毕业论文（设计）太阳能热气流电站非稳态性能预测及经济性分析

1、太阳能热气流电站非稳态性能预测及经济性分析摘要：准确的性能预测是太阳能热气流发电系统经济性分析的前提。本文建立了太阳能热气流发电系统的非稳态性能预测模型，并采用西班牙示范电站数据验证了该模型；利用银川地区典型气象年的逐时气象数据，完成了10MW太阳能热气流电站全年发电情况预测，全年发电总量可达144.8 TJ；针对该10MW电站的总收入和总支出建立了收益计算模型，并采用净现值法对该电站进行了经济性分析，结果发现该电站在整个服务年限内的总净现值为226.96百万元，可为当地带来巨大的经济和环境效益。关键词：太阳能热气流，土壤蓄热，非稳态，经济性分析 0 前言面对日益严峻的能源安全和环境问题的挑战

2、，可再生能源的开发利用得到了各国政府的高度重视。通过采用廉价的材料、简便的工艺流程实现低成本化太阳能利用是目前太阳能规模化应用的重要方向之一1。太阳能热气流发电正是近年来发展迅速的一种具备以上优点的太阳能低温热发电技术，具有环境友好、维护方便、运行成本低以及不依赖水资源等优势2,3。许多国家对建造太阳能热气流发电系统以缓解能源危机和环境恶化，解决电力短缺问题表现出了浓厚的兴趣4。早在2003年代彦军等人5,6 就在我国西北地区建立太阳能热气流电站进行了研究，针对宁夏回族自治区的太阳辐射、气温等气候资源特点，对在银川、平罗和贺兰三个地区建造太阳能热气流电站的可行性进行了分析。而后在加拿大7、地中

3、海地区8、阿拉伯湾9、南非10等国家和地区先后出现了大量关于该系统的可行性研究。经济性分析是可行性研究的基础，2000年Beerbaum等人11将燃煤火力发电、聚焦型太阳能热发电以及太阳能热气流发电进行了经济性分析，结果发现太阳能热气流发电系统的均化发电成本相比于燃煤火力发电具备竞争力。2005年Schlaich等人12估算了不同规模的太阳能热气流发电系统的投资成本，结果发现在运行初期太阳能热气流电站的成本会略高于火电站，而20年以后太阳能热气流电站成本将大大低于火电站。2006年Fluri等人13将碳收益考虑进经济性分析，对100MW太阳能热气流电站进行了经济性分析。2014年李卫兵等人14

4、利用净现值法对100MW太阳能热气流电站进行了经济性分析，并分析了相关经济性参数对电站收益的影响。虽然上述经济性分析都证明了太阳能热气流电站的经济性优势，然而不同研究获得的发电成本仍有较基金项目：国家自然科学基金资助项目（51406155），中国博士后科学基金资助项目（2014M562406）大差异，这主要是因为以上分析对系统输出功率的估算方法不同。此外以上分析中性能预测均是基于稳态的性能预测模型，利用气象数据的月平均甚至是年平均值作为输入条件。然而太阳能热气流发电系统的土壤层是天然的蓄热层，白天部分太阳辐射能被土壤蓄热层吸收并存储，在下午光照不足以及晚上释放使得系统能够继续运行。因此本文提出

5、了基于非稳态性能预测模型的经济性分析，利用典型气象年的逐时数据对太阳能热气流电站的全年发电情况进行预测，大大提高了预测精度，并在此基础上采用净现值法完成了10MW太阳能热气流电站的经济性分析。1 非稳态性能预测模型1.1 集热棚内热平衡方程任取集热棚内一径向单元进行能量分析，图1展示了太阳能热气流发电系统集热棚内热量传递过程。由于空气主要成分为双原子气体，几乎不吸收太阳辐射，大部分太阳辐射穿透集热棚后被地面吸收。被地面吸收的能量S1会分别通过对流换热传递给集热棚内空气，通过辐射换热传递给集热棚覆盖层以及通过导热向地下传递，因此集热棚地面的热平衡方程为： （1）由于集热棚材料对太阳辐射的穿透比很

6、高，而对吸热后的地面在常温下的长波辐射穿透比很小，因此集热棚覆盖层除了吸收很小一部分太阳辐射外，主要的能量来自地面的辐射换热。其吸收的能量一部分通过对流换热传递给了棚内空气利用，而另一部分通过与棚外环境空气的对流换热以及与天空间的辐射换热损失掉，因此集热棚覆盖层的热平衡方程为： （2）对于集热棚中的空气来说，与地面蓄热层以及棚顶覆盖层之间的对流换热量即为棚内空气的吸热量，因此棚内空气的热平衡方程为： （3） 在太阳能热气流发电系统内，考虑到蓄热土壤沿深度方向的导热要远大于沿径向方向的，因此，这里采用不带内热源的一维非稳态导热方程去模拟蓄热土壤内部的热传导现象，可以表示为： （4）针对该一维非稳

7、态导热方程，本文采用有限差分法（FDM）进行求解；蓄热层厚度选为4米，并假设在地下4米处土壤温度不再发生变化。 图 1集热棚内能量传递过程的示意图1.2 系统输出功率模型 烟囱作为整个系统的“热机”，是系统驱动力的来源，利用烟囱内外温差引起的密度差，即“烟囱效应”来完成空气热能向动能的转换，烟囱的系统抽力可以通过下式计算： （5）烟囱效应形成的系统抽力除了用于推动涡轮做功以外，其他部分都以流动损失的形式损耗掉，这些损失主要包括：过渡段损失，烟囱内壁的摩擦损失，烟囱内部支撑结构的阻力损失以及烟囱出口的动能损失，分别由以下公式考虑： 过渡段损失： （6） 摩擦损失： （7）支撑结构损失： （8）出

8、口动能损失： （9）系统抽力一部分用来克服各种流动损失，剩下的部分用来推动涡轮做功，因此涡轮的压降可以表示为系统抽力与流动损失之差： （10）系统的输出功率与涡轮压降、涡轮效率及系统的工况流量有关，可以表示为： （11）2 模型验证利用C+语言编写了太阳能热气流发电系统的非稳态性能预测计算程序，用于模拟集热棚内沿径向以及烟囱内沿轴向的空气流动和换热过程。为了验证理论模型及程序的正确性，以西班牙示范电站为物理模型进行计算验证。西班牙示范电站烟囱高度为194.6m，集热棚半径122m，是迄今为止建造成功的最大规模的太阳能热气流发电系统，其实验数据具有一定的代表性和权威性，是进行理论模型验证的理想对

9、象。本文取地下土壤蓄热层厚度为4m，并将其等分成1000份，即沿深度方向的空间步长为0.004m；为保证计算精度及收敛性，取时间步长为10s。图 2 集热棚出口气流温度的实验值与计算结果对比图 3输出功率的实验值与计算结果对比图2是一天内集热棚出口气流温度对比图，其平均偏差为4.85%,计算结果与实验吻合较好。产生偏差的主要原因是计算模型中蓄热土壤的热物性参数的选取并不能完全与实验条件相同。实际情况下，土壤热物性参数会随着其深度变化受土壤成分、含水量及间隙率等因素的影响而发生改变，而本文假定其热物性参数不随深度发生变化。图3为输出功率对比图，因实验结果只提供了白天的输出功率，故只对白天的输出功

10、率进行对比。从图中可以看出，实验数据基本落在计算功率曲线的附近，总体趋势相符。偏差主要体现在，在中午太阳辐照较强时实验结果略高于计算值，而当下午太阳辐照度减弱时，计算值相比于实验值偏高。这主要是因为涡轮效率的选取。通常涡轮在设计工况点拥有较高的效率，偏离设计点后效率下降；而本文选取了一个折中的固定涡轮效率0.8。因此在中午附近的设计工况点，实际涡轮效率一般要高于本文给定值；而在偏离设计点的下午，本文设定值要高于实际的涡轮效率。综合上面的分析，计算结果与实验值吻合较好，其偏差都在合理范围内，因此，本文建立的非稳态模型是合理的，可以用来预测太阳能热气流发电系统的性能，为该系统的经济性分析提供数据。

11、3 10MW太阳能热气流电站的性能预测银川地区年平均日照时数为2800至3000小时，是我国太阳辐射和日照时数最多的地区之一，有效利用太阳能资源对该地区经济发展有重要意义。本文根据银川地区的地理气象条件设计了10MW太阳能热气流电站，依据典型气象年的逐时气象数据对其全年发电量进行了性能预测。图4为该地区的全年太阳能辐射值变化，其中夏季最大太阳辐照度高达1000 W/m2。因此，本文以太阳辐照强度1000 W/m2做为最大输出功率为10MW的太阳能热气流发电站的设计工况，基于热力分析模型以及初始投资最小的原则完成了电站设计，具体的设计参数详见表1。图 4银川地区典型气象年逐时辐射值表1 10MW

12、太阳能热气流发电站设计参数设计参数数值单位烟囱高度500m烟囱半径35m集热棚半径1185m环境温度298太阳辐射1000涡轮效率0.8 利用本文建立的太阳能热气流发电系统的非稳态性能预测模型，根据银川地区典型气象年的逐时气象数据（太阳辐照度、气温及风速）计算得到了该10MW太阳能热气流电站的全年发电量预测结果，如图5所示。图 5各月太阳辐射能及系统发电量情况 银川地区5至7月份太阳辐射能最大，约占全年总辐射能的34.1%；而太阳能热气流发电站的月发电量也在这期间达到最大值，约占全年发电量的35.2%；太阳辐射能在12月份和1月份最小，电站的月发电量也下降到谷底，表现出与太阳辐射能同步变化的趋

13、势。虽然该电站只有10MW的规模，但月发电量最大的5月份仍达到了17.3TJ，而该电站全年的发电总量可达144.8 TJ，年发电量相当可观。4 10MW太阳能热气流电站的经济性分析4.1 电站初始投资该电站初始投资由集热棚费用、烟囱费用及涡轮发电机组（PCU）费用组成。考虑到电站设计服务年限较长，选用玻璃作为集热棚的覆盖材料，采用高性能混凝土作为烟囱材料，并在其中掺入加固材料。通过文献调研和计算，获得了该电站的初始投资情况，见表2。该10MW发电系统的初始总投资为1054.1百万元，其中集热棚的建造费用所占份额最大，达到总投资的59.5%，因为集热棚的面积较大，所需的材料较多所致；其次是烟囱费

14、用，占到33.7%；PCU只占了一小部分，为总投资的6.8%。表2 初始投资的组成部件费用（百万元）占比（%）集热棚627.559.5烟囱354.633.7PCU726.8合计1054.14.2 收益计算模型 太阳能热气流发电站的收入由两部分构成，第一，发电量产生的营收；第二，因减排二氧化碳而产生的收益。太阳能热气流发电站的主要收入来自出售电量产生的营收额，这部分收益主要受年发电总量Es和电价Ps的影响。同时，为促进国内新能源发电产业的发展，政府会设定新能源发电的电价略高于市场上的售价。假设电价随着通货膨胀率逐年增加，则第k年的电量收入可以表示为: (12) 相比传统的火力发电站，太阳能热气流

15、发电站的最主要优势在于它不会产生温室气体，具有巨大的环境效益。火力发电厂每发一度电大约会产生0.9kg的二氧化碳气体。同样，假设碳单价Pc随着通货膨胀率逐年升高，则第年因减排二氧化碳气体而产生的收益为: (13)基于上面的分析，太阳能热气流发电站第年的总收入为: (14) 在整个服务年限内，太阳能热气流发电站的成本包括初始投资、电站运行期间的维护费用和营收缴税几个部分。假设建设太阳能热气流发电站期间的初始投资Cc全部从银行贷款，并在第m年还完全部贷款。采用等额本金还款法进行计算，还款期间每年还款本金为： (15)而第年所需支付的利息为： (16) 在太阳能热气流发电站的运行期间，需要对集热棚、

16、烟囱及涡轮发电机组等部件进行维护和更换，这部分支出均计入电站运行的维护费用。假设电站第一年的运行维护费用是，并随着通货膨胀率而逐年增加，则太阳能热气流电站运行的第k年产生的维护费是: (17)根据我国税收法，固定资产折旧费及银行贷款利息不征收税费，可以在税前扣除，因此需要对固定资产折旧费进行计算。本文中，因太阳能热气流电站工作年限一般较长，因此假设其达到服务年限后，其固定资产净残值为零。本文选择年数总和法进行折旧计算。根据此方法，第年的折旧率可以表示为: (18)和分别表示第年的税率和税费，则第k年的税费为： (19)根据前面的分析，可以得到太阳能热气流发电站第年的总成本应为当年的本金及利息偿

17、还、维护费以及税费之和: (20) 由以上分析可知，发电系统的收益受很多参数的影响，包括市场的通货膨胀率、银行贷款利率、政府征税率以及服务年限等。因此在进行经济性分析前，需要确定相关参数，详见表3.表3 经济性分析参数值经济参数数值通货膨胀率3%贷款利率3%税率15%还款年数40年服务年限80年初始投资1054.1百万元年发电量40.2/年电价1.5元/碳交易价格62元/吨风险调节贴现率11.52%根据以上分析，采用净现值法对该太阳能热气流电站收益进行分析，该电站在第k年的净现值（NPV）可以表示为： (21)相应的，太阳能热气流发电站整个服务年限n的总净现值为： (22)利用上述模型及相关参

18、数计算得到该电站的净现值为226.96百万元，表明该电站投资是可行的。需要说明的是，该计算是在碳交易价格较低以及贴现率较高的情况下进行的，随着今后技术发展的成熟以及碳交易价格的提高，该电站收益将有较大的提升空间。5 结 论本文建立了考虑土壤蓄热的太阳能热气流发电系统的非稳态性能预测模型，与实验结果对比表明该模型可用于太阳能热气流电站的性能预测；针对银川地区的地理气象条件设计了10MW太阳能热气流电站，并根据典型气象年的逐时气象数据完成了该电站全年发电量的预测，该电站全年的发电总量可达144.8 TJ；分析了电站的初始投资、运行期间各种支出以及收入，建立了收益计算模型，并采用净现值法完成了电站的

19、经济性分析，结果发现该电站的初始投资费用为1054.1百万元，而在整个服务年限内总净现值为226.96百万元，具有较好的投资价值，该研究为太阳能热气流发电系统在我国西北荒漠地区的推广应用提供了重要参考依据。参考文献1 能源科学学科发展战略研究组. 20112020年我国能源科学学科发展战略报告R. 国家自然科学基金委员会, 中国科学院. 2010.2 潘垣, 辜承林, 周理兵, 等. 太阳能热气流发电及其对我国能源与环境的深远影响J. 世界科技研究与发展, 2003, (04): 7-12.3 Guo PH, Li JY, Wang Y. Annual performance analysis

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