科创中国

该成果针对我国塔式光热电站复杂天气条件下控制和调度运行难度大、电站发电量爬坡周期长等共性难点问题，依托我国首批光热发电示范项目——中电建青海共和50MW塔式光热电站，借助数字化智能化手段，对塔式光热电站性能优化与运行提升关键技术问题开展系统性攻关研究，实现光热电站规划设计更合理、工程建设更高效、运行管理更智能。 本项目构建了基于人工神经网络的法向直接辐射计算模型，计算精度提升了5%～10%；提出了基于最大密度布置与仿生螺线型布置组合的定日镜场排布方法，相比现有主流布置方法镜场年均效率计算值提高1.5%以上；建立了基于大数据分析技术的DNI短期预测模型，能够满足指导电站运行需求；提出了吸热器表面最低能流区域动态填充的瞄准策略，实现吸热器表面能流密度分布的快速有效均衡，提升了吸热器运行安全性；基于太阳辐射资源的短期预测技术和电站实际设计与运行数据，提出了基于数据驱动的机理模型，进行电站运行策略优化，实现了吸热器出口介质温度的精准调控，有效提升了电站发电性能。项目申请17项专利，发表论文22篇，主编行业标准4项，相关成果达到国际领先水平，并取得显著的经济、社会及环境效益。

1.通过引入与法向直接辐射具有相关性的10个气象要素，构建了基于人工神经网络的法向直接辐射计算模型，解决了传统直散分离经验模型难移植、普适性低的问题。2.构建了新型多边形链表-光线追迹法，提出了定日镜场任意时刻光学效率快速评估方法，揭示了定日镜场光学效率的时空变化影响规律。首次提出了基于最大密度布置与仿生螺线型布置组合的定日镜场排布方法，实现了在较小用地面积下布置更多定日镜的同时获得更高的镜场效率。3.建立了基于聚类算法的多模型太阳法向辐射预测的方法，形成法向直接辐射的演化模型，能够在多变和波动性的气象条件下提升太阳法向辐射的预测精度，有效指导不同强度太阳辐射下电站的运维策略。4.提出了吸热器表面最低能流区域动态填充的瞄准策略，可在保证较高吸热器截断效率的前提下，快速有效均衡吸热器表面能流密度分布，显著降低了吸热器表面的能流和温度分布不均匀性，提升了吸热器运行安全性。5.基于太阳辐射资源的短期预测技术和电站实际设计与运行数据，构建了基于数据驱动的系统机理模型，进行电站运行策略优化，解决了塔式太阳能热发电运行过程中吸热介质流量与太阳辐照度精确匹配的难题，实现了吸热器出口介质温度的精准调控

本项目围绕塔式光热电站性能优化与运行提升关键技术难题进行研究，研究成果直接应用于我国首批光热发电示范项目——“中电建青海共和50MW塔式光热发电项目”设计建设，以及“三峡能源青海青豫直流100MW光热项目”等多个光热发电项目中。2023年4月《国家能源局综合司关于推动光热发电规模化发展有关事项的通知》中提出，在新能源基地建设中同步推动光热发电项目规模化、产业化发展，力争“十四五”期间，全国光热发电每年新增开工规模达到300万千瓦左右。光热发电迎来了新的重大发展机遇，本项目研究成果具有广阔的应用前景。

本项目研究团队为中国电建太阳能热发电工程研究中心塔式光热发电系统技术研发核心团队，团队成员专业涵盖太阳能资源分析、热力系统仿真优化、光学工程、系统控制、大数据应用、系统调试运行等领域，专业配置合理，专业间形成密切的耦合协作。 团队负责人肖斌，中国电建西北院副总经理，正高级工程师，电力行业勘测设计大师，中国电建集团首席技术专家，西安市高层次人才。主持或参与了西北地区多能互补研究、太阳能热发电工程规划与技术集成、塔式电站太阳岛优化设计以及太阳能聚光集热清洁供热技术、多能源系统一体化设计及运维管控关键技术研究与平台开发等多项科研课题的研究，取得了重大技术突破。获得论文专利等知识产权30余项，获省部级奖项近20项，在光热发电学科及行业发展、技术进步与应用推广等方面做出了卓越贡献。此外，团队成员还获得了包括陕西省青年科技新星、电力行业“杰出青年专家”、电力工程行业“最美工程师”、陕西省秦创原“科学家+工程师”团队等多项荣誉称号。

经济效益：本项目依托我国首批光热发电示范项目设计与建设，在光热电站太阳能资源评估、大规模镜场高效布置、DNI短期预测、创新型瞄准策略、电站运行策略优化及发电量提升等关键领域取得一系列代表性研究成果，自2016年中电建青海共和50MW光热发电项目进入设计阶段起开始实际应用，项目于2019年9月19日并网发电，电站运行情况良好。以该项目为例，法向直接辐射量评估误差减小5%，太阳能镜场布局效益能够提升3%～5%，发电量计算误差能够降低4%～5%，投资可节约2000万元左右；按照该项目成果所提出的定日镜场创新排布方法及动态填充瞄准策略、电站运行策略优化对电站设计效率及运行效益带来的效果与效益进行测算，已产生直接经济效益8000万元以上。以上成果在光热电站降本增效方面合计取得的经济效益超过1亿元。此外，本项目成果为完成单位承接相关光热和光热+项目提供了重要技术支撑，现已助力单位获取5个光热发电项目总承包合同，新增合同额超过50亿元，经济效益显著。

社会效益：在“双碳”目标推进及新型电力系统建设背景下，充分发挥光热发电大规模储能及深度调峰优势、大力发展光热发电是行业的必然选择。兼具调峰电源和储能双重功能的光热电站，可实现用新能源调节、支撑新能源，为电力系统提供更好的长周期调峰能力和转动惯量，是新能源安全可靠替代传统能源的有效手段。根据相关研究结论，以新疆电网为例模拟计算光热发电调峰作用，结果表明，假定建设100万千瓦至500万千瓦不同规模的太阳能热发电机组，可减少弃风弃光电量10.2%至37.6%。光热发电规模化发展可有效解决用电高峰期和低谷期电力输出的不平衡问题，提高能源利用效率，优化新能源电力品质，提高特高压外送通道的利用率，增强电力输出功率的稳定性，社会综合效益良好。

光热电站建设、运行的全过程几乎不产生任何污染源，相比于传统火电厂可减少大量的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等温室/有害气体排放，节能减排效果显著，生态环境效益良好。

光热发电产业链长，可消化提升特种玻璃、钢铁、水泥、熔融盐等传统产业，还可带动新材料、精密设备、智能控制等新兴产业发展。本成果的成功应用对国家及地区能源、交通、设备制造、扩大就业和第三产业发展有显著的促进作用，带动地区国民经济的发展和社会进步。项目单位将充分利用这一契机，承担更多的社会责任，为产业发展做出贡献。

本项目研究团队为中国电建太阳能热发电工程研究中心塔式光热发电系统技术研发核心团队，承担技术研发的主要职责。目前采用自行投资转化的形式，积极融合中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司工程转化与产业推广优势，将市场交易内部化，消除了中间环节，提高转化效率。

本项目以技术研究团队为核心、以中国电建太阳能热发电工程研究中心为研发平台，根据太阳能热发电与热利用市场需求，持续推进智能型塔式光热电站性能优化与数字化设计技术成果应用。

本项目以中国电建西北院新能源工程院为技术工程转化平台，结合塔式太阳能热发电与热利用项目的具体设备、土建结构等不同设计专业需求，形成全流程、数字化、标准化设计技术。

本项目以中国电建西北院市场部和具体光热项目公司为市场化推广与应用平台，针对不同光热项目及配套光伏、风电等项目的具体特点与需求，开展定制化设计服务。依托本项目技术成果，有效支撑光热项目建设与高效发电。

最终，根据我国实现双碳目标的实施路径及以新能源为主体的新型电力系统建设规划，本项目技术成果拟以设计和技术服务的方式，在塔式光热电站设计、建设和运行过程中实现成果转化。