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高级建模推动 CSP 在中国的发展

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Regional Communications Asia-Pacific
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Asset management for solar
作者:Eduard Blesa,DNV GL 能源部光伏和 CSP 工程师 Rubén Ron,DNV GL 能源部太阳能业务主管
  • 发布日期:
  • 关键词: Energy

背景

预计到 2050 年,聚光太阳能发电 (CSP) 技术在混合发电领域将发挥越来越大的作用。业界已经认识到CSP 的技术、环境及社会优势。其所具备的众多技术优势包括:(1) 与光伏等其它可再生能源相比,CSP 具有更高的能源转换率;(2) 可储存热能,按需配送电力;(3) 有潜力在现有或新建的化石燃料发电厂中混合使用。从社会和环境的角度讲,CSP 技术的最重要优势包括:带动工业发展、创造就业机会,进而刺激地方经济发展;有助于减少CO2 排放。另一方面,与其它可再生能源相比,CSP 的主要缺点包括耗水、占地、对野生动植物有潜在影响、需要阳光直射以及能源和资金成本相对高昂。

CSP 系统主要有以下四种:抛物面槽式太阳能集热器(PTC)、线性菲涅尔反射式集热器 (LFR)、碟式斯特林系统 (DSS) 及中央吸收塔系统(CRS)。尽管这些系统都经历过商业化的考验,其中PTC 和 CRS 是商业化经验水平和接受程度最高的两种系统。

截至 2015 年年底,西班牙和美国的 CSP 安装量已分别达到约2.3 GW 和 1.7 GW。然而,CSP 技术的兴趣市场已从这些国家转移至其它地区。此外管道的铺设规模也同时在缩小。总体来说,在去年,CSP 的发展和建设速度慢于风能和光伏等其它可再生能源。

不过,较之其它可再生技术,CSP 的热能储存能力使之更能与气电、煤电、核电等基载技术相抗衡。虽然 CSP 的成本近年来已然有所降低,特别是在开发活动密集的“太阳带地区”,但CSP 的能源成本仍有待进一步降低。

CSP 发展缓慢的另一重要原因是有CSP 开发意向的新兴市场缺乏相应的技术能力和行业经验。通常情况下,新兴市场为了支撑当地工业发展,都会为新项目定下具体的当地成分目标(或要求)。因而,新市场的开发既需要时间研发新技术能力,还需要业内经验丰富的跨国公司提供支持。

在这样的大环境下,中国近几年对 CSP 技术的关注度日益提升。根据最近的“十三五”经济社会发展规划,中国明确表示将继续加强能源结构的转变力度,改变以煤为主的现有结构,逐步过渡到使用清洁能源。规划包含两项重要目标:能源强度的减少和碳强度的降低。而要降低碳强度,在一如既往地对光伏和风能进行开发的同时,CSP 行业预计会获得更多支持。这方面已经得到确定,在 2020 年CSP 安装量预计将达到10 GW,从前两年 1 GW 的示范项目开始,到 2018 年之后进行商业推广。

中国市场面临哪些挑战?

和其它正在开发 CSP 技术的国家一样,要达到“十三五”规划中定下的CSP 安装量目标,中国市场也必须克服一系列挑战。其中,CSP 市场常见的最主要障碍包括:与其它可再生和不可再生能源发电技术的竞争、太阳能充裕地带的水源缺乏问题、发电地区与主输电网间的距离问题,以及复杂冗长的行政审批流程。

除了这些常见的挑战外,中国市场还面临其它可能阻碍CSP 开发的潜在问题。对于中国而言,主要挑战包括:某些地区太阳能资源有限;气候条件极端;政府的激励政策不够明朗;技术能力和行业经验不足。

中国市场如何应对技术和经验上的不足?

中国在传统的热力发电及光伏、风能等其它可再生能源技术上有着丰富的经验。然而对于CSP 系统的应用和 CSP 与传统发电机组的整合,中国仍然有较大的技术鸿沟要跨越。

就元件制造而言,CSP 发电厂中安装的设备与传统热力发电厂中使用的设备大体相同,中国制造市场已能够提供这些元件。对于 CSP 技术的专用元件,中国的制造大军也在崛起,正准备进军国内甚至国际市场。

在工程和建筑方面,由于特殊国家政策的限制,外国企业对相关工程项目的参与度有限,在技术开发方面占主导地位的主要是国内工程机构和本地建筑公司。中国主要可采取两种方式克服技术知识和经验上的欠缺:与经验丰富的外国工程公司达成合作关系;从外国研究机构和技术咨询公司实现知识转移。

知识转移是中国工业的主要战略

希望获得 CSP 专业技术知识的中国工程机构和项目开发商在向参与过 CSP 发电厂开发设计的工程公司和咨询公司寻求支持。而 DNV GL 一直在向中国太阳能产业的不同业内企业提供培训。由于各业内企业有着不同的预期目标,因此我们需要根据各企业的需求为其量身定制课程内容和培训方法。

对于中国而言,像 DNV GL 这样的外国企业主要可以在以下几个方面助力加速其 CSP 产业的开发:

  • CSP 技术总览:大体了解 CSP 技术和市场现状。
  • 可行性研究:了解此类研究的几个主要阶段,包括选址、适用技术的分析以及对能源和成本数据的初步估算。
  • 项目开发:CSP 发电厂主系统及设备的详细设计;了解项目的其它利益相关方;推进审批流程;分析项目融资渠道。
  • CSP 场址的选址评估及太阳能资源评估:了解太阳能资源状况以及其它气象变量;了解地形限制、地势、地平线和并网。
  • 能源和经济模拟:了解 CSP 发电厂运行中涉及的热过程和电过程以及模拟这些过程所需要的工具;对项目进行经济分析。
  • CSP 元件和系统的现有技术水平:了解不同 CSP 技术中用到的设备和元件(主要包括定日镜、吸收塔及槽式反射镜)的现有技术发展水平和未来技术发展趋势。
  • 方案概念设计阶段、基本设计阶段和详细工程阶段:了解各个阶段所需的设计参数和分析深度。
  • 项目建设:了解项目结构、工作细分、日程安排、主要里程碑以及本阶段面临的主要风险。
  • 运行和维护:了解运行模式及策略、CSP 技术特定维护任务以及项目生命周期内需要考虑的大修计划。

CSP 模拟工具

CSP 发电厂可用太阳能资源的评估及发电量的计算对CSP 项目的成功至关重要。最近,有几例 CSP 发电厂运转不佳的事件见诸报端,为行业名声带来了负面影响。所以,未来的技术要能够达成能源和财务预期,这点非常重要。相应地,在项目开发和工程阶段,能源和经济评估必须精确谨慎地进行。为了进行此类计算,业内已经开发出为CSP 技术专门设计的模拟工具。

模拟方法应满足各种评估意图,根据可用于执行模拟的信息、外界边界条件、预期结果和预计精确度加以制定。模拟工具可用于分析具体项目、支持设计及发电厂或系统的优化、验证可接受性测试结果,甚至可以用于支持具体项目的运行。因此,CSP 行业中有各种类型的模拟工具,其制定层面、详细程度和准确度因各项目阶段的要求不同而有很大差异。因此,鉴于所用模型迥异、计算过程欠缺标准化、融资机构要求计算结果需达到银行可接受程度这些原因,为了统一CSP 模拟工具的计算方法,业界采取了若干措施。其中之一是在SolarPACES[1] 组织的协调和几家行业相关企业的合作下,由 guiSmo[2] 工作组起草了一份建模准则。另外,受德国政府支持的 CSP Bank 也在多家德国公司的参与下,正在起草制定类似的建模准则。DNV GL 始终积极为两种准则的制定提供帮助,贡献自有模拟工具开发过程中积累的专业技术和过往经验。

这些不同的模拟工具标准化方案有一个共同的功能,即:确定用于建模的函数的详细程度,判定预期结果。例如,依照guiSmo 的准则,有专门用于在早期开发阶段(如预可行性研究和可行性研究)执行分析的工具。在此种情况下,通常无法获得详细信息,分析结果的不确定性也较高。其它工具会更适合进行更详尽的可行性研究和特定项目的分析。此外,还会有其它甚至更复杂工具用于招标流程和项目融资。在项目其它阶段(如试运行和∕或运行)执行的分析还可能需要使用特别针对待分析发电厂∕系统调优的、更为精细的模拟工具。

因此,项目要求将决定模拟工具中考虑的详细程度。相应地,理解模型和使用工具所需的专业知识以及工具开发涉及的成本在不同情况下会有很大差异。

开发工具

CSP 模拟工具的开发牵涉到对复杂过程和系统进行建模,需要多学科知识的融合。例如,我们需要了解太阳光线如何射入收集系统、继而反射到吸收塔,又如何转移至传热流体并转化成热能,从而在传统蒸汽轮机系统中生成蒸汽并发电,这一过程是模拟过程的一部分。在此过程中会发生光、热和电损耗,需要针对所涉及的不同系统进行估算。另外,CSP 技术中涉及的热过程的瞬态行为大大增加了发电厂运行模拟和能量模拟的复杂性。设计CSP 技术模拟工具时需考虑的过程包括:太阳光线的瞬态行为、发电厂启动运行和关闭运行、待命运行模式以及工作流体、管道和设备的热惰性等。

因此,这些工具必须由能够提供 CSP 行业相关专业知识和经验的专家参与开发。DNV GL 开发 CRS 和PTC 技术模拟工具的时间已经超过五年。在此期间,我们的工具一直在随着技术的发展而不断改进。为了解各项目阶段的模拟需求,团队中有一位相关专家参与项目开发十分重要。之后会有机械、热过程、电力以及仪表测量与控制(I&C) 领域的专家相继加入到模拟工具开发团队中。在运行模式和策略制定方面,会有在实际CSP 发电厂运维阶段有着丰富经验的专家不断为开发团队提供支持。另外,在定义可用太阳能资源和其它气象变量的定性方法时,太阳辐照方面的专家的意见也起着至关重要的作用。借助良好的业界关系网、紧随最新设计和发展趋势不断更新工具是一项重要工作。最后也是最重要的一点,需要程序员根据专家意见对数据进行编码,创建用户友好型工具。

这些经验告诉我们,深厚的 CSP 技术及相关领域专业知识储备和强大的业界关系网是 CSP 模拟工具开发的关键要素。开发过程相当漫长,而且需紧随行业的发展脚步不断改进更新。

工具内部

根据上述经验,DNV GL 将 CSP 模拟工具分为五大部分:

  • 太阳能资源和场址的评估;
  • 设计阶段;
  • 能量模拟;
  • 经济模拟;
  • 优化过程。

下方图 1 对此进行了图解说明。

 

CSP1 

 1. CSP 工具结构

 

 

模拟过程的第一步是确定发电厂设计、场址环境条件和地界及可用太阳能资源。接下来将根据这些数据和运行数据计算出一整年的发电量。通过优化过程则可依据提供的各种参数为发电厂找到技术经济效益最佳的设计。此过程需对发电厂进行成本分析和财务分析,以在模拟工具中加入经济变量。CSP 工具成功与否的重要衡量标准是看它在设计阶段是否能足够灵活,是否能详细具体地确定全部特定场址环境、设备和运行参数,以便尽可能可靠地重塑各个瞬间,提供精确的能量预估结果。

评估太阳能资源的常规做法是综合来自项目所在地所设气象站的地面测量数据和长期的卫星测得数据。评估的结果是得出适合该场址的典型气象年 (TMY)。此外还会执行白昼类型分析以改进发电厂运行方案。然后这一信息还会连同分析的其它气候特征(包括温度和相对湿度)一同作为输入数据输入到能量模拟工具中。如果是 CRS 技术,则另外还需引入太阳形状和大气衰减这两个数据,用以估算反射到吸收塔上的实际能量。场址评估阶段将评估和应用地平线、场址地形和地界。图 2 展示了场址处的数字地形图 (DTM) 效果。颜色渐变表示现场不同定日镜处于不同海拔高度。

CSP2 

 2. 应用数字地形图

 

设计数据包括对发电厂涉及的所有系统、子系统的描述。主要分为太阳能场设计、管道设计、蓄热设计和发电机组设计。如果是 CSP 模拟工具,那么此阶段最重要的任务是要定制和优化发电厂设备(如泵送系统、存储系统的箱体、热交换器和蒸汽轮机等)的设计和尺寸。对于 CRS 技术而言,太阳能场内需要设定尺寸的主要设备为定日镜和吸收塔(正方形∕圆柱形)。为了模拟发电厂的实际运行,太阳能场内定日镜的定位和滤光、吸收塔的流动型态和定日镜的对准方式必须是可定制的。图 3 展示了一个圆柱形吸收塔的对准策略;图 4 展示了吸收塔上的通量分布结果。对于 PTC 技术而言,最重要的因素是槽式吸收塔的物理模型、太阳能场入射角造成的损耗和太阳能厂的管道设备确定。

CSP3 

 3. 吸收塔的对准点

 

CSP4 

 4. 吸收塔的通量分布图

 

一旦发电厂设计完成,为了模拟发电厂全年运行情境,必须尽可能准确地引入运行参数和运行假设,以反映实际行为。应考虑的事项包括:交付时间表、发电机组启动时间确定、热过程的物理定义、设备部分负载导致的热能和电能消耗的确定、维护计划的制定,等等。模拟的结果是可以对发电厂所有的热过程和电过程进行能量细分,这样便能够单独研究和控制所有系统的性能和设计。在CRS 中,依据太阳能场不同的光效率数据,能够研究太阳能场全年的运行情况,确定效率较低的片区。这就为发电厂设计提供了优化空间。图 5 展示了太阳能场的效率情况,其中效率较低的定日镜标为蓝绿色。

CSP5 

 5. 太阳能场的光效率

 

估算发电厂的成本时,需考虑项目的不同阶段,包括开发阶段、建设阶段和运行阶段。估算的成本包括业主公司与工程公司、采购公司与建筑公司所涉及的全部成本,包括发电厂各系统、子系统的单位成本。估算结果将用于财务模型,财务模型中使用的其它数据包括对假定财务状况(如项目债务和奖励)的描述以及各种分析参数(如关税、国家税和通胀率)。财务分析中估算的是项目的各种财务数据,如平准化电力成本、净现值、内部收益率和投资回报年限。

发电厂优化过程实质就是在数次模拟后找寻最佳方案。有时,在设计阶段引入的一些数据可能需要修改,模拟过程则必须根据需要反复执行。

empty验证挑战

模拟工具需要用真实测量的运行数据加以验证,这在业内是众所周知的事情。CSP 模拟工具的验证相比其它流程工具的验证更为复杂。要验证一个能量模拟工具,确定所需变量尤为重要,模拟工具越复杂,验证中涉及的变量就越多。而当对发电厂性能有重大影响的一些变量难以获得(无论是没有监测,还是难以测量)时,这就成了一个难题。例如,无负压∕无破裂的吸收体管的数量或太阳的形状这两个变量均无法持续进行监测,每个时间步的反射面洁净因子或大气的衰减状况都是难以定性的。

因此,如果验证的时间步长很短,则各种不定因素的权重将无法量化,确定模拟工具调整方法的条件会不足,此时的模拟工具验证可谓难上加难。而这些数据对年度数据的验证却起着至关重要的作用,可以用来判定在分析中要考虑的不确定性级别。

结论

CSP 在中国是朝阳产业,但只有合理的开发才能保证它将来的发展更加长远。中国产业高瞻远瞩,已在向海外实体寻求知识借鉴,以助自身经验的累积。从这个意义上讲,模拟工具在中国 CSP 项目的开发和工程实施中举足轻重。改进后的建模方法将有助行业提供精确的能量和经济数据结果,以达到各利益相关方的预期。