摘要：隨著全球能源結構的持續轉型和對可持續能源技術的不斷追求，太陽能光熱發電作為一種高效利用太陽能的方式受到了廣泛關注?；诠こ谭匠糖蠼廛浖‥ngineering Equation Solver，EES），構建高契合度的太陽能光熱發電系統數學模型，對系統中的熱力過程、能量轉換效率以及關鍵影響因素進行模擬分析，進而提出一系列具有針對性的優化措施。實踐證明，基于EES的太陽能光熱發電系統的性能模擬與優化有助于提高系統光熱發電效率，提升系統的經濟性和環境友好性，降低能源損耗，具有廣闊的應用前景。

引言

太陽能光熱發電技術利用太陽能產生熱能，通過熱能轉換機制產生電能，是解決能源危機和減少溫室氣體排放的有效途徑之一。然而，太陽能光熱發電系統的能量轉換效率和成本效益一直是制約其廣泛應用的關鍵因素。文章基于工程方程求解軟件（Engineering Equation Solver，EES），通過深入分析太陽能光熱發電系統模型的構建要點，探究優化系統性能的措施，以提高系統的光熱發電效率、經濟性以及環境友好性。

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EES在太陽能光熱發電系統中的應用基礎

1.1 EES軟件概述

EES是一款工程方程求解軟件，具備高效的數值計算能力和靈活的方程處理機制，廣泛應用于能源系統分析領域。該軟件的主要功能和特性包括快速求解復雜的非線性方程組、提供廣泛的物性數據以及支持參數化設計和優化分析等。在能源系統分析中，EES能夠模擬各類能源轉換和傳輸過程。

1.2太陽能光熱發電系統的工作原理和基礎構成

太陽能光熱發電系統將太陽能作為主要熱源，通過集熱器捕獲太陽輻射能，并基于特定的集熱和儲能技術將其轉化為熱能，再通過熱交換器等設備將熱能轉換為電能，從而實現連續穩定的電力輸出[1]。系統的關鍵組件包括集熱器、熱儲存單元、熱交換器以及發電機組。其中，集熱器的設計會直接影響整個系統的能量捕獲效率。系統配置與集成應考慮地理位置、氣候條件以及目標發電量等因素，實現最佳的能源捕獲和轉換效率。太陽能光熱發電系統組件，如圖1所示。

圖1  太陽能光熱發電系統組件

1.3 EES模型構建的理論基礎

在構建基于EES的太陽能光熱發電系統模型的過程中，根據在物理層面與數學層面對太陽能光熱發電系統的分析，將復雜的物理過程轉化為數學表達式，尤其關注太陽能接收、熱能轉換以及電能產生等環節[2]。其中，關鍵參數與關鍵變量是構建模型的核心，包括但不限于太陽輻射強度、集熱器效率、工作流體溫度及壓力等，直接影響構建模型的準確性與可靠性。

1.4 EES模型驗證與校準

基于模型驗證過程中與歷史數據或已知案例的對比分析，檢驗模型能否準確預測太陽能光熱發電系統的行為。在校準過程中，對比模擬結果與實驗數據并調整模型參數，以減少偏差。為提升模型的準確性與可靠性，需要對模型進行反復測試，覆蓋各項操作條件，且對模型進行敏感性分析，識別出對結果影響最大的參數[3]。

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EES模擬過程與模型評估

2.1 EES模擬步驟

在利用EES模擬太陽能光熱發電系統時，在參數設置方面，需要為模型設置初始條件，包括太陽輻射強度、環境溫度、集熱器性能參數等。在模擬執行方面，通過EES模擬系統在不同條件下的運行狀態，對輸入參數進行仿真計算[4]。在數據處理與分析方面，EES提供多種工具和函數，如圖表繪制、敏感性分析等，以幫助用戶從復雜的模擬結果中提取有用信息。模擬結果的解讀與應用是將模擬工作轉化為實際應用的關鍵，通過比較不同配置下的系統性能，可以為系統設計和優化提供科學依據。EES模擬流程如圖2所示。

圖2 EES 模擬流程

2.2模型評估

在太陽能光熱發電系統的性能評估中，通過特定的計算方法確定集熱效率、轉換效率等各環節的效率，進而得出各環節的效率指標。針對各環節的效率指標進行綜合評估，得出一個能夠反映系統整體性能的數字指標，即整體系統效率。它體現了系統從收集太陽能到電能轉換全過程的效果，能夠更加全面地描述系統的發電性能和效率，是衡量系統光熱發電效率的重要參考。此外，投資回收期、成本效益等經濟性評價指標為評估系統的經濟性提供了量化標準。在評估環境友好性時，主要評估系統運行對環境造成的潛在影響，如溫室氣體排放量、水資源消耗情況等，對太陽能光熱發電系統的推廣具有重要意義[5]。

2.3模擬中的挑戰與解決方案

在使用EES進行太陽能光熱發電系統模擬的過程中，研究人員面臨多方面的技術難題，尤其是如何為復雜系統建立精確模型并對相關參數進行敏感性分析。此外，模擬過程中的技術難題通常受高度非線性的系統行為、多變量之間復雜的相互作用以及不確定性因素的影響。為應對這些難題，分析參數敏感性成為識別系統對輸入變量變化敏感程度的重要內容，有助于確定影響系統性能的主要因素。

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基于EES的優化實施與未來展望

3.1優化目標

在基于EES對太陽能光熱發電系統進行優化時，需要明確優化目標，綜合設計優化方案。這是提升系統性能、經濟性以及環境友好性的關鍵[6]。首先，提高系統光熱發電效率需要著重提高熱力循環效率。通過優化集熱器性能、提高熱能存儲效率以及使用高質量的材料和組件，最大化系統光熱發電效率。其次，在成本控制與經濟性提升方面，關注技術創新和規模化生產，持續優化系統設計和運行策略，以降低維護和操作成本，提高投資回報率。再次，采用對環境影響較小的材料和技術并優化系統布局，以減少水和土地等資源的占用，通過提高系統光熱發電效率減少單位能源產出造成的環境污染。最后，提升系統運行的可靠性與安全性，重點采用先進的監控和預警系統，實施嚴格的運維管理策略，確保系統長期運行過程中的穩定性和安全性。

3.2優化的措施

從優化初始設計切入，深入分析基于EES的太陽能光熱發電系統的性能優化措施，充分挖掘系統的潛力，確保系統在實際應用過程中的實用性與經濟性[7]。第一，升級集熱器材料。為提高太陽能集熱器的效率，使用高反射率的鍍鋁或鍍鉻玻璃鏡面優化反射器的性能。這些材料能有效反射太陽光并將光線聚焦，從而最大化捕獲熱能。第二，熱能存儲介質采用相變材料（Phase Change Material，PCM）。第三，通過優化熱交換器的設計，最大化熱能傳遞效率。第四，通過調整熱力循環參數，如工作流體的壓力和溫度，使光熱發電系統能夠適應實際工作條件，進一步提高熱力循環的效率。第五，引入智能控制系統，根據實時氣象條件和系統需求，調整集熱器的角度和光照追蹤策略，同時開發并應用預測性維護算法，以降低系統的運營和維護成本。優化前后系統光熱發電效率的比較結果顯示，通過集熱器性能的提升、熱能存儲效率的提高以及熱力循環參數的精確調整等優化措施的實施，系統在不同操作條件下都能穩定、高效地輸出電能[8]。

3.3案例分析

在某太陽能研究所與某大學能源工程系的合作項目中，基于EES和太陽能光熱發電系統的工作原理建立數學模型并進行模擬分析。設置初始模型的集熱器面積為5 000 m2，儲熱容量為1000 MW·h，預期的熱功轉換效率為35.0%。在標準測試條件下的模擬結果顯示，系統的實際效率為32.8%，略低于預期，在部分操作條件下甚至會降至28.0%。由敏感性分析可得，集熱器效率、儲熱系統熱損失及熱功轉換效率是影響系統性能的關鍵因素，需要采取一系列優化措施。例如：清洗集熱器，以減少灰塵積累；使用高反射率的鍍鋁或鍍鉻玻璃鏡面，以減少光損失；改進儲熱系統的保溫技術，以減少熱能損失；采用高效熱交換器設計，以提高熱能利用率；引入高效斯特林發動機，以提高系統光熱發電效率等。通過執行這些優化措施，系統在標準測試條件下的效率提高至36.5%，超過了原設計的預期值，且優化后的系統在不同操作條件下的效率均超過32.0%。不僅將成本回收期從12年縮短至10年，而且實現了每年減少約500t二氧化碳當量的溫室氣體排放，顯著提升了系統的經濟效益和環境效益[9]?；贓ES的太陽能光熱發電系統性能模擬與優化提高了太陽能光熱發電系統的效率，為太陽能光熱發電系統的進一步發展和應用提供了重要支持，為推動能源結構的轉型和環境保護提供了新思路[10]。

3.4發展趨勢與前景展望

利用EES進行性能模擬，探索不斷演進的新技術和優化方法在太陽能光熱發電領域中的應用趨勢，研究太陽能光熱發電系統的改進潛力和發展方向，揭示系統發展面臨的新興挑戰。為系統集成新技術，如應用人工智能算法，以便預測分析。通過提出先進的熱儲存解決方案以及開展傳熱流體創新實驗，進一步提高太陽能光熱發電系統的效率，增強系統對可變太陽輸入的響應能力，促進熱損失最小化[11]。

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結論

文章基于EES對太陽能光熱發電系統進行全面的性能模擬，深化了對太陽能光熱發電系統工作原理和性能特征的理解。根據模擬結果，提出優化的目標和一系列優化措施。通過案例分析，驗證了基于EES的太陽能光熱發電系統性能模擬與優化在實際應用過程中的有效性。隨著新技術和優化方法的不斷更新、對環境保護要求的不斷提高，將EES應用于太陽能光熱發電系統的性能模擬與優化具有廣闊的應用前景。

▏作者：李亞楠 ，謝寅浩 ，陳夢杰

參考文獻：

[1]于洋，楊玉坤，朱浩濤.太陽能光熱電站熔融鹽管道支吊架應力分析[J].科技創新與應用，2024，14（9）：101-104.

[2]仇秋玲，張艷梅，饒萬.光熱發電用熔鹽及儲鹽材料腐蝕行為研究進展[J].材料保護，2024，57（3）：157-165.

[3]王佳忍，何凱，李春雷，等.太陽能光熱催化制氫研究進展[J].工業催化，2024，32（2）：20-25.

[4]曹一崧.太陽能光伏發電與建筑一體化技術在節能建筑中的應用研究[J].光源與照明，2024（1）：116-118.

[5]方宇晨，杜爾順，余揚昊，等.太陽能光熱發電并網的綜合效益量化評估方法[J/OL].中國電機工程學報：1-13（2024-01-09）[2024-0325].https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230444.

[6]高嵩，許繼剛.塔式光熱電站設計國家標準與IEC標準的對比研究[J].電力勘測設計，2023（12）：6-9.

[7]許立國，祁林攀，沈亞軍，等.塔式光熱電站熔鹽儲罐設計優化探討[J].西北水電，2023（6）：113-116.

[8]雷咸道，帥爭峰，張卓群，等.塔式太陽能光熱發電系統原理論述[J].水電與新能源，2023，37（12）：10-13.

[9]梅歡，李天宇.廢棄油井存儲太陽能前景分析[J].能源與節能，2023（12）：30-32.

[10]馬鑫，胡松，張燕平.基于石英螺旋管的腔式太陽能顆粒吸熱器設計及傳熱性能模擬[J].熱力發電，2023，52（12）：29-37.

[11]胡國武，陳維鉛.太陽能光熱發電技術及其發展現狀研究[J].甘肅科技縱橫，2023，52（11）：20-25.