPD1000软件的镜场设计方案既考虑了吸热器的能流密度要求，又保证了最优化的镜场布置，从而可获得更高的镜场光学效率。因此，SPD1000软件更符合实际项目的应用需求。

图8 SAM软件设计的镜场布局图

3.2 SPD1000软件与SAM软件的系统性能参数对比

为了保证SPD1000软件和SAM软件的镜场光学效率和发电量仿真结果对比的准确性，本小节采用图7中SPD1000软件设计的镜场进行仿真。

SAM软件基于国外某电站的运行数据，验证了其在塔式熔盐太阳能热发电站仿真方面的可靠性[3]。通过对比SPD1000软件与SAM软件的仿真结果，能够验证SPD1000软件在塔式太阳能热发电系统仿真结果的准确可靠性。由于2款软件经济性模型是分别基于2个国家的经济环境情况建立的，存在明显的差异，因此，本节仅对发电系统的技术性能参数进行对比，主要包括系统各个阶段的能量仿真数据。

SPD1000软件和SAM软件按照图7所示镜场仿真出的系统效率及各阶段能量数据，具体如表2所示。其中，镜场光学效率包括定日镜清洁度、镜面反射率、余弦效率、大气透过率、阴影遮挡效率。由于SAM软件的定日镜对准点简单地为吸热器面板的中心位置，而SPD1000软件是根据吸热器表面最大能流密度上限设计优化定日镜反射光斑目标点，在截断效率计算方面存在较大差异，因此，表2中镜场光学效率暂不考虑吸热器截断效率分项。

图9为SPD1000软件和SAM软件的逐月发电量仿真结果，以及对应的月DNI总量变化曲线。

表2 2款软件各阶段能量数据对比

图9 2款软件月发电量情况

由表2和图9的仿真数据可以看出：

1)SPD1000软件计算的镜场光学效率、年均光热效率及年均热电效率与SAM软件结果基本一致，相对误差在0.5%以内。

2)2款软件计算出的镜场年可投射能量差别较大，这主要是由于SPD1000软件和SAM软件计算的吸热器截断效率分别考虑在镜场年可投射能量和熔盐吸热器年吸收总能量中，从而导致镜场年可投射能量差别明显。

3)2款软件计算出的月发电量变化趋势基本一致，数值上存在一定差别是由于2款软件中设定的运营策略不同及镜场光学效率计算差异，导致日发电量上有所偏差，从而导致月发电量存在少量偏差。比如5月和8月，SPD1000软件计算的发电量偏多一点；1月、2月、4月、7月、10月、11月和12月，SPD1000软件计算的又偏少一点；3月、6月和9月，2个软件计算的发电量又基本相同。

通过上述2款软件的仿真结果可以看出，2款软件在塔式太阳能热发电系统技术性能仿真方面的可靠性和准确度基本一致。

3.3 SPD1000软件应用特点

SPD1000软件不仅保证了仿真的准确可靠，相对于目前已有的仿真软件，其更加注重满足实际工程应用中的需求：

1)SPD1000软件可结合实际工程经验，设计出满足不同工程应用环境的镜场。例如在场地边界不规则时设计的镜场，如图10所示。

图10 SPD1000软件设计的不规则镜场布局图

2)SPD1000软件能够在保证电站各子系统相互匹配的条件下，实现关键参数的优化。例如，软件可根据用户输入的太阳倍数进行储热时间参数的优化。

3)SPD1000软件既能够满足专业技术人员自行配置系统参数的需求，也能够保证非专业技术人员利用系统优化功能完成相关配置。

4 结论

本文通过对浙江中控太阳能技术有限公司开发的SPD1000软件进行结构与功能的介绍，可以看出该软件能够实现塔式太阳能热发电系统的总体设计、分项子系统设计、数据分析等功能；其与SAM软件的对比验证表明了其技术性能及在仿真结果方面的准确可靠性。SPD1000软件提供的人机交互界面、直观高效的报表及基于我国经济环境建立的经济性分析模型，保障了终端用户(尤其是计划在我国投资项目的用户)使用的灵活性、便捷性和可靠性。