摘要：隨著全球能源結(jié)構(gòu)的持續(xù)轉(zhuǎn)型和對可持續(xù)能源技術(shù)的不斷追求，太陽能光熱發(fā)電作為一種高效利用太陽能的方式受到了廣泛關(guān)注?；诠こ谭匠糖蠼廛浖‥ngineering Equation Solver，EES），構(gòu)建高契合度的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)中的熱力過程、能量轉(zhuǎn)換效率以及關(guān)鍵影響因素進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而提出一系列具有針對性的優(yōu)化措施。實(shí)踐證明，基于EES的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的性能模擬與優(yōu)化有助于提高系統(tǒng)光熱發(fā)電效率，提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性，降低能源損耗，具有廣闊的應(yīng)用前景。

引言

太陽能光熱發(fā)電技術(shù)利用太陽能產(chǎn)生熱能，通過熱能轉(zhuǎn)換機(jī)制產(chǎn)生電能，是解決能源危機(jī)和減少溫室氣體排放的有效途徑之一。然而，太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率和成本效益一直是制約其廣泛應(yīng)用的關(guān)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(fā)電系統(tǒng)模型的構(gòu)建要點(diǎn)，探究優(yōu)化系統(tǒng)性能的措施，以提高系統(tǒng)的光熱發(fā)電效率、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境友好性。

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EES在太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用基礎(chǔ)

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(shù)值計(jì)算能力和靈活的方程處理機(jī)制，廣泛應(yīng)用于能源系統(tǒng)分析領(lǐng)域。該軟件的主要功能和特性包括快速求解復(fù)雜的非線性方程組、提供廣泛的物性數(shù)據(jù)以及支持參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析等。在能源系統(tǒng)分析中，EES能夠模擬各類能源轉(zhuǎn)換和傳輸過程。

1.2太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的工作原理和基礎(chǔ)構(gòu)成

太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)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(shù)將其轉(zhuǎn)化為熱能，再通過熱交換器等設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)換為電能，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的電力輸出[1]。系統(tǒng)的關(guān)鍵組件包括集熱器、熱儲存單元、熱交換器以及發(fā)電機(jī)組。其中，集熱器的設(shè)計(jì)會直接影響整個系統(tǒng)的能量捕獲效率。系統(tǒng)配置與集成應(yīng)考慮地理位置、氣候條件以及目標(biāo)發(fā)電量等因素，實(shí)現(xiàn)最佳的能源捕獲和轉(zhuǎn)換效率。太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)組件，如圖1所示。

圖1  太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)組件

1.3 EES模型構(gòu)建的理論基礎(chǔ)

在構(gòu)建基于EES的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)模型的過程中，根據(jù)在物理層面與數(shù)學(xué)層面對太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的分析，將復(fù)雜的物理過程轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)表達(dá)式，尤其關(guān)注太陽能接收、熱能轉(zhuǎn)換以及電能產(chǎn)生等環(huán)節(jié)[2]。其中，關(guān)鍵參數(shù)與關(guān)鍵變量是構(gòu)建模型的核心，包括但不限于太陽輻射強(qiáng)度、集熱器效率、工作流體溫度及壓力等，直接影響構(gòu)建模型的準(zhǔn)確性與可靠性。

1.4 EES模型驗(yàn)證與校準(zhǔn)

基于模型驗(yàn)證過程中與歷史數(shù)據(jù)或已知案例的對比分析，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ湍芊駵?zhǔn)確預(yù)測太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的行為。在校準(zhǔn)過程中，對比模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并調(diào)整模型參數(shù)，以減少偏差。為提升模型的準(zhǔn)確性與可靠性，需要對模型進(jìn)行反復(fù)測試，覆蓋各項(xiàng)操作條件，且對模型進(jìn)行敏感性分析，識別出對結(jié)果影響最大的參數(shù)[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(fā)電系統(tǒng)時，在參數(shù)設(shè)置方面，需要為模型設(shè)置初始條件，包括太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、集熱器性能參數(shù)等。在模擬執(zhí)行方面，通過EES模擬系統(tǒng)在不同條件下的運(yùn)行狀態(tài)，對輸入?yún)?shù)進(jìn)行仿真計(jì)算[4]。在數(shù)據(jù)處理與分析方面，EES提供多種工具和函數(shù)，如圖表繪制、敏感性分析等，以幫助用戶從復(fù)雜的模擬結(jié)果中提取有用信息。模擬結(jié)果的解讀與應(yīng)用是將模擬工作轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵，通過比較不同配置下的系統(tǒng)性能，可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。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(fā)電系統(tǒng)的性能評估中，通過特定的計(jì)算方法確定集熱效率、轉(zhuǎn)換效率等各環(huán)節(jié)的效率，進(jìn)而得出各環(huán)節(jié)的效率指標(biāo)。針對各環(huán)節(jié)的效率指標(biāo)進(jìn)行綜合評估，得出一個能夠反映系統(tǒng)整體性能的數(shù)字指標(biāo)，即整體系統(tǒng)效率。它體現(xiàn)了系統(tǒng)從收集太陽能到電能轉(zhuǎn)換全過程的效果，能夠更加全面地描述系統(tǒng)的發(fā)電性能和效率，是衡量系統(tǒng)光熱發(fā)電效率的重要參考。此外，投資回收期、成本效益等經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)為評估系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性提供了量化標(biāo)準(zhǔn)。在評估環(huán)境友好性時，主要評估系統(tǒng)運(yùn)行對環(huán)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(fā)電系統(tǒng)的推廣具有重要意義[5]。

2.3模擬中的挑戰(zhàn)與解決方案

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

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基于EES的優(yōu)化實(shí)施與未來展望

3.1優(yōu)化目標(biāo)

在基于EES對太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時，需要明確優(yōu)化目標(biāo)，綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。這是提升系統(tǒng)性能、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境友好性的關(guān)鍵[6]。首先，提高系統(tǒng)光熱發(fā)電效率需要著重提高熱力循環(huán)效率。通過優(yōu)化集熱器性能、提高熱能存儲效率以及使用高質(zhì)量的材料和組件，最大化系統(tǒng)光熱發(fā)電效率。其次，在成本控制與經(jīng)濟(jì)性提升方面，關(guān)注技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)模化生產(chǎn)，持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略，以降低維護(hù)和操作成本，提高投資回報(bào)率。再次，采用對環(huán)境影響較小的材料和技術(shù)并優(yōu)化系統(tǒng)布局，以減少水和土地等資源的占用，通過提高系統(tǒng)光熱發(fā)電效率減少單位能源產(chǎn)出造成的環(huán)境污染。最后，提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性，重點(diǎn)采用先進(jìn)的監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)施嚴(yán)格的運(yùn)維管理策略，確保系統(tǒng)長期運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和安全性。

3.2優(yōu)化的措施

從優(yōu)化初始設(shè)計(jì)切入，深入分析基于EES的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的性能優(yōu)化措施，充分挖掘系統(tǒng)的潛力，確保系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中的實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)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(yōu)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(zhì)采用相變材料（Phase Change Material，PCM）。第三，通過優(yōu)化熱交換器的設(shè)計(jì)，最大化熱能傳遞效率。第四，通過調(diào)整熱力循環(huán)參數(shù)，如工作流體的壓力和溫度，使光熱發(fā)電系統(tǒng)能夠適應(yīng)實(shí)際工作條件，進(jìn)一步提高熱力循環(huán)的效率。第五，引入智能控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)時氣象條件和系統(tǒng)需求，調(diào)整集熱器的角度和光照追蹤策略，同時開發(fā)并應(yīng)用預(yù)測性維護(hù)算法，以降低系統(tǒng)的運(yùn)營和維護(hù)成本。優(yōu)化前后系統(tǒng)光熱發(fā)電效率的比較結(jié)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(huán)參數(shù)的精確調(diào)整等優(yōu)化措施的實(shí)施，系統(tǒng)在不同操作條件下都能穩(wěn)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(xué)能源工程系的合作項(xiàng)目中，基于EES和太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的工作原理建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行模擬分析。設(shè)置初始模型的集熱器面積為5 000 m2，儲熱容量為1000 MW·h，預(yù)期的熱功轉(zhuǎn)換效率為35.0%。在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的模擬結(jié)果顯示，系統(tǒng)的實(shí)際效率為32.8%，略低于預(yù)期，在部分操作條件下甚至?xí)抵?8.0%。由敏感性分析可得，集熱器效率、儲熱系統(tǒng)熱損失及熱功轉(zhuǎn)換效率是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，需要采取一系列優(yōu)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(jìn)儲熱系統(tǒng)的保溫技術(shù)，以減少熱能損失；采用高效熱交換器設(shè)計(jì)，以提高熱能利用率；引入高效斯特林發(fā)動機(jī)，以提高系統(tǒng)光熱發(fā)電效率等。通過執(zhí)行這些優(yōu)化措施，系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的效率提高至36.5%，超過了原設(shè)計(jì)的預(yù)期值，且優(yōu)化后的系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)了每年減少約500t二氧化碳當(dāng)量的溫室氣體排放，顯著提升了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[9]?；贓ES的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)性能模擬與優(yōu)化提高了太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的效率，為太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供了重要支持，為推動能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)提供了新思路[10]。

3.4發(fā)展趨勢與前景展望

利用EES進(jìn)行性能模擬，探索不斷演進(jìn)的新技術(shù)和優(yōu)化方法在太陽能光熱發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用趨勢，研究太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的改進(jìn)潛力和發(fā)展方向，揭示系統(tǒng)發(fā)展面臨的新興挑戰(zhàn)。為系統(tǒng)集成新技術(shù)，如應(yīng)用人工智能算法，以便預(yù)測分析。通過提出先進(jìn)的熱儲存解決方案以及開展傳熱流體創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提高太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的效率，增強(qiáng)系統(tǒng)對可變太陽輸入的響應(yīng)能力，促進(jìn)熱損失最小化[11]。

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結(jié)論

文章基于EES對太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行全面的性能模擬，深化了對太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理和性能特征的理解。根據(jù)模擬結(jié)果，提出優(yōu)化的目標(biāo)和一系列優(yōu)化措施。通過案例分析，驗(yàn)證了基于EES的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)性能模擬與優(yōu)化在實(shí)際應(yīng)用過程中的有效性。隨著新技術(shù)和優(yōu)化方法的不斷更新、對環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，將EES應(yīng)用于太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的性能模擬與優(yōu)化具有廣闊的應(yīng)用前景。

▏作者：李亞楠 ，謝寅浩 ，陳夢杰

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