发电技术 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (6): 590-598.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.19143
收稿日期:
2020-03-07
出版日期:
2020-12-31
发布日期:
2021-01-12
作者简介:
张燕平(1971), 女, 博士, 副教授, 主要研究方向为太阳能热发电系统优化, zyp2817@hust.edu.cn基金资助:
Yanping ZHANG1(), Yuchao ZHANG2(
), Yifei LIU2
Received:
2020-03-07
Published:
2020-12-31
Online:
2021-01-12
Supported by:
摘要:
基于概率可靠度对槽式太阳能电站系统配置进行了优化设计。首先,通过SAM软件对建设50 MW槽式太阳能电站进行了模拟,并考虑不确定性因素带来的随机性,结合神经网络-蒙特卡罗法,建立了槽式太阳能电站基于其太阳倍数、蓄热系统蓄热时长以及集热槽行间距3个设计参数的不确定性模型。其次,建立了可靠度计算模型,选取平准化度电成本(levelized cost of energy,LCOE)、容量因子(capacity factor,CF)和总发电效率作为性能评价指标,以各性能评价指标的可靠性指标最优为优化目标,进行了可靠性计算与分析。最后,将不确定性模型下得出的各设计参数的最优配置与确定性模型下的优化结果进行了对比。由于考虑了不确定性因素的影响,不确定性模型下的计算结果更接近实际情况。
中图分类号:
张燕平, 张宇超, 刘易飞. 基于概率可靠度的槽式太阳能电站优化设计[J]. 发电技术, 2020, 41(6): 590-598.
Yanping ZHANG, Yuchao ZHANG, Yifei LIU. Optimization Design of Trough Solar Power Plant Based on Probabilistic Reliability[J]. Power Generation Technology, 2020, 41(6): 590-598.
项目 | 参数 | 数值 |
气象数据 | 经度/(°) | 91.15 |
纬度/(°) | 29.65 | |
太阳直接辐射量/[(kW∙h)·m−2·d−1] | 7.12 | |
集热系统 | 太阳倍数 | 1~6 |
集热槽行间距/m | 15~31 | |
集热器类型 | Sloargenix SGX-1 | |
镜面反射率 | 0.935 | |
镜面清洁度 | 0.97 | |
集热管类型 | 2008 Schott PTR70 | |
集热管吸收率 | 0.96 | |
集热管透过率 | 0.963 | |
导热工质 | Therminol VP-1 | |
集热场进(出)口温度/℃ | 293(391) | |
发电系统 | 机组净输出功率/MW | 50 |
机组总输出功率/MW | 55 | |
汽轮机组发电效率 | 0.373 6 | |
蓄热系统 | 全负荷当量时间/h | 0~16 |
最大蓄热量/(MW∙h) | 0~2 376.88 | |
热损失/MW | 0.97 |
表1 槽式太阳能热发电系统设计参数
Tab. 1 Design parameters of trough solar thermal power system
项目 | 参数 | 数值 |
气象数据 | 经度/(°) | 91.15 |
纬度/(°) | 29.65 | |
太阳直接辐射量/[(kW∙h)·m−2·d−1] | 7.12 | |
集热系统 | 太阳倍数 | 1~6 |
集热槽行间距/m | 15~31 | |
集热器类型 | Sloargenix SGX-1 | |
镜面反射率 | 0.935 | |
镜面清洁度 | 0.97 | |
集热管类型 | 2008 Schott PTR70 | |
集热管吸收率 | 0.96 | |
集热管透过率 | 0.963 | |
导热工质 | Therminol VP-1 | |
集热场进(出)口温度/℃ | 293(391) | |
发电系统 | 机组净输出功率/MW | 50 |
机组总输出功率/MW | 55 | |
汽轮机组发电效率 | 0.373 6 | |
蓄热系统 | 全负荷当量时间/h | 0~16 |
最大蓄热量/(MW∙h) | 0~2 376.88 | |
热损失/MW | 0.97 |
性能评价指标 | 允许下限 | 允许上限 |
容量因子/% | 54.60 | — |
LCOE/[美分/(kW∙h)] | — | 17.12[ |
总发电效率/% | 13.5 | — |
表2 各性能评价指标的允许极限
Tab. 2 Allowable limits for each key performance indicator
性能评价指标 | 允许下限 | 允许上限 |
容量因子/% | 54.60 | — |
LCOE/[美分/(kW∙h)] | — | 17.12[ |
总发电效率/% | 13.5 | — |
设计参数 | 均值 | 方差 |
太阳倍数 | 1~6 | 0.50 |
蓄热系统蓄热时长/h | 0~16 | 0.90 |
集热槽行间距/m | 15~31 | 2.25 |
表3 各设计参数的分布参数
Tab. 3 Distribution parameters of each parameter
设计参数 | 均值 | 方差 |
太阳倍数 | 1~6 | 0.50 |
蓄热系统蓄热时长/h | 0~16 | 0.90 |
集热槽行间距/m | 15~31 | 2.25 |
最优指标 | XSM | T/h | D/m | β1 | β2 | β3 |
LCOE | 3.84 | 13.57 | 19.28 | 2.31 | 8.37 | −0.26 |
CF | 6.00 | 15.97 | 29.12 | 10.81 | 2.34 | −3.57 |
η | 2.45 | 15.91 | 30.32 | −0.34 | −0.80 | 6.24 |
表4 基于不同性能评价指标的最优配置及其可靠性计算结果
Tab. 4 Optimal configuration based on different key performance indicators and its reliability calculation results
最优指标 | XSM | T/h | D/m | β1 | β2 | β3 |
LCOE | 3.84 | 13.57 | 19.28 | 2.31 | 8.37 | −0.26 |
CF | 6.00 | 15.97 | 29.12 | 10.81 | 2.34 | −3.57 |
η | 2.45 | 15.91 | 30.32 | −0.34 | −0.80 | 6.24 |
图4 基于LCOE最优的设计参数配置下LCOE的累积概率与发生概率分布
Fig.4 Cumulative probability and occurrence probability distribution for LCOE of optimal parameter configuration based on LCOE
图5 基于LCOE最优的设计参数配置下容量因子的累积概率与发生概率分布
Fig.5 Cumulative probability and occurrence probability distribution for capacity factor of optimal parameter configuration based on LCOE
图6 基于LCOE最优的设计参数配置下总发电效率的累积概率与发生概率分布
Fig.6 Cumulative probability and occurrence probability distribution for total generation efficiency of optimal parameter configuration based on LCOE
图7 基于容量因子最优的设计参数配置下容量因子的累积概率与发生概率分布
Fig.7 Cumulative probability and occurrence probability distribution for capacity factor of optimal parameter configuration based on capacity factor
图8 基于容量因子最优的设计参数配置下LCOE的累积概率与发生概率分布
Fig.8 Cumulative probability and occurrence probability distribution for LCOE of optimal parameter configuration based on capacity factor
图9 基于容量因子最优的设计参数配置下总发电效率的累积概率与发生概率分布
Fig.9 Cumulative probability and occurrence probability distribution for total generation efficiency of optimal parameter configuration based on capacity factor
图10 基于总发电效率最优的设计参数配置下总发电效率的累积概率与发生概率分布
Fig.10 Cumulative and occurrence probability distribution for total generation efficiency of optimal parameter configuration based on total generation efficiency
图11 基于总效率最优的设计参数配置下LCOE的累积概率与发生概率分布
Fig.11 Cumulative and occurrence probability distribution for LCOE of optimal parameter configuration based on total generation efficiency
图12 基于总发电效率最优的设计参数配置下容量因子的累积概率与发生概率分布
Fig.12 Cumulative and occurrence probability distribution for capacity factor of optimal parameter configuration based on total generation efficiency
模型 | 优化结果 | 太阳倍数 | 蓄热时长/h | 行间距/m | CF/% | LCOE/[美分/(kW∙h)] | η/% |
确定性模型 | LCOE最优 | 3.88 | 13.58 | 18.50 | 69.36 | 14.05 | 13.90 |
CF最优 | 6.00 | 16.00 | 26.71 | 82.95 | 15.54 | 10.75 | |
η最优 | 2.56 | 16.00 | 27.50 | 51.70 | 16.78 | 15.70 | |
不确定性模型 | LCOE最优 | 3.84 | 13.57 | 19.28 | 65.28 | 14.33 | 13.26 |
CF最优 | 6.00 | 15.97 | 29.12 | 79.28 | 15.67 | 10.50 | |
η最优 | 2.45 | 15.91 | 30.32 | 46.91 | 18.17 | 15.00 |
表5 确定性与不确定性模型优化结果对比
Tab. 5 Comparison of deterministic and uncertainty model optimization results
模型 | 优化结果 | 太阳倍数 | 蓄热时长/h | 行间距/m | CF/% | LCOE/[美分/(kW∙h)] | η/% |
确定性模型 | LCOE最优 | 3.88 | 13.58 | 18.50 | 69.36 | 14.05 | 13.90 |
CF最优 | 6.00 | 16.00 | 26.71 | 82.95 | 15.54 | 10.75 | |
η最优 | 2.56 | 16.00 | 27.50 | 51.70 | 16.78 | 15.70 | |
不确定性模型 | LCOE最优 | 3.84 | 13.57 | 19.28 | 65.28 | 14.33 | 13.26 |
CF最优 | 6.00 | 15.97 | 29.12 | 79.28 | 15.67 | 10.50 | |
η最优 | 2.45 | 15.91 | 30.32 | 46.91 | 18.17 | 15.00 |
1 | 佟锴, 杨立军, 宋记锋, 等. 聚光太阳能集热场先进技术综述[J]. 发电技术, 2019, 40 (5): 413- 425. |
TONG K , YANG L J , SONG J F , et al. Review on advanced technology of concentrated solar power concentrators[J]. Power Generation Technology, 2019, 40 (5): 413- 425. | |
2 | 张哲旸, 巨星, 潘信宇, 等. 太阳能光伏-光热复合发电技术及其商业化应用[J]. 发电技术, 2020, 41 (3): 220- 230. |
ZHANG Z Y , JU X , PAN X Y , et al. Photovoltaic/concentrated solar power hybrid technology and its commercial application[J]. Power Generation Technology, 2020, 41 (3): 220- 230. | |
3 | 赵明智, 张晓明, 宋士金, 等. 槽式太阳能热发电系统太阳倍数和蓄热时长的选取方法研究[J]. 太阳能技术产品与工程, 2015, (6): 50- 54. |
ZHAO M Z , ZHANG X M , SONG S J , et al. Study on the selection method of solar multiple and heat storage duration of trough solar thermal power generation system[J]. Solar Technology Products and Engineering, 2015, (6): 50- 54. | |
4 |
李然, 封春菲, 田增华. 槽式太阳能热发电站系统配置的经济性分析[J]. 电力勘测设计, 2015, (1): 71- 75.
DOI |
LI R , FENG C F , TIAN Z H . Economic analysis of system configuration of trough solar thermal power station[J]. Electric Power Survey and Design, 2015, (1): 71- 75.
DOI |
|
5 |
IZQUIERDO S , MONTAÑŚ C , DOPAZO C , et al. Analysis of CSP plants for the definition of energy policies:the influence on electricity cost of solar multiples, capacity factors and energy storage[J]. Energy Policy, 2010, 38 (10): 6215- 6221.
DOI |
6 |
HU M , CHO H . A probability constrained multi-objective optimization model for CCHP system operation decision support[J]. Applied Energy, 2014, 116, 230- 242.
DOI |
7 |
HANAK D P , KOLIOS A J , BILIYOK C , et al. Probabilistic performance assessment of a coal-fired power plant[J]. Applied Energy, 2015, 139, 350- 364.
DOI |
8 | 牛文娟, 李扬, 王蓓蓓. 考虑不确定性的需求响应虚拟电厂建模[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34 (22): 3630- 3637. |
NIU W J , LI Y , WANG B B . Modeling of demand response virtual power plant considering uncertainty[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34 (22): 3630- 3637. | |
9 | FREY H C , RUBIN E S . Probabilistic evaluation of advanced SO2/NOx control technology[J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 1991, 41 (12): 1585- 1593. |
10 | KURUP P, TURCHI C.Parabolic trough collector cost update for the system advisor model (SAM)[R]. Golden, Colorado, USA: National Renewable Energy Laboratory, 2015. |
11 | TURCHI C, HEATH G.Molten salt power tower cost model for the system advisor model[R].Golden, Colorado, USA: National Renewable Energy Laboratory, 2013. |
12 |
BOUKELIA T E , MECIBAH M S , KUMAR B N , et al. Optimization, selection and feasibility study of solar parabolic trough power plants for Algerian conditions[J]. Energy Conversion and Management, 2015, 101, 450- 459.
DOI |
13 | 王慧富, 吴玉庭, 张晓明. 槽式太阳能热发电站的模拟优化[J]. 太阳能学报, 2018, 39 (7): 1788- 1796. |
WANG H F , WU Y T , ZHANG X M . Simulation and optimization of trough solar thermal power station[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2018, 39 (7): 1788- 1796. | |
14 | 国家发展改革委.关于太阳能热发电标杆上网电价政策的通知[Z].北京: 国家发展改革委, 2016. |
National Development and Reform Commission. Notice on the benchmarking on-grid tariff policy for solar thermal power generation[Z].Beijing: National Development and Reform Commission, 2016. | |
15 |
段楠, 薛会民, 潘越. 用蒙特卡洛法计算可靠度时模拟次数的选择[J]. 煤矿机械, 2002, (3): 13- 14.
DOI |
DUAN N , XUE H M , PAN Y . The choice of simulation times when calculating reliability by Monte Carlo method[J]. Coal Mine Machinery, 2002, (3): 13- 14.
DOI |
|
16 | HELTON J, DAVIS F.Sampling-based methods for uncertainty and sensitivity analysis[R].USA: Sandia National Laboratories, 2000. |
17 | WYSS G, JORGENSEN K.A user's guide to LHS: Sandia's Latin hypercube sampling software[R].USA: Sandia National Laboratories, 1998. |
[1] | 叶健强, 孙敦虎. 碳交易条件下基于鲁棒优化的电源规划研究[J]. 发电技术, 2024, 45(3): 566-574. |
[2] | 付小标, 侯嘉琪, 李宝聚, 温亚坤, 赖晓文, 郭雷, 王志伟, 王尧, 张海锋, 李德鑫. 一种二模态天气分型方法及其在光伏功率概率预测的应用[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 299-311. |
[3] | 邵宜祥, 刘剑, 胡丽萍, 过亮, 方渊, 李睿. 一种改进组合神经网络的超短期风速预测方法研究[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 323-330. |
[4] | 贾晓强, 杨永标, 杜姣, 甘海庆, 杨楠. 气候变化条件下基于智能预测模型的虚拟电厂不确定性运行优化研究[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 790-799. |
[5] | 刘展, 包琰洋, 李大字. 基于重采样降噪与主成分分析的宽卷积深度神经网络风机故障诊断方法[J]. 发电技术, 2023, 44(6): 824-832. |
[6] | 罗志刚, 何成兵, 孟浩然, 刘国栋, 沈鹏, 张军, 张浩亮. 燃煤电厂SCR脱硝系统精准控氨优化方法研究[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 525-533. |
[7] | 苏靖程, 王志强, 屈江江, 张凯. 基于BP神经网络和支持向量回归的燃煤电厂空气预热器压差预测[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 550-556. |
[8] | 安吉振, 郑福豪, 刘一帆, 陈衡, 徐钢. 基于大数据分析的火电机组引风机故障预警研究[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 557-564. |
[9] | 张立峰, 李晶, 王智. 基于主成分分析和深度神经网络的声学层析成像温度分布重建[J]. 发电技术, 2023, 44(3): 399-406. |
[10] | 董光德, 李道明, 陈咏涛, 马兴, 付昂, 穆钢, 肖白. 基于粒子群优化与卷积神经网络的电能质量扰动分类方法[J]. 发电技术, 2023, 44(1): 136-142. |
[11] | 张永蕊, 阎洁, 林爱美, 韩爽, 刘永前. 多点数值天气预报风速和辐照度集中式修正方法研究[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 278-286. |
[12] | 时浩, 肖海平, 刘彦鹏. 基于BP神经网络和最小二乘支持向量机的灰熔点预测和对比[J]. 发电技术, 2022, 43(1): 139-146. |
[13] | 李亚光, 李蒙. 基于深度小世界神经网络的风电机组异常检测[J]. 发电技术, 2021, 42(3): 313-321. |
[14] | 黄树帮, 陈耀, 金宇清. 碳中和背景下多通道特征组合超短期风电功率预测[J]. 发电技术, 2021, 42(1): 60-68. |
[15] | 温佳鑫, 卜思齐, 陈麒宇, 周博文. 基于数据学习的新能源高渗透电网频率风险评估[J]. 发电技术, 2021, 42(1): 40-47. |
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