太阳能热发电是通过聚集太阳辐射获得热能，将热能转化成高温蒸汽驱动蒸汽轮机来发电的。当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为太阳能槽式发电、太阳能塔式热发电、太阳能碟式热发电和线性菲涅尔式热发电。本文主要以太阳能槽式发电为例来对太阳能热发电厂厂用电率的计算方法进行分析。该方法可供其它型式的太阳能热发电厂参考。

槽式太阳能热发电系统是利用抛物面槽式反射镜将阳光聚焦到位于焦线上的集热管上，管内的传热工质被加热后，通过换热器换热产生蒸汽，推动常规汽轮机发电。其系统主要包括集热系统、吸热传热系统、储热系统、常规岛系统。

目前，太阳能热发电厂的厂用电率计算方法还没有相关导则或规范。在工程设计中，通常采用火力发电纯凝电厂计算厂用电率的方法。此计算方法并不能够反映太阳能热发电厂的厂用电情况，具体分析如下：

纯凝火力发电厂厂用电率计算公式：

式中：e为电厂厂用电率；S_c为汽轮发电机组在100%额定出力(夏季)的厂用电计算负荷(kVA)；K为换算系数；P_a为汽轮发电机组100%额定出力(夏季)工况确定的厂用电动机功率；P_g为发电机的额定功率，即100%出力时的功率；cosφ为电动机在运行时的平均功率因数。

由纯凝火力发电厂厂用电率计算公式可以看出，纯凝火力发电厂厂用电率是定义在汽轮发电机组100%额定出力(夏季)工况下对厂用负荷的电功率进行计算，没有引入时间量来计算厂用耗电量。由于火电机组可控性强且运行稳定，采用此方法作为衡量标准，一定程度上能够反映火力发电厂厂用电情况，同容量机组厂用电率的大小按此方法是具有可比性的。

对于太阳能热电厂，太阳能辐照值直接决定机组发电量和运行模式，这取决于天气是不可控的，即使相同配置的机组在不同地区(辐照值不同)其运行模式和发、耗电量也是不同的，式(1)不能够体现太阳辐照值对厂用电的影响。另外，发电机额定功率相同的太阳能热发电厂，如果储热系统配置不同，其发电量和厂用电量也不相同，式(1)不能体现储热系统的配置情况。

综上所述，火力发电厂是以电功率来计算厂用电率，而太阳能热发电厂的厂用电率是由太阳辐照值、发电机装机容量及集热储热系统配置决定的。太阳能热发电厂厂用电率应采用电量计算的方法，即以长序列代表年的光资源辐照值计算代表年的厂用耗电量和厂用发电量，其比值为太阳能热发电厂的厂用电率。

如上节所述，太阳能热发电系统的厂用电率是由太阳辐照值及系统配置决定的，所以厂用电率的计算原则是由长序列太阳能辐照数据推算出代表年太阳能辐照值来计算代表年太阳能热电厂的发电量和厂用耗电量如式(3)和式(4)所示。

式中：e为太阳能热发电厂代表年的厂用电率；Q_耗为厂用电负荷总耗电量(kVA)；Q_发为太阳能热发电厂的发电量(kVA)；Q_i为第i个厂用电负荷耗电量(kVA)。

以下将对槽式太阳能热发电厂集热场系统、吸热传热系统、储热系统、常规岛系统的厂用负荷耗电量及太阳能热发电厂的发电量的计算方法做具体介绍。

集热系统的作用是通过反射镜跟踪太阳，聚集太阳能至集热管以加热传热介质。集热系统由多回路并联，每个回路由反射镜、集热管、支架、旋转接头和驱动等构成。其中集热器的驱动系统是集热系统中唯一的电负荷^[4]，其耗电量如式(5)所示：

式中：Q为驱动器耗电量，kWh；P为单个驱动装置功率，kW；t为驱动器运行时间，s；N为集热场驱动装置个数，个。

根据集热器一天内的运行状态，驱动装置可以简化为三个运行阶段^[5]：启动预备阶段、运行阶段和停机保护阶段，其中启动预备阶段时间t为集热器校正跟踪角度的时间；运行阶段时间t为集热器单次运行时长与动作次数的乘积；停机保护阶段时间t为停机保护阶段驱动器运行时间。

槽式太阳能热发电吸热传热系统由油水换热系统、导热油驱动系统、导热油防凝系统、导热油净化系统、导热油膨胀系统、导热油管道及相关附件组成。其主要作用是导热油吸收反射镜聚集的太阳辐射能，在导热油管道内循环实现油水、油盐换热。吸热传热系统厂用电负荷主要有主油泵和防凝泵等。下面通过主油泵说明计算吸热传热系统厂用耗电量的思路。镜场中吸收的太阳辐射能与导热油的热能存在如下关系：

式中：q为太阳直接辐照值，kW/m²；n为镜场回路数，个；S₁为一个回路集热器开口面积，m²；η₁为光学效率；η₂为热学效率；cos θ为余弦效率；t为时间，h；q_m为质量流量，kg/h；C为导热油平均比热容，kJ/(kg· ℃)；ΔT为工质出口与进口温度差，℃。

式(6)反映了镜场中辐射能转化为热能的过程，为t₁～t₂时段中DNI曲线与横轴所围成的面积，如图1所示。通过(6)式可以求出不同时段即不同运行工况下导热油的质量流量q_m，从而求得泵的功率如(7)式：

图  1  DNI曲线图

Figure 1.  DNI curve graph

式中：P_m为泵消耗的功率，kW；P为泵的有效功率，kW；q_m为质量流量，kg/s；g为重力加速度，N/kg；H为扬程，m；η为泵的效率。

则主油泵的耗电量如(8)式：

式中：Q为主油泵在t₁～t₂时段的耗电量，kWh，其他时间段也可采用该方法求解。

吸热传热系统除主油泵外还包括夜间循环泵、防凝泵及溢流返回泵等，可参照主油泵思路进行计算，本文不作详细分析。

储热系统主要由冷罐、热罐、油-盐换热器、熔盐泵等设备组成。储热系统的作用是通过熔融盐与导热油换热，在阳光充足时利用熔融盐储存太阳能热量，在阳光不足时放热来供给汽轮机运转发电，起到削峰填谷的作用^[6]。储热系统的电负荷主要有冷熔盐泵和热熔盐泵和电加热器等。下面通过熔盐泵说明求解储热系统厂用耗电量的思路。本文假设电厂运行模式为优先满足汽轮机满发，剩余的能量用于储能。当镜场中吸收的太阳辐射能量除满足汽轮机满发外仍有能量供给储能系统，则熔盐吸收的热量如(9)式：

式中：q_me为汽轮机满发对应的导热油质量流量，kg/h。

同时，熔盐吸收的热量与熔盐质量流量q_m1(kg/h)、比热C₁(kJ/(kg· ℃))、熔盐温升ΔT_盐( ℃)的关系如(10)式：

由式(9)和式(10)可求得熔盐质量流量，进而采用式(7)求得泵消耗的功率。

冷熔盐泵耗电量：

式中：Q_储为熔融盐吸收的热量，kWh；Q_冷为冷盐泵的耗电量，kWh；P_冷为冷盐泵消耗的电功率，kW。

当储能放热发电时，热熔盐泵启动，将储存的热熔盐量折算至储热发电汽轮机满发时长t，热熔盐泵耗电量如(12)式：

式中：P_热为热熔盐泵额定消耗功率，kW；Q_热为热熔盐泵耗电量，kWh；t为储热发电汽轮机满发时长，h。

常规岛辅机运行模式与汽轮发电机组运行模式密切相关，汽轮发电机组负荷变化时，辅机设备运行功率随之调整，厂用电耗量为变化量。为简化厂用电计算，可根据汽轮发电机组全年发电量折算出机组按额定功率运行的年发电等效利用小时，此时对应的厂用电负荷可按额定功率考虑，二者相乘即为全年厂用电耗量^[7]。

常规岛厂用电负荷耗电量：

式中：S_c为计算负荷，kVA；T为机组等效年利用小时数，h；K为负荷率；P为负荷的计算功率，kW。

经常连续运行负荷的K值可参考《火力发电厂厂用电设计规程》(DL/T 5153)，如表1所示。

经常短时及经常断续运行的负荷K值取0.5，不经常连续运行的负荷取K＝T_i/T，其中：T_i为该负荷在代表年内的满负荷运行时间。

不经常短时、不经常断续以及事故停机阶段保安负荷的电动机则不考虑厂用电耗量。

太阳能热发电厂的代表年年发电量计算如式(15)所示：

式中：G_hi为代表年第i小时太阳光辐照量，kWh/m²；S为集热器开口总面积，m²；η为光电转换总效率，即光学效率和热学效率的乘积。

由式(15)可以看出，太阳能热发电厂的代表年年发电量需要用代表年辐射数据进行逐小时计算，计算量很大，所以目前太阳能热发电厂的代表年年发电量均采用专用软件进行计算。

通过分析得到以下结论：

1)火力发电厂厂用电率的计算方法不适合用于计算太阳能热发电厂的厂用电率。

2)由于太阳能热发电厂的发电量是由太阳辐射量决定的，即太阳辐射量决定太阳能热发电厂的运行状态，所以太阳能热发电厂的厂用耗电量也是由太阳能辐射量决定的。

3)太阳能热发电厂厂用电率只能采用计算电量的方法，即采用长序列代表年辐照值，逐时计算代表年的厂用发电量和厂用耗电量。

4)本文提出了槽式太阳能热发电各系统的主要厂用电负荷耗电量的计算思路和方法，可供塔式太阳能热发电厂参考^[8]。

5)由以上计算方法可见，太阳能热发电厂的厂用电率需要以代表年太阳辐照值为输入量逐时计算，计算量很大，应编制相应计算软件以简化计算过程。