塔式光熱電站發(fā)電量大幅偏離設計值的分析與建議

第一批塔式光熱電站投產(chǎn)基本已在5年以上，但部分項目的實(shí)際發(fā)電表現與設計值依然偏離很大。根據《中國太陽(yáng)能熱發(fā)電行業(yè)藍皮書(shū)》、CSPPLAZA等公開(kāi)信息，投運塔式光熱的發(fā)電信息如下：

從上表可以看出，在長(cháng)達五年甚至更長(cháng)的性能爬坡期后，除德令哈外，第一批塔式電站的實(shí)際表現與設計數據仍相去甚遠，達產(chǎn)率普遍低于60%。本文將從非技術(shù)因素對塔式電站發(fā)電量和效率的影響角度來(lái)刨析這個(gè)問(wèn)題，希望對業(yè)主和勘查設計單位進(jìn)一步保障塔式項目投資收益能有所助益。

塔式項目的技術(shù)特點(diǎn)決定了其性能非常容易受場(chǎng)址環(huán)境條件的影響。當場(chǎng)址風(fēng)、云、沙塵、大氣通透度等環(huán)境條件比較惡劣時(shí)，塔式電站的實(shí)際出力將寬幅震蕩，這就造成了場(chǎng)址環(huán)境條件較差的項目有時(shí)單日發(fā)電量單月發(fā)電量表現不錯，但全年下來(lái)就難以達產(chǎn)。

二、高風(fēng)速對塔式吸熱器散熱的影響

圖1 塔頂吸熱器的主要散熱形式

與線(xiàn)聚焦光熱技術(shù)采用的真空集熱管不同，目前塔式電站主流采用外露管式吸熱器，可接收360范圍內的太陽(yáng)輻射，有利于鏡場(chǎng)大規模布置。但外露管式吸熱器的反射、輻射及對流散熱造成的能量損失很大，熱效率低。當環(huán)境風(fēng)速增加時(shí)，對散熱的影響尤為明顯。因風(fēng)速跟高度呈一定的指數關(guān)系，在地面風(fēng)速一定時(shí)，實(shí)際的散熱還會(huì )受到塔高的影響。根據GB/T 50009-2012，

其中，

為吸熱器中心風(fēng)速；

為參考高度（10米）風(fēng)速；

為參考高度（10米）；

為吸熱器中心標高；

為地面粗糙度指數，取值0.12-0.30；

如地面粗糙度為0.15時(shí)，250米高度風(fēng)速為10米高度風(fēng)速的1.62倍。

圖2 塔頂吸熱器熱損失隨風(fēng)速（10m風(fēng)速）變化情況

上表為按照某100MW塔式光熱模型測算結果，以10米高風(fēng)速2m/s的總散熱量作為基準值（100%）。隨著(zhù)風(fēng)速的增加，對流換熱部分帶來(lái)的熱損失快速增加。在風(fēng)速提高到10m/s時(shí)，對流換熱損失大約變?yōu)?m/s時(shí)的3倍，總熱損變?yōu)?.76倍。風(fēng)速提高到20m/s時(shí)，總散熱變?yōu)?.68倍。按照100MW汽機所需熱量230MWt算，在12m/s時(shí)散熱相對于該熱量的比值已超過(guò)30%（上述測算未合并考慮風(fēng)速致反射光斑偏移對吸熱塔接收有效能量的影響）。

圖3 兩典型區域DNI>0時(shí)段對應風(fēng)速情況

在DNI>0時(shí)，哈密地區風(fēng)速低于5m/s的時(shí)段僅占41%，而高于10m/s的時(shí)段接近30%。相對地，右圖德令哈地區86%時(shí)段風(fēng)速低于5m/s，高于10m/s的時(shí)段僅為1%。顯而易見(jiàn)，僅從散熱角度考慮，哈密對應區域對建設和運行塔式電站非常不利。

三、高風(fēng)速對塔式攔截率的影響

圖4 風(fēng)載下反射光斑偏移理想位置示意圖

塔式定日鏡與吸熱器分別獨立安裝，且反射光程較長(cháng)，定日鏡的承擔將太陽(yáng)光反射到吸熱器的責任，當定日鏡反射光斑完整投射到吸熱器上時(shí)，攔截率最高，光熱效率也最高。光斑誤差是多個(gè)因素綜合影響的結果，這些因素包括定日鏡面型精度、安裝精度、跟蹤精度、地基移動(dòng)、大氣折射和吸熱塔擺動(dòng)等因素影響。

隨著(zhù)單體商業(yè)化電站規模的增加，吸熱塔的高度越來(lái)越高，且向著(zhù)自振頻率低、阻尼小的方向發(fā)展。吸熱塔長(cháng)細比越大，其Scruton數越小，在風(fēng)載荷作用下極易產(chǎn)生大幅度振動(dòng)還可能造成塔體結構損傷。事實(shí)上，高聳結構因渦激振動(dòng)而造成疲勞或強度破壞的現象時(shí)有發(fā)生。目前，對吸熱塔進(jìn)行風(fēng)振響應特性與減振控制的研究還很少見(jiàn)。

對定日鏡，風(fēng)壓會(huì )造成其型面變形改變反射光斑的形狀，同時(shí)也會(huì )引起入射光法線(xiàn)的偏移，從而使反射光斑的投射位置出現偏差。目前，如何在不同的風(fēng)速、風(fēng)向條件下，對集熱場(chǎng)數萬(wàn)個(gè)不同姿態(tài)的定日鏡進(jìn)行整體流場(chǎng)模擬分析以確定每個(gè)定日鏡的形變量和形變方向是世界性難題。

風(fēng)載對吸熱塔和定日鏡的影響，經(jīng)過(guò)長(cháng)距離光程的放大后，為定日鏡正確對焦造成了很大困難，會(huì )導致出現冷熱斑、焦點(diǎn)偏離、溢出損失等現象。嚴重情況下，塔式光學(xué)攔截率最高損失可達100%。在某些情況下，如不進(jìn)行關(guān)場(chǎng)等操作，極易出現超出溫度允許范圍，熱應力增大，損壞吸熱器的現象。

上表可以看出，光程1000m，當入射光法線(xiàn)偏移3mrad，反射光偏移可達6m，而當光程達到2000m時(shí)，誤差5mard時(shí)，偏移量已經(jīng)高達20m，這個(gè)已經(jīng)基本超出了100MW吸熱器的尺寸。

圖5 SAM軟件模擬發(fā)電量隨光斑誤差的變化趨勢

為了更直觀(guān)的表示光斑誤差對發(fā)電量的影響，利用SAM軟件模擬了某場(chǎng)址100MW塔式光熱光電效率隨光斑誤差的變化情況。在該模擬中，以光斑誤差1.65mrad下的發(fā)電量作為基準值；當光斑誤差達到4mrad時(shí)，發(fā)電量較基準下降20%；5mrad時(shí)，發(fā)電量較基準下降幅度為30%。在目前設計計算時(shí)，往往只用定日鏡面型精度數值代替光斑誤差進(jìn)行計算，從而極大低估了實(shí)際性能損失。

可以預見(jiàn)，高風(fēng)速一定會(huì )對單柱展弦式結構的定日鏡產(chǎn)生擾動(dòng)偏差，風(fēng)速較大時(shí)預計定日鏡的校準工作也會(huì )受到影響，在風(fēng)電出力較好的地區建設和運行塔式電站，建議在發(fā)電量計算時(shí)一定要做好有效DNI范圍內的風(fēng)力統計，并根據不同型號定日鏡在不同風(fēng)速下的變形量測定數據對發(fā)電量進(jìn)行科學(xué)的折減計算，避免高估設計發(fā)電量導致運行發(fā)電量偏離過(guò)大。

圖6 受風(fēng)影響實(shí)際運行中塔頂吸熱器

四、云遮對塔式運營(yíng)的影響

云層遮擋是引起太陽(yáng)直接輻射驟變的主要因素。當云層離開(kāi)或遮擋太陽(yáng)時(shí)，會(huì )引起到達鏡場(chǎng)的DNI發(fā)生驟變，由鏡場(chǎng)投射到吸熱器表面的能量密度也因此發(fā)生驟變，對于以槽式為代表的模塊化的線(xiàn)聚焦方式，除了受云遮引起的輻照減少影響外，無(wú)其他重大影響。

而對于塔式，這會(huì )導致吸熱器的內外表面的熱應力發(fā)生突變。熱應力的突然變化會(huì )造成吸熱器的變形，縮短其使用壽命，嚴重時(shí)可能直接造成吸熱器的破裂和損壞。

因此，需要超短期云層預測才能夠滿(mǎn)足塔式光熱電站的運行要求，目前這點(diǎn)很難做到。如果能提前預測出云層的變化，就可以在DNI驟變前提前撤去一部分定日鏡，防止出現云層突然離開(kāi)造成鏡場(chǎng)能量突升，對吸熱器造成沖擊的情況，直到云層完全離開(kāi)太陽(yáng)后，再重新投入鏡場(chǎng)。

圖7 塔式有云日棄光情況（來(lái)源：CPC2017 杭州光熱大會(huì ) 浙江中控）

根據業(yè)內公開(kāi)的研究數據，由于塔式光熱電站的特性，在有云天氣運行策略下，日棄光率達28%。

圖8 多云天氣下的塔式和槽式

擬建項目地區氣象站有時(shí)候很難準確反映某個(gè)項目所在位置的氣象情況。如不提前對電站場(chǎng)址進(jìn)行較長(cháng)期的微觀(guān)的氣象數據實(shí)測和采集，科學(xué)的評估云遮待機工況對實(shí)際可用DNI的影響，塔式電站的設計發(fā)電量和實(shí)際可能會(huì )出現很大偏差。

五、大氣通透度對塔式光程衰減的影響

太陽(yáng)光在大氣中傳播過(guò)程中，由于灰塵、顆粒物、氣溶膠、空氣濕度等客觀(guān)存在的因素，太陽(yáng)光強度會(huì )隨著(zhù)光程的增加而逐漸衰減，因此能夠到達吸熱元件的有效太陽(yáng)光能量與反射鏡面到吸熱元件的光程長(cháng)度、當地大氣通透度有著(zhù)密不可分的聯(lián)系。

圖9 西班牙阿爾梅里亞測試平臺塔式電站的晴天和霧天

槽式光熱電站和線(xiàn)性菲涅爾的反射光程短，反射鏡面到集熱管的距離僅數米或十幾米；而在塔式光熱電站中，定日鏡反射面到塔頂吸熱器之間的距離一般為200到2000米，反射光程最長(cháng)。

圖10 大氣通透度和光程對入射光衰減的影響（來(lái)源：2023中國太陽(yáng)能熱發(fā)電大會(huì ) 龍騰光熱）

根據上圖公開(kāi)的研究信息，塔式的性能受光程和大氣通透度影響很大。能見(jiàn)度23km時(shí)，光程2000m的衰減接近25%；當能見(jiàn)度為5km時(shí)，光程500m的衰減已超過(guò)25%，光程2000m的情況下光程衰減接近56%.

因此，當項目廠(chǎng)址位于沙漠、戈壁灘、荒地或風(fēng)較大的地區時(shí)，大氣通透度對反射光程最長(cháng)的塔式電站影響最大，實(shí)際到達塔頂吸熱器的太陽(yáng)光能量衰減更高，這種衰減將嚴重影響塔式電站的發(fā)電量表現。

六、運行可靠性

國際上商業(yè)化塔式電站投運后均出現了質(zhì)量問(wèn)題，塔式電站最易出現運行故障的是塔頂吸熱器與高溫儲熱罐，國際上有多個(gè)電站出現此故障，直接導致電站停運。

美國Crescent Dunes(新月沙丘)熔鹽塔式電站，2015年11月正式投運，因設備故障投運后8個(gè)月發(fā)電連續性差，發(fā)電量低，2016年10月-2017年7月熔鹽儲罐泄露導致長(cháng)時(shí)間停機維修。2019年4月，熔鹽罐再次出現問(wèn)題，最后一次發(fā)電，電網(wǎng)終止電站上網(wǎng)。

美國的Ivanpah塔式電站，2016年5月定日鏡聚焦的強大光束偏光點(diǎn)著(zhù)了塔頂線(xiàn)纜及管道，導致著(zhù)火，吸熱塔停運。

西班牙Gemasolar熔鹽塔式電站，2016年底，熔鹽儲罐基礎及罐底損壞導致長(cháng)時(shí)間停運維修。

近年投運的摩洛哥Noor Ⅲ塔式光熱太陽(yáng)能電站同樣出現了熔鹽罐泄露問(wèn)題。

圖11 吸熱器故障

塔式高溫罐熔鹽溫度高達560℃，熔鹽罐材質(zhì)為不銹鋼，在施工過(guò)程中，焊接及熱處理要求高、室外環(huán)境對焊接品質(zhì)影響大。在運行過(guò)程中，大風(fēng)多云天氣，塔頂吸熱器受熱面溫度不同，出口集熱溫度不穩定，造成熱鹽罐頻繁受冷熱沖擊而導致?lián)p壞。

可靠性是由各自技術(shù)特點(diǎn)決定的，不同于使用真空結構集熱管的槽式、線(xiàn)菲，塔式光熱發(fā)電系統吸熱裝置裸露在大氣中，吸熱器表面溫度會(huì )劇烈交變而產(chǎn)生疲勞，使得其性能對外部環(huán)境如溫度、風(fēng)速變化很敏感。

在初期設計階段，對設備可用率的估算不足，也是造成設計值與實(shí)際值發(fā)生較大偏差的重要原因。

七、小結

綜合以上分析我們可以看到，目前采用的熔鹽塔式技術(shù)由于其自身技術(shù)特點(diǎn)的原因，其實(shí)際運行的發(fā)電量受廠(chǎng)址自然環(huán)境因素影響很大，集熱效率和發(fā)電量的偏離幅度可以達到40%-50%。建議塔式項目業(yè)主和設計單位在可行性研階段應該落實(shí)微觀(guān)選址研究工作，獲取地面風(fēng)速、高空風(fēng)速、空氣可見(jiàn)度、空氣濕度、云遮時(shí)段累計等關(guān)鍵邊界條件的實(shí)測數據并進(jìn)行科學(xué)統計，在發(fā)電量計算過(guò)程中引入這些參數科學(xué)評估影響，以得到較為可信的設計發(fā)電量。在廠(chǎng)址條件較差的沙戈荒地區，微觀(guān)選址數據不完整的情況下，對塔式電站的發(fā)電量預估不應該過(guò)于樂(lè )觀(guān)，按常規測算的60%-70%來(lái)設定塔式項目的可研發(fā)電量或許更符合實(shí)際情況。從1996年全球第一座熔鹽塔式電站投產(chǎn)至今，熔鹽塔式技術(shù)已經(jīng)走過(guò)了近30年的歷史，科學(xué)的認識這項技術(shù)的優(yōu)勢和缺陷，推動(dòng)勘察設計和運行技術(shù)的改善，科學(xué)的進(jìn)行項目選址和發(fā)電量評估，才能促進(jìn)這項技術(shù)和產(chǎn)業(yè)長(cháng)期健康發(fā)展。