一、已投產(chǎn)塔式電站實際表現(xiàn)

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

從上表可以看出，在長達五年甚至更長的性能爬坡期后，除德令哈外，第一批塔式電站的實際表現(xiàn)與設(shè)計數(shù)據(jù)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刨析這個問題，希望對業(yè)主和勘查設(shè)計單位進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)特點決定了其性能非常容易受場址環(huán)境條件的影響。當(dāng)場址風(fēng)、云、沙塵、大氣通透度等環(huán)境條件比較惡劣時，塔式電站的實際出力將寬幅震蕩，這就造成了場址環(huán)境條件較差的項目有時單日發(fā)電量單月發(fā)電量表現(xiàn)不錯，但全年下來就難以達產(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(nèi)的太陽輻射，有利于鏡場大規(guī)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(dāng)環(huán)境風(fēng)速增加時，對散熱的影響尤為明顯。因風(fēng)速跟高度呈一定的指數(shù)關(guān)系，在地面風(fēng)速一定時，實際的散熱還會受到塔高的影響。根據(jù)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(biāo)高；

為地面粗糙度指數(shù)，取值0.12-0.30；

如地面粗糙度為0.15時，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(jié)果，以10米高風(fēng)速2m/s的總散熱量作為基準(zhǔn)值（100%）。隨著風(fēng)速的增加，對流換熱部分帶來的熱損失快速增加。在風(fēng)速提高到10m/s時，對流換熱損失大約變?yōu)?m/s時的3倍，總熱損變?yōu)?.76倍。風(fēng)速提高到20m/s時，總散熱變?yōu)?.68倍。按照100MW汽機所需熱量230MWt算，在12m/s時散熱相對于該熱量的比值已超過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(qū)域DNI&gt；0時段對應(yīng)風(fēng)速情況

在DNI&gt；0時，哈密地區(qū)風(fēng)速低于5m/s的時段僅占41%，而高于10m/s的時段接近30%。相對地，右圖德令哈地區(qū)86%時段風(fēng)速低于5m/s，高于10m/s的時段僅為1%。顯而易見，僅從散熱角度考慮，哈密對應(yīng)區(qū)域?qū)ㄔO(shè)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，定日鏡的承擔(dān)將太陽光反射到吸熱器的責(zé)任，當(dāng)定日鏡反射光斑完整投射到吸熱器上時，攔截率最高，光熱效率也最高。光斑誤差是多個因素綜合影響的結(jié)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、大氣折射和吸熱塔擺動等因素影響。

隨著單體商業(yè)化電站規(guī)模的增加，吸熱塔的高度越來越高，且向著自振頻率低、阻尼小的方向發(fā)展。吸熱塔長細比越大，其Scruton數(shù)越小，在風(fēng)載荷作用下極易產(chǎn)生大幅度振動還可能造成塔體結(jié)構(gòu)損傷。事實上，高聳結(jié)構(gòu)因渦激振動而造成疲勞或強度破壞的現(xiàn)象時有發(fā)生。目前，對吸熱塔進行風(fēng)振響應(yīng)特性與減振控制的研究還很少見。

對定日鏡，風(fēng)壓會造成其型面變形改變反射光斑的形狀，同時也會引起入射光法線的偏移，從而使反射光斑的投射位置出現(xiàn)偏差。目前，如何在不同的風(fēng)速、風(fēng)向條件下，對集熱場數(shù)萬個不同姿態(tài)的定日鏡進行整體流場模擬分析以確定每個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)過長距離光程的放大后，為定日鏡正確對焦造成了很大困難，會導(dǎo)致出現(xiàn)冷熱斑、焦點偏離、溢出損失等現(xiàn)象。嚴(yán)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，如不進行關(guān)場等操作，極易出現(xiàn)超出溫度允許范圍，熱應(yīng)力增大，損壞吸熱器的現(xiàn)象。

上表可以看出，光程1000m，當(dāng)入射光法線偏移3mrad，反射光偏移可達6m，而當(dāng)光程達到2000m時，誤差5mard時，偏移量已經(jīng)高達20m，這個已經(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(zhǔn)值；當(dāng)光斑誤差達到4mrad時，發(fā)電量較基準(zhǔn)下降20%；5mrad時，發(fā)電量較基準(zhǔn)下降幅度為30%。在目前設(shè)計計算時，往往只用定日鏡面型精度數(shù)值代替光斑誤差進行計算，從而極大低估了實際性能損失。

可以預(yù)見，高風(fēng)速一定會對單柱展弦式結(jié)構(gòu)的定日鏡產(chǎn)生擾動偏差，風(fēng)速較大時預(yù)計定日鏡的校準(zhǔn)工作也會受到影響，在風(fēng)電出力較好的地區(qū)建設(shè)和運行塔式電站，建議在發(fā)電量計算時一定要做好有效DNI范圍內(nèi)的風(fēng)力統(tǒng)計，并根據(jù)不同型號定日鏡在不同風(fēng)速下的變形量測定數(shù)據(jù)對發(fā)電量進行科學(xué)的折減計算，避免高估設(shè)計發(fā)電量導(dǎo)致運行發(fā)電量偏離過大。

圖6受風(fēng)影響實際運行中塔頂吸熱器

四、云遮對塔式運營的影響

云層遮擋是引起太陽直接輻射驟變的主要因素。當(dāng)云層離開或遮擋太陽時，會引起到達鏡場的DNI發(fā)生驟變，由鏡場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聚焦方式，除了受云遮引起的輻照減少影響外，無其他重大影響。

而對于塔式，這會導(dǎo)致吸熱器的內(nèi)外表面的熱應(yīng)力發(fā)生突變。熱應(yīng)力的突然變化會造成吸熱器的變形，縮短其使用壽命，嚴(yán)重時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(yù)測才能夠滿足塔式光熱電站的運行要求，目前這點很難做到。如果能提前預(yù)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(xiàn)云層突然離開造成鏡場能量突升，對吸熱器造成沖擊的情況，直到云層完全離開太陽后，再重新投入鏡場。

圖7塔式有云日棄光情況（來源：CPC2017杭州光熱大會浙江中控）

根據(jù)業(yè)內(nèi)公開的研究數(shù)據(jù)，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(qū)氣象站有時候很難準(zhǔn)確反映某個項目所在位置的氣象情況。如不提前對電站場址進行較長期的微觀的氣象數(shù)據(jù)實測和采集，科學(xué)的評估云遮待機工況對實際可用DNI的影響，塔式電站的設(shè)計發(fā)電量和實際可能會出現(xiàn)很大偏差。

五、大氣通透度對塔式光程衰減的影響

太陽光在大氣中傳播過程中，由于灰塵、顆粒物、氣溶膠、空氣濕度等客觀存在的因素，太陽光強度會隨著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光能量與反射鏡面到吸熱元件的光程長度、當(dāng)?shù)卮髿馔ㄍ付扔兄懿豢煞值穆?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

槽式光熱電站和線性菲涅爾的反射光程短，反射鏡面到集熱管的距離僅數(shù)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。

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

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

因此，當(dāng)項目廠址位于沙漠、戈壁灘、荒地或風(fēng)較大的地區(qū)時，大氣通透度對反射光程最長的塔式電站影響最大，實際到達塔頂吸熱器的太陽光能量衰減更高，這種衰減將嚴(yán)重影響塔式電站的發(fā)電量表現(xiàn)。

六、運行可靠性

國際上商業(yè)化塔式電站投運后均出現(xiàn)了質(zhì)量問題，塔式電站最易出現(xiàn)運行故障的是塔頂吸熱器與高溫儲熱罐，國際上有多個電站出現(xiàn)此故障，直接導(dǎo)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(shè)備故障投運后8個月發(fā)電連續(xù)性差，發(fā)電量低，2016年10月-2017年7月熔鹽儲罐泄露導(dǎo)致長時間停機維修。2019年4月，熔鹽罐再次出現(xiàn)問題，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著了塔頂線纜及管道，導(dǎo)致著火，吸熱塔停運。

西班牙Gemasolar熔鹽塔式電站，2016年底，熔鹽儲罐基礎(chǔ)及罐底損壞導(dǎo)致長時間停運維修。

近年投運的摩洛哥NoorⅢ塔式光熱太陽能電站同樣出現(xiàn)了熔鹽罐泄露問題。

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(wěn)定，造成熱鹽罐頻繁受冷熱沖擊而導(dǎo)致?lián)p壞。

可靠性是由各自技術(shù)特點決定的，不同于使用真空結(jié)構(gòu)集熱管的槽式、線菲，塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)吸熱裝置裸露在大氣中，吸熱器表面溫度會劇烈交變而產(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(shè)計階段，對設(shè)備可用率的估算不足，也是造成設(shè)計值與實際值發(fā)生較大偏差的重要原因。

七、小結(jié)

綜合以上分析，目前采用的熔鹽塔式技術(shù)由于其自身技術(shù)特點的原因，其實際運行的發(fā)電量受廠址自然環(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(shè)計單位在可行性研階段應(yīng)該落實微觀選址研究工作，獲取地面風(fēng)速、高空風(fēng)速、空氣可見度、空氣濕度、云遮時段累計等關(guān)鍵邊界條件的實測數(shù)據(jù)并進行科學(xué)統(tǒng)計，在發(fā)電量計算過程中引入這些參數(shù)科學(xué)評估影響，以得到較為可信的設(shè)計發(fā)電量。在廠址條件較差的沙戈荒地區(qū)，微觀選址數(shù)據(jù)不完整的情況下，對塔式電站的發(fā)電量預(yù)估不應(yīng)該過于樂觀，按常規(guī)測算的60%-70%來設(shè)定塔式項目的可研發(fā)電量或許更符合實際情況。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)走過了近30年的歷史，科學(xué)的認(rèn)識這項技術(shù)的優(yōu)勢和缺陷，推動勘察設(shè)計和運行技術(shù)的改善，科學(xué)的進行項目選址和發(fā)電量評估，才能促進這項技術(shù)和產(chǎn)業(yè)長期健康發(fā)展。