槽式太阳能光热供蒸汽系统工程设计关键技术探究

沈惠冲

上海电气工程设计有限公司

0 引言

太阳能是一种成本低廉、环保清洁、形式灵活的可再生能源形式。有学者认为利用太阳能是解决当前能源、资源和环境等问题的有效方法和途径，它不会消耗资源，也不会产生废气、废渣污染空气、土壤和水［1］，也有学者从太阳能能量转换的角度

根据聚光集热方式不同，太阳能光热分为线聚焦、面聚焦和点聚焦三种类型。其中线聚焦主要包括太阳能抛物面槽式和太阳能线性菲涅尔式，面聚焦主要包括太阳能塔式，点聚焦系统主要包括太阳能碟式。不同集热器类型示意图，如图3。认为它是绿色能源的绿色利用形式，并且太阳能资源是世界上分布最为广泛的可再生能源［2］。全球太阳能资源丰富的国家或地区主要集中在北非、非洲南部、北美西南部、南美西南部、西亚、中亚西北部以及澳大利亚西北部（如图1）。在国内，太阳能资源丰富的地区主要位于新疆东部、西藏、甘肃、青海、内蒙等地区（如图2）。

图1 全球太阳能直射辐射分布图

图2 中国太阳能直射辐射分布图

图3 不同集热器类型示意图

对比四种聚光集热类型，太阳能碟式聚光比最高（1 000～3 000），塔式次之（300～1 500），线聚焦系统的抛物槽式（70~80）和线性菲涅尔式（25~100）相对较低。四种类型常规的优缺点见表1。

表1 四种类型常规的优缺点

在太阳能光热利用中，聚光集热系统收集太阳辐射热量，通过聚光集热面汇聚到集热管上，集热管中的传热工质被加热，加热后的传热工质进入储能系统和蒸汽发生系统中工作。聚光集热系统的集热效率对于整个太阳能光热项目有着至关重要影响。一般来说，镜场集热面积和储热系统容量主要受工程造价、运维和财务成本及项目站址太阳能资源等因素影响。

本文以内蒙古自治区包头市郊某工业园区100 t/h光热蒸汽供热项目为例，以槽式太阳能光热项目全寿命周期整体经济性最优为目标，并通过建立系统模型计算，分析不同太阳能倍数及储热容量边界条件下每吨蒸汽成本，最终确定最优储热容量方案。

结合该工程分析槽式太阳能光热供蒸汽系统工程设计关键技术要点，重点讨论站址太阳能资源评估及设计点DNI、聚光集热镜场面积、储热小时数等因素对光热供蒸汽项目的影响。

1 工程设计关键技术要点

1.1 太阳能资源评估

规范［3］中要求，槽式太阳能光热设计首先需要分析项目站址所在区域的太阳能资源概况，并对该地区太阳能资源的丰富程度进行初步评价，同时分析该地区的地理条件和气候特征，为站址选择和工程技术方案初步确定提供参考依据。需要运用公共气象数据库或其他方法进行分析评估，特别是对于大型商业槽式太阳能光热项目建议结合现场观测数据分析，用于太阳能资源分析的现场观测数据应不少于一个完整年连续观测记录。中国电建西北勘测院陈键［4］等人基于气象统计学对光热项目太阳能资源进行研究，提出了一套太阳能资源的评估方法。本文采用对比分析的方法分析项目所在地太阳能资源和设计点DNI值，为项目站址和技术方案设计提供了适用可靠的设计条件。

内蒙古自治区地理位置在我国北部，其太阳能资源十分丰富，年日照时数在2 600～3 400 h之间，太阳能年总辐射量在1 342～1 948 kWh/㎡之间，内蒙古自治区是我国太阳能高辐射值地区之一，全区太阳能资源分布具有呈自东向西递增特点，见图4。

图4 内蒙古自治区总辐射分布图

根据公开气象数据，内蒙古自治区部分县市多年平均太阳辐射数据和日照时间如图5所示，其中，包头市年太阳总辐射量（GHI）为5 815.76 MJ/m2，位于区内中下游，平均日照时间位于区内中上游，具备建设光热供热供汽工程的条件。

由于项目前期实测DNI数据缺乏，选择临近区域参考点的实测数据代替。NREL光资源软件中，相近站点有包头达茂旗百灵庙，陕西榆林两处，日均DNI分别为4.94 kWh/m2，4.04 kWh/m2。

比较可知，达茂旗百灵庙地理位置、冬季日照百分率更接近，且直接辐射DNI数据、降水量等与场址更为接近。该工程选用百灵庙的直接辐射DNI数据计算集热量，按照NREL光资源软件中包头市达茂旗百灵庙数据作为计算依据。在充分利用光照资源的原则下，如图5，站址设计点DNI值取950 W/㎡。

图5 包头市达茂旗百灵庙DNI值数据图

1.2 方案设计及比选

1.2.1 方案设计

根据项目需求，该期工程储热容量为1 200 MWth，需要满足额定工况16 h连续出力。储热系统采用冷/热双罐方案，分别设置一组冷工质泵和一组热工质泵。槽式反射镜将阳光反射到集热管，集热管中的导热油（从冷储油罐泵出）被加热到300℃，流入热储油罐。热储油罐中的高温导热油进入蒸汽发生器将给水加热至饱和蒸汽，低温导热油流入冷储油罐。而高温蒸汽可提供给工业用户进行生产。蒸汽发生器设计1×100%容量，单台配置具有管道系统简单、阀门少、设备占地小、运行调节相对简单等特点。为应对停机检修及连续阴雨多云天气，该工程将传统热源作为储热供汽的调峰机组。

工艺系统设计流程图见图6，主要设备包括槽式反射镜（及其支架）、集热管、冷热储油罐、工质泵、蒸汽发生器（及预热器），给水泵等。

图6 槽式太阳能光热供蒸汽系统示意图

1.2.2 系统建模(SAM)

系统指导模型SAM(system advisor model)，它是一个主要应用于可再生能源行业的模拟与分析软件，目前被广泛运用于太阳能领域，该系统的抛物线聚光集热模型基于该软件建立。通过SAM平台建立的模型可以计算得到太阳能光热每小时的热力输出，并生成8 760 h全年逐小时的各项数据结果，可以通过设置不同的输入条件，对计算结果进行总体性能评估和优化。

SAM模型包括三个模块，分别对应三个步骤［5］：第一步设置输入条件；第二步对模型进行计算；第三步输出计算结果并汇总分析。项目性能计算取决于场址气象条件、光热项目整体配置、各子系统的配置情况（如太阳能集热场、储热系统、蒸汽生产系统等）等。

该工程采用抛物线槽式集热（IPH Trough）模型，基本参数设置见图7。

图7 抛物线槽式集热（IPH Trough）模型基本参数

其中，设计点DNI值取950 W/m2，太阳能倍数采用4倍，计算结果如下：

1）聚光集热系统：集热系统回路68个回路，镜场面积42.95万m2，总占地面积约92.27万m2，集热器反射面积为1 579 m2；

2）储热系统：导热油体积11 350 m3，导热油密度837.18 kg/m3，储罐高度15 m，直径31.6 m。

1.2.3 技术方案比选

由于太阳光照小时数的限制和连续24 h供汽的需求，本章节对槽式光热太阳能聚光集热系统的储能能力（储热小时数），结合前期投资造价，分析不同配置方案的可行性与经济性，不同方案计算结果见表2。

表2 在不同储热小时数的前提下方案计算结果

方案一，采用槽式太阳能光热供蒸汽配置16 h储热，能够保证连续供蒸汽不受太阳能资源（昼夜交替、多云阴雨天气等情况）的影响，在夜晚或辐射量较低时，可以实现24 h连续出力。根据模型计算太阳能倍数为4，年利用小时数为4 753 h，初投资约10.58亿元，每吨蒸汽成本（25年）约为89元，投资静态回收期约为9.87a。

方案二，采用槽式太阳能光热供蒸汽配置8 h储热，在较高辐射量的条件下，保证削峰辐射能量浪费降到最低，充分利用太阳能资源。根据模型计算太阳能倍数为2.2，年利用小时数为2 600 h，初投资约5.61亿元，蒸汽成本（25年）约为86元/t，投资静态回收期约为10.14a。

方案三，采用槽式太阳能光热供蒸汽不带储热，由于太阳资源的昼夜交替影响，槽式太阳能光热系统仅白天运行，充分利用白天太阳辐射量，可以大幅降低初期投资，此方案需要和其他能源供蒸汽系统耦合运行，对新增容量供蒸汽应用场景有一定的实用性和经济性。根据模型计算太阳能倍数为2.2，年利用小时数为1 511 h，初投资约2.66亿元，蒸汽成本（25年）约为70元/t，投资静态回收期约为8.82a。

2 结论与展望

1）站址设计点DNI值是太阳能光热项目工程设计的首要参数。太阳能光热的蒸汽产出量不确定性与太阳能资源不连续性、不确定性密切相关，客观有效评估站址太阳能资源显得尤其重要，任何一种资源评估方法都有一定的缺陷和不足，在工程设计过程中，需加强理论联系实际，结合实测数据来评估太阳能资源，为系统设计提供设计依据。

2）聚光集热随着镜场面积增大，集热场总的吸热量也会增加，系统蒸汽产出量也就越大，但是工程所需的蒸汽量是一定的，蒸汽量不可能随着镜场面积增大而无限增加。项目总投资也会随着镜场增大而增加，因此工程设计中镜场面积选取需综合考虑吨蒸汽成本和项目投资回收期。

3）在太阳能光热工程设计过程中，储热小时数影响整个项目的能源利用效率和供能安全，储热系统将白天多余的热量通过储热介质储存起来，在太阳低辐射量和夜间时运行对外供蒸汽，可以实现24 h连续运行。如果储热小时数过大，则太阳能倍数增大，镜场面积和项目占地相应增大，项目初投资也会增加，并且在较高辐射量的条件下，太阳能尖峰辐射不能被全部吸收利用；如果储热小时数过小，镜场吸热量不足以保证夜间或阴雨天气正常的蒸汽需求，可能影响项目的正常运行。这需要工程师在项目设计时，要充分考虑太阳能资源与项目实际需求和原有能源供应的适应性，选择最适合的储能小时数。