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中国人独创的新型光热技术体系通过商业化验证

2017-12-27 14:21| 发布者: admin| 查看: 2586| 评论: 2|原作者: CSPPLAZA|来自: CSPPLAZA光热发电网

 ——华强兆阳张家口一号15MW光热电站基本建成
    ——兆阳光热创新性光热技术体系系列深度报道之一

  CSPPLAZA光热发电网报道:从北京向西北方驱车约260公里,在河北省张家口市张北县境内,冬日的阳光下,一座独特的光热电站闪耀在荒原之上。

  17万平方米的类菲涅耳式聚光集热镜场,720MWh(th)的固态混凝土储热系统,15MWe的汽轮机发电系统,当这一切第一次完整地呈现在眼前的时候,任何人可能都会被其无处不在的创新设计所震撼。

  这是由北京兆阳光热技术有限公司(以下简称兆阳光热)总承包建设的华强兆阳张家口一号太阳能热发电站。2017岁末之际,这一项目终于基本建成,完成了兆阳光热技术体系从理论到商业化验证的里程碑式发展。

  据悉,目前,该项目聚光集热、储热岛和发电岛三大系统联调及系统试运行工作已经展开,各聚光回路正逐条进入连续运行,储热岛升温正在持续进行中,现已稳步升温至150℃,直至升温至正常运行温度约450℃。

  兆阳光热相关负责人对CSPPLAZA记者表示,“各分系统测试现已持续进行了近一年时间,各项技术指标均达到或超过设计标准。预计该项目的建设工作将在2018年1月底前全部结束,到2018年5月可进入稳定运行阶段,实现长期连续每天24小时发电。一号电站的建设获得了华强集团的大力支持以及多家重量级合作伙伴的高度关注,力争成为中国创造在光热发电产业的成功案例。”

  光热电站实现每天24小时持续发电并不是什么新鲜事,但这个项目的不同之处在于,这是世界上首个全面采用中国独创的完整创新型技术体系建设的太阳能热发电站,拥有完整知识产权,在全球范围内,目前,没有第二。

图:华强兆阳张家口一号光热电站鸟瞰

  传统光热发电技术的一次彻底革新

  1980年代,美国首次成功开启了光热电站的商业化,至今30余年过去了,光热发电技术的主流路线仍在很大程度上局限于槽式和塔式集热+熔盐储热两种,工作介质仍受限于导热油和熔盐两种,在此基础上进行革新且正在进行商业化尝试的创新型技术也并未在整体系统上进行彻底革新,而超临界二氧化碳循环等革命性技术仍在理论试验阶段。

  穿梭于张家口一号电站其间,在约1900亩的土地上,置身于整齐排列的镜场阵列中,可以深切感受到的是,这个由中国人完全自主研发的创新型类菲涅耳光热发电技术体系已由蓝图变为现实,并实现了对传统光热发电技术的一次彻底革新。

  该电站集热系统采用直接蒸汽发生(DSG)技术体系,以水作为循环工质,直接产生高温高压蒸汽,既可实现对汽轮机的直接推动高效发电,也可利用其高效混凝土储热系统进行储热发电,系统极为简单,无燃烧爆炸、环境污染等安全隐患,运行成熟可靠,且建设运行成本低廉。

  据了解,这一创新型技术体系包括兆阳光热独创的双玻璃冷弯曲面镜结构、倾斜类菲涅耳高倍聚光系统设计、低成本大规模配方混凝土储热系统、土地综合利用技术、雨水自动收集系统、镜面高频次全自动清洗等多种实用化独创技术。

  而这一技术体系的建立全部都基于可实现平价上网的最终设计目标,将传统光热发电技术在中国特殊自然环境下开发可能遇到的问题几乎全部考虑在内,并给出了独特的解决方案,在技术可靠性和投资经济性上具有强大竞争力。

  集多种优点于一身的HLIACS镜场集热系统

  17万平方米的聚光集热镜场在阳光的照射下蔚为壮观,其独特的结构设计抢人眼球,与槽式不同,与传统菲涅耳有异,这种东西轴倾斜阵列式类菲涅耳集热系统被兆阳光热命名为“HLIACS”。

  HLIACS采用东西轴倾斜向阳布置方式,克服了南北轴水平线性聚光体系季节性余弦效应突出,冬夏光照差异大的重大缺陷,特别适合我国DNI资源富集在高纬度酷寒地区的国情。

  以张北地区为例,参照8年的卫星数据及2年多的当地实测数据,兆阳光热总结整理出当地典型年光资源数据(1750kWh/m2.a),在此基础上对HLIACS、南北轴槽式及南北轴菲涅耳式聚光集热系统全年各月单位镜面累计集热管得热量进行了半小时间隔平均的积分测算,结果如下图所示:

图:不同技术路线集热场单位镜面各月累计集热管得热量的分布图

  据兆阳光热提供的数据显示,在考虑集热管散热损失的情况下,南北轴槽式单位镜面全年累计集热管得热量约为794kWh/m2,HLIACS单位镜面全年累计集热管得热量约为786kWh/m2,两者相差约为1%,基本相当,但HLIACS各月的得热量分布相对均匀,特别是在冬季的几个月明显超过其它两种技术路线,非常有利于电站的安全稳定运行。

  而南北轴水平菲涅耳单位镜面全年累计集热管得热量仅约为608kWh/m2,与前两者相差较大,特别是在深冬季节几个月的得热量未达到HLIACS的一半。

  需要说明的是,由于处于北半球季风气候区的原因,张北地区6到8月份处于雨季(当地年均降水量近400毫米),夏季DNI累计较低,导致各种技术路线在该时段内集热管的得热量都较低,实际监测及运行结果也印证了这一结论。但此原因对各技术路线的单位镜面得热量月度分布差异趋势没有太大影响。

图:聚光集热场支撑结构

  在整体结构设计方面,HLIACS仅需对集热场四周边缘区域的架空金属支撑结构进行一定的增强处理,由于集热场周边区域对内部区域形成挡风效果,经过权威检测机构的比例模型风洞试验和实际镜场的实地检测,占镜场面积绝大部分的内部镜场区域风速显著降低,从而可以在实现架空安装的同时大幅度减少内部镜场支撑结构的用钢量,显著降低建设成本。同时对于降低地面风速、保湿降尘、雨水收集、恢复植被及实现土地综合利用方面效果明显。

  另外,HLIACS集热系统采用的跟踪传动装置为纯机械式构造,简单可靠,跟踪精度高,抗风沙,维护简单;其双玻璃冷弯微曲面镜片经济可靠,精度高,寿命长,配合小夹角二次高倍聚光设计,在实现综合聚光倍率高达150到200倍的情况下仍有较好的光学容差角度。高倍率时聚光集热效率明显提高,可有效利用低DNI强度的光照资源,弥补光照不足,特别适合我国进行大规模光热电站开发的地域、气候及光照资源特点。

  在中国光热电站开发多风沙粉尘的自然环境中,镜面清洗尤为重要,多地的实测结果表明,在清洗间隔三周左右的情况下,镜面直射光反射率平均下降超过8%,对发电量影响巨大,清洗车的高频次高效率低成本运行成为电站正常运行和高效发电的必然需求。HLIACS聚光集热系统在结构设计中已经配套了全自动干式清洗车,无人操作、无需耗费水资源,清洗频率为隔日清洗,经过折算30年的清洗寿命测试,镜面无损伤,可实现镜面反射率平均下降值不超过1%。但平均全年清洗耗电量仅占电站年发电量的0.18%,几乎可忽略不计。

图:兆阳光热全自动清洗

  混凝土储热在全球范围内的首次商业化应用

  长期以来,着眼于更低成本、更安全可靠的储能技术发展目标,全球范围内多家科研机构和企业都对固态混凝土储热这一技术进行了研发试验,但却未能有一个固态混凝土储热系统投入商业化运行。

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引用 casren 2017-12-28 16:47
zjchuaran: 这个项目不值得羡慕,作者曾研究过DSG技术,当时研究的课题就是最怕集热管进水,因此提出采用雾化闪蒸技术,曾写论文发表在太阳能杂志上,目前该发明专利已被作 ...
引用 zjchuaran 2017-12-28 10:26
这个项目不值得羡慕,作者曾研究过DSG技术,当时研究的课题和难点就是怕集热管进水,因此提出采用雾化闪蒸技术,曾写论文发表在太阳能杂志上,目前该发明专利已被作者放弃。原因在于泰国5兆瓦的实验基本否定了该技术,德国诺维泰克比索的菲涅尔DSG也最终放弃,最后不得已采用熔盐介质,但经桑迪亚实验,聚光面积需加大一倍才可以,原因就是菲涅尔属非镜像聚焦,其聚光比太低,热损耗很大,因此必须加大聚光面积,这就导致测算后的经济性太差,因此最终被迫放弃。虽然作者未到过兆阳项目现场,但可以肯定,集热管爆管可能会是家常便饭,再者聚光阵列的间距设计也很不合理,冬季聚光阵列的阴影遮盖将直接导致效率下降。如果再放到夏季看,上午9点前和下午4点后太阳只能照“屁股”,发电时数损失极大。再说储热,似乎以色列波尔米勒的类似水泥储热的实验也不理想,现在正寻求与生物质能结合。因此专业人士千万不可对类似的非经典聚光技术赞美过多。太阳能聚光技术已经研究100多年了,不是新东西,聚光技术的创新点是效率和成本,如SBP和亮源的定日镜等。总之,最终考研该项目的是靠经济数据说话,靠上网发电量说话。这种测试也包括对我国在建的塔式熔盐电站,因为设计院提供的设计误差极大,一个是热损、一个是寄生损耗,还有停发电时间和开机下限DNI,总之算不清这些实现投资预期很难。

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