塔式光热电站发电量大幅偏离设计值的分析与建议

第一批塔式光热电站投产基本已在5年以上，但部分项目的实际发电表现与设计值依然偏离很大。根据《中国太阳能热发电行业蓝皮书》、CSPPLAZA等公开信息，投运塔式光热的发电信息如下：

从上表可以看出，在长达五年甚至更长的性能爬坡期后，除德令哈外，第一批塔式电站的实际表现与设计数据仍相去甚远，达产率普遍低于60%。本文将从非技术因素对塔式电站发电量和效率的影响角度来刨析这个问题，希望对业主和勘查设计单位进一步保障塔式项目投资收益能有所助益。

塔式项目的技术特点决定了其性能非常容易受场址环境条件的影响。当场址风、云、沙尘、大气通透度等环境条件比较恶劣时，塔式电站的实际出力将宽幅震荡，这就造成了场址环境条件较差的项目有时单日发电量单月发电量表现不错，但全年下来就难以达产。

二、高风速对塔式吸热器散热的影响

图1 塔顶吸热器的主要散热形式

与线聚焦光热技术采用的真空集热管不同，目前塔式电站主流采用外露管式吸热器，可接收360范围内的太阳辐射，有利于镜场大规模布置。但外露管式吸热器的反射、辐射及对流散热造成的能量损失很大，热效率低。当环境风速增加时，对散热的影响尤为明显。因风速跟高度呈一定的指数关系，在地面风速一定时，实际的散热还会受到塔高的影响。根据GB/T 50009-2012，

其中，

为吸热器中心风速；

为参考高度（10米）风速；

为参考高度（10米）；

为吸热器中心标高；

为地面粗糙度指数，取值0.12-0.30；

如地面粗糙度为0.15时，250米高度风速为10米高度风速的1.62倍。

图2 塔顶吸热器热损失随风速（10m风速）变化情况

上表为按照某100MW塔式光热模型测算结果，以10米高风速2m/s的总散热量作为基准值（100%）。随着风速的增加，对流换热部分带来的热损失快速增加。在风速提高到10m/s时，对流换热损失大约变为2m/s时的3倍，总热损变为1.76倍。风速提高到20m/s时，总散热变为2.68倍。按照100MW汽机所需热量230MWt算，在12m/s时散热相对于该热量的比值已超过30%（上述测算未合并考虑风速致反射光斑偏移对吸热塔接收有效能量的影响）。

图3 两典型区域DNI>0时段对应风速情况

在DNI>0时，哈密地区风速低于5m/s的时段仅占41%，而高于10m/s的时段接近30%。相对地，右图德令哈地区86%时段风速低于5m/s，高于10m/s的时段仅为1%。显而易见，仅从散热角度考虑，哈密对应区域对建设和运行塔式电站非常不利。

三、高风速对塔式拦截率的影响

图4 风载下反射光斑偏移理想位置示意图

塔式定日镜与吸热器分别独立安装，且反射光程较长，定日镜的承担将太阳光反射到吸热器的责任，当定日镜反射光斑完整投射到吸热器上时，拦截率最高，光热效率也最高。光斑误差是多个因素综合影响的结果，这些因素包括定日镜面型精度、安装精度、跟踪精度、地基移动、大气折射和吸热塔摆动等因素影响。

随着单体商业化电站规模的增加，吸热塔的高度越来越高，且向着自振频率低、阻尼小的方向发展。吸热塔长细比越大，其Scruton数越小，在风载荷作用下极易产生大幅度振动还可能造成塔体结构损伤。事实上，高耸结构因涡激振动而造成疲劳或强度破坏的现象时有发生。目前，对吸热塔进行风振响应特性与减振控制的研究还很少见。

对定日镜，风压会造成其型面变形改变反射光斑的形状，同时也会引起入射光法线的偏移，从而使反射光斑的投射位置出现偏差。目前，如何在不同的风速、风向条件下，对集热场数万个不同姿态的定日镜进行整体流场模拟分析以确定每个定日镜的形变量和形变方向是世界性难题。

风载对吸热塔和定日镜的影响，经过长距离光程的放大后，为定日镜正确对焦造成了很大困难，会导致出现冷热斑、焦点偏离、溢出损失等现象。严重情况下，塔式光学拦截率最高损失可达100%。在某些情况下，如不进行关场等操作，极易出现超出温度允许范围，热应力增大，损坏吸热器的现象。

上表可以看出，光程1000m，当入射光法线偏移3mrad，反射光偏移可达6m，而当光程达到2000m时，误差5mard时，偏移量已经高达20m，这个已经基本超出了100MW吸热器的尺寸。

图5 SAM软件模拟发电量随光斑误差的变化趋势

为了更直观的表示光斑误差对发电量的影响，利用SAM软件模拟了某场址100MW塔式光热光电效率随光斑误差的变化情况。在该模拟中，以光斑误差1.65mrad下的发电量作为基准值；当光斑误差达到4mrad时，发电量较基准下降20%；5mrad时，发电量较基准下降幅度为30%。在目前设计计算时，往往只用定日镜面型精度数值代替光斑误差进行计算，从而极大低估了实际性能损失。

可以预见，高风速一定会对单柱展弦式结构的定日镜产生扰动偏差，风速较大时预计定日镜的校准工作也会受到影响，在风电出力较好的地区建设和运行塔式电站，建议在发电量计算时一定要做好有效DNI范围内的风力统计，并根据不同型号定日镜在不同风速下的变形量测定数据对发电量进行科学的折减计算，避免高估设计发电量导致运行发电量偏离过大。

图6 受风影响实际运行中塔顶吸热器

四、云遮对塔式运营的影响

云层遮挡是引起太阳直接辐射骤变的主要因素。当云层离开或遮挡太阳时，会引起到达镜场的DNI发生骤变，由镜场投射到吸热器表面的能量密度也因此发生骤变，对于以槽式为代表的模块化的线聚焦方式，除了受云遮引起的辐照减少影响外，无其他重大影响。

而对于塔式，这会导致吸热器的内外表面的热应力发生突变。热应力的突然变化会造成吸热器的变形，缩短其使用寿命，严重时可能直接造成吸热器的破裂和损坏。

因此，需要超短期云层预测才能够满足塔式光热电站的运行要求，目前这点很难做到。如果能提前预测出云层的变化，就可以在DNI骤变前提前撤去一部分定日镜，防止出现云层突然离开造成镜场能量突升，对吸热器造成冲击的情况，直到云层完全离开太阳后，再重新投入镜场。

图7 塔式有云日弃光情况（来源：CPC2017 杭州光热大会 浙江中控）

根据业内公开的研究数据，由于塔式光热电站的特性，在有云天气运行策略下，日弃光率达28%。

图8 多云天气下的塔式和槽式

拟建项目地区气象站有时候很难准确反映某个项目所在位置的气象情况。如不提前对电站场址进行较长期的微观的气象数据实测和采集，科学的评估云遮待机工况对实际可用DNI的影响，塔式电站的设计发电量和实际可能会出现很大偏差。

五、大气通透度对塔式光程衰减的影响

太阳光在大气中传播过程中，由于灰尘、颗粒物、气溶胶、空气湿度等客观存在的因素，太阳光强度会随着光程的增加而逐渐衰减，因此能够到达吸热元件的有效太阳光能量与反射镜面到吸热元件的光程长度、当地大气通透度有着密不可分的联系。

图9 西班牙阿尔梅里亚测试平台塔式电站的晴天和雾天

槽式光热电站和线性菲涅尔的反射光程短，反射镜面到集热管的距离仅数米或十几米；而在塔式光热电站中，定日镜反射面到塔顶吸热器之间的距离一般为200到2000米，反射光程最长。

图10 大气通透度和光程对入射光衰减的影响（来源：2023中国太阳能热发电大会 龙腾光热）

根据上图公开的研究信息，塔式的性能受光程和大气通透度影响很大。能见度23km时，光程2000m的衰减接近25%；当能见度为5km时，光程500m的衰减已超过25%，光程2000m的情况下光程衰减接近56%.

因此，当项目厂址位于沙漠、戈壁滩、荒地或风较大的地区时，大气通透度对反射光程最长的塔式电站影响最大，实际到达塔顶吸热器的太阳光能量衰减更高，这种衰减将严重影响塔式电站的发电量表现。

六、运行可靠性

国际上商业化塔式电站投运后均出现了质量问题，塔式电站最易出现运行故障的是塔顶吸热器与高温储热罐，国际上有多个电站出现此故障，直接导致电站停运。

美国Crescent Dunes(新月沙丘)熔盐塔式电站，2015年11月正式投运，因设备故障投运后8个月发电连续性差，发电量低，2016年10月-2017年7月熔盐储罐泄露导致长时间停机维修。2019年4月，熔盐罐再次出现问题，最后一次发电，电网终止电站上网。

美国的Ivanpah塔式电站，2016年5月定日镜聚焦的强大光束偏光点着了塔顶线缆及管道，导致着火，吸热塔停运。

西班牙Gemasolar熔盐塔式电站，2016年底，熔盐储罐基础及罐底损坏导致长时间停运维修。

近年投运的摩洛哥Noor Ⅲ塔式光热太阳能电站同样出现了熔盐罐泄露问题。

图11 吸热器故障

塔式高温罐熔盐温度高达560℃，熔盐罐材质为不锈钢，在施工过程中，焊接及热处理要求高、室外环境对焊接品质影响大。在运行过程中，大风多云天气，塔顶吸热器受热面温度不同，出口集热温度不稳定，造成热盐罐频繁受冷热冲击而导致损坏。

可靠性是由各自技术特点决定的，不同于使用真空结构集热管的槽式、线菲，塔式光热发电系统吸热装置裸露在大气中，吸热器表面温度会剧烈交变而产生疲劳，使得其性能对外部环境如温度、风速变化很敏感。

在初期设计阶段，对设备可用率的估算不足，也是造成设计值与实际值发生较大偏差的重要原因。

七、小结

综合以上分析我们可以看到，目前采用的熔盐塔式技术由于其自身技术特点的原因，其实际运行的发电量受厂址自然环境因素影响很大，集热效率和发电量的偏离幅度可以达到40%-50%。建议塔式项目业主和设计单位在可行性研阶段应该落实微观选址研究工作，获取地面风速、高空风速、空气可见度、空气湿度、云遮时段累计等关键边界条件的实测数据并进行科学统计，在发电量计算过程中引入这些参数科学评估影响，以得到较为可信的设计发电量。在厂址条件较差的沙戈荒地区，微观选址数据不完整的情况下，对塔式电站的发电量预估不应该过于乐观，按常规测算的60%-70%来设定塔式项目的可研发电量或许更符合实际情况。从1996年全球第一座熔盐塔式电站投产至今，熔盐塔式技术已经走过了近30年的历史，科学的认识这项技术的优势和缺陷，推动勘察设计和运行技术的改善，科学的进行项目选址和发电量评估，才能促进这项技术和产业长期健康发展。