独特的类菲涅耳聚光集热系统 削减线聚光系统建设成本1/3
发布者:admin | 来源:CSPPLAZA光热发电网 | 1评论 | 4394查看 | 2018-01-09 17:00:00    
   ——兆阳光热创新型光热技术体系系列深度报道之三

  CSPPLAZA光热发电网报道:高20余米,宽20多米,东西轴向1200多米倾斜布置的一列列集热器上,整齐排列的微曲面反射镜瞄准了30余米之外的真空集热管,在200倍的高倍聚光下,在DNI超过250W/㎡的一般辐照条件下,就能够稳定产出450℃的过热蒸汽。

  这是北京兆阳光热技术有限公司(以下简称兆阳光热)独创的HLIACS聚光集热系统,无论是其支架结构、反射镜结构、二次聚光系统、跟踪系统、集热管等等方面,无不刷新了人们对传统太阳能聚光集热发电方式的认知。

  光热发电技术的商业化进程已有30多年,中国人真的创造出了一种更高效、更低成本的聚光集热技术吗?今天,在河北省张家口市张北县已经建成的一个15MW的示范电站,通过其实际运行测试,证实了该技术体系的可行性,消除了大多数人对这一创新集热技术的质疑。

  作为兆阳光热技术体系的核心之一,HLIACS聚光集热系统与传统的槽式及菲涅耳式集热系统有着很大的不同。据CSPPLAZA了解,这种设计是在分析研究、消化吸收国际成熟可靠的线性聚光集热技术的基础上,充分考虑中国资源气候特点后完成的,这些独特之处主要是从全年总得热量最高、每日得热量均衡、高聚光倍率和低建设成本等方面综合考虑确定的。


  日得热量均衡、全年总得热量高

  在我国,由于太阳高度角存在季节性变化,以及阴雨雪天气影响,同一地点全年各月的DNI累计值并不均匀,这是光热电站设计时需要特别考虑的重要因素。

  经测算,HLIACS聚光集热系统不同季节的日得热量相对非常均衡,而南北槽式和南北水平菲涅耳式两种线性聚光集热系统不同季节的日得热量差异都很大(相差接近一倍)。

  为何要强调日得热量均衡?原因在于,作为以24小时为周期进行储热运行的光热电站,系统成本中储热介质和换热系统成本占据重要比例,而该成本与额定储热容量、峰值换热功率的选择存在近似比例关系。当全年的日得热量相对均衡时所需峰值换热功率也较均衡,额定储热容量及峰值换热功率很容易匹配到最佳值,使得在全年尽量多的获得得热量的情况下储热系统额定设计储热量及额定换热功率最小,实现弃热最少、储热介质和换热系统成本最低的双重最优。

  如果不同季节每日得热量差异很大,则当按照最大得热量和最大换热功率选择额定储热容量及额定换热功率,就会有相当时段因为每天得热量很低及所需换热功率很低而未充分利用额定储热容量和额定换热能力,进而导致建设成本的投资浪费;而按照最小或中间得热量和换热功率选择额定储热容量和额定换热功率时,则会导致在得热较多天数出现有较多的热量因无法进行换热和储存,热量废弃和镜场投资浪费。

  槽式、菲涅耳式等采用真空集热管的线性聚光集热系统的日得热量与太阳光线入射角度显著相关,表现为镜面截光率和玻璃管透过率的双重余弦效应叠加。

图1:效率随入射角度变化的趋势图

  由图1可见,随着太阳光线入射角度的增大,镜面截光率、玻璃透过率以及综合得热效率(综合得热效率=透过率*截光率)都会显著降低,并且这种降低是非线性关系,入射角增大到一定程度,衰减会剧烈增加。

  南北轴水平布置的线性聚光集热系统在一年中的入射角变化与聚光镜场所在地的纬度角有显著关联。以北纬41°场址为例:当采用南北轴水平布置方式时,根据典型年气象数据进行分析,得到太阳光线的入射角度在03月20日春分日、06月21日夏至日、09月23日秋分日、12月22日冬至日四个典型日随时间变化的趋势。可以看出,夏至日入射角度明显低于冬至时的入射角度。可以推算冬至日前后一段时间里,每日DNI数值较高的时段,太阳光线入射角已经进入余弦效应显著的范围内,从而导致聚光集热效率大幅下降。

图2:南北轴水平布置时典型日入射角度随时间的变化曲线

  而HLIACS聚光集热系统东西轴向阳倾斜布置方式的入射角与季节基本无关,而只与每天从早到晚太阳的运动轨迹有关,同样以北纬41°场址为例:图3清晰表明,HLIACS聚光集热系统由于季节变化带来的入射角变化幅度非常小,可以忽略,虽然一天之内不同时段入射角度的变化依然较大,但是大的入射角度主要集中在早上7:30之前和下午16:30之后,而在此区间的DNI较低,故双重余弦效应带来的集热损失也就大幅减少。

图3:HLIACS聚光集热系统典型日入射角度随时间变化曲线

  另外,根据张北地区实测数据统计分析,HLIACS聚光集热系统由于跟踪角度范围原因不能接收利用的夏季太阳光照资源不到全年可利用光照资源的3%,弃光量很少,这也是HLIACS聚光集热系统全年得热量均衡的原因之一。

  由于国内场址所在纬度比大部分国际已建成的场址所在纬度平均高了约7°左右,显然属于重大的外部条件变化,会导致国内镜场南北轴布置方式,特别是水平南北轴菲涅耳方式,在冬季的双重余弦效应剧烈上升,单日得热量迅速下降,不但得热量季节分布很不均匀,而且全年总得热量也不高。
  东西轴布置方式虽然也将面对每天早、晚两个时段的双重余弦效应,但这两个时段的DNI较低、光照能量较少,其在该时段的累计光照能量的比例也较小,故余弦效应带来的损失相对较少,全年平均集热效率相对较高,全年累计总得热量较高。

  上述结论已经被张北地区近十年的光资源数据统计以及近几年的实际测试结果实际验证,相信在中国大部分光热电站建设区域均存在类似规律,值得高度重视。

图4: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

  另外非常重要的一点是:由于东西轴的双重余弦效应是以日波动周期出现的,日周期运行方式的储热系统可以将一天内不同时段的得热量波动全部缓冲,对电站稳定运行平滑输出没有任何扰动;而南北轴的双重余弦效应是以年波动周期出现的,冬季得热量显著下降的情况显然无法通过储热系统克服,因此对电站的均衡输出和平稳安全运行可能会造成很大影响。

  采用2009年张北地区的DNI数据,通过考量聚光集热过程的各影响因素,计算不同集热系统在相同镜场面积下的得热量,如下图所示,HLIACS集热系统全年得热量分布偏差较小,实现了全年得热量均衡的目的,而南北轴布置的槽式集热系统则在夏至日和冬至日时出现了较大的得热量偏差,难以实现均衡稳定输出运行。

图5:HLIACS集热系统全年四季4个典型天(春、夏、秋、冬)得热量分布相对均衡

图6:南北轴布置的槽式集热系统全年2个典型天(夏、冬)得热功率分布差异巨大

  南北轴水平菲涅耳式和南北轴水平槽式聚光镜场全年各月得热量很不均衡,在太阳高度角低的冬季,由于反射镜面的余弦损失大、真空玻璃管的透过率低,导致聚光镜场得热量低,再加上我国西北地区冬季寒冷,管道等高温部件不但白天散热量增大而且还需要大量的热量进行夜间保温防冻,因此有效可用热量更低。


  东西轴向阳倾斜布置的HLIACS集热系统由于仅在早晚较短的低DNI值的时段,由于太阳光线入射角度稍大,而余弦损失较大;但其余时间段的高DNI值下的太阳光线余弦损失很小,所以全年得热量较高、各月的得热量相对更加均衡,并且设计的配套储热换热系统容量更为科学、有效,运行时缓冲较为平滑,能够满足全年不同季节的电网运行调度要求。


  实现高聚光倍率,保效率降成本


  中国的太阳资源在全球范围相比只能算较为丰富资源,适合光热发电建设的区域平均有效的DNI值整体不高,基本在1400-1950kWh/㎡/a范围,再加上纬度较高、冬季酷寒、风沙较大等不利因素,对聚光集热效率带来很大挑战。


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图7:集热温度-系统效率曲线


  从光热研究领域广泛使用的上图可以大致推论,集热器输出温度450~480℃时,聚光比大约在140倍左右时具有最佳的系统效率,但如果进一步考虑到中国光热电站建设区域的太阳能资源平均低于美国30%~35%,且环境平均温度更低等等具体条件差异导致聚光集热效率偏低,实际最佳聚光倍率与上图应有所区别,聚光倍率需要有较大幅度的提高才能够达到系统效率最优点,因此,HLIACS集热系统设计选用160-200倍左右的聚光倍率,使其能够更加适合我国光热电站开发区域的环境资源条件(具体详细计算过程略)。


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图8:HLIACS聚光集热系统示意图


  那么,如何实现高倍聚光呢?HLIACS系统利用了兆阳光热的专利技术:小角度入射时二次反射镜的高倍聚光特性实现镜场组合高倍聚光效果。例如将200倍的综合聚光倍率分配为25倍*8倍的组合,其中一次反射镜面总宽度与吸热器CPC开口宽度比达到25倍,经特殊设计及特殊工艺加工的二次反射镜(CPC)由于入射光线夹角范围较小,能够实现8倍甚至更高的二次反射聚光效果,将小夹角汇聚而来的镜场反射光进一步相对均匀地反射汇聚至集热管的整个圆周表面;而向阳倾斜镜场布局、微弧曲面镜、高度角跟踪方式能够将入射太阳光线用较小的汇聚夹角和较高的25倍聚光射入CPC入口,在跟踪较小的高度角变化范围时,始终保持很好的聚光效果,从而有效保证了较少的轴数、高倍聚光时仍有较大的光学容差角度。


  在电站设计总发电量或镜场总面积确定后,高倍率的HLIACS聚光镜场能够使回路数量比通常的80-100倍聚光镜场的回路数量减少一半以上,因此所需的管道、阀门、仪器仪表以及真空集热管的使用数量大幅度减少,大幅降低了采购建设成本;另外,HLIACS的高聚光倍率的集热管外表面积的单位热流密度超过槽式单位热流密度两倍多,二者使用相同介质且输出相同参数时,前者的热损失/得热量的比例较后者要低得多。相同工况下单位长度集热管散热损失功率相同,由于较低DNI地区或较低倍率的聚光系统中单位长度集热管得热功率较低,故相应的集热效率也就较低,同时对低DNI时段的光资源也难以利用;于是,槽式镜面开口变大倍率变高成为趋势,但实际上,综合评估电厂所在地的大风等自然条件、光学跟踪精度及容差角度等因素,不难看出槽式开口变大不仅要考虑技术和工程细节问题,更要考虑成本实现问题,实现起来较困难,目前一般很难超过100倍;而HLIACS镜场系统能够在保持较好的光学容差角度情况下,很容易实现低成本高聚光比(200倍左右),在降低一半的聚光集热损失的同时,还可有效收集利用DNI强度250W/㎡以下的较低光照资源,并可减少溢出能量损失,提高系统集热效率,节流开源降低成本的效果显著。


  需要特别说明的一点是,经过近一年的测试运行、改进完善和考验验证,在发现并解决了常规真空集热管的设计不周问题后,现在可以证明在HLIACS聚光系统的200倍光强环境下,多家国产真空集热管产品均可初步满足使用要求,已经批量安装并经过四个月连续运行使用,目前真空集热管无爆管现象,质量表现稳定,真空集热管弯曲程度、失真空比例等指标远远优于一些槽式电站案例的披露信息。


  实现低建造成本,保证投资回报


  ▶支架用钢量大幅下降


  HLIACS聚光系统的支架体系采用架空式金属支撑结构,在阵列周边进行增强处理后,可起到类似于挡风墙的作用,聚光系统内部的风速大幅减小,因此对聚光系统内部支架的抗风载能力要求明显降低,在可抵御10级风的情况下,镜场支架体系的总用钢量依然可以大幅度下降。以上设计已经成功通过流体力学有限元分析、模型风洞试验及实际安装现场10级大风条件下的考验验证。


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图9:HLIACS聚光系统风洞实验


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图10:HLIACS聚光系统风洞实验(含农业大棚和挡风墙)


  ▶驱动系统简单可靠


  兆阳光热开发的驱动系统采用纯机械电机(减速机加连杆结构)的跟踪驱动方式,对光线追踪角度的控制更加精确,整套驱动的减速比可以达到约30万,大减速比驱动对长距离回路驱动精度更高。由于未采用液压装置,该驱动系统耐寒、抗风沙,即使布置在多风沙的严寒地区,也能有非常好的适应性,同时检查维护直观简单,工作量小。


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图11:驱动系统


  ▶镜场紧凑占地较少


  HLIACS聚光系统,相较普通菲涅耳、槽式和塔式光热电站而言,相同发电量情况下,镜场占地面积最少(见下表),并且土地综合利用率非常高,除了镜面阵列下方架空高度能够满足各类养殖种植生产需要外,还可以对回路间20米左右间隔的露天区域进行正常利用,几乎全部镜场土地均能实现有效综合开发,因此折算到光热发电的土地成本很低。


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表1:几种光热技术路线的反射镜面积与镜场占地面积的比值


  再者,兆阳光热具有自主知识产权(目前已取得13个国家或地区专利授权)的微曲面反射镜制造技术,利用双平板玻璃冷弯成型,面形精度可控,反射率高达94.5%。该曲面反射镜的复合结构大大增强了反射镜耐冲击强度,即使特殊情况下发生破裂也仅对聚光效果产生微弱影响,聚光镜可长期继续工作。


  该反射镜前后均为玻璃结构,保证了反射镜耐腐蚀及磨损,耐恶劣气候,已经通过国家权威检测机构(国家安全玻璃及石英玻璃质量监督检测中心)的全面测试,各项指标均达到和超过国际水平,能够真正适应多风沙、寒冷的环境,预期使用寿命达到50年以上。微曲面反射镜的使用,使聚光系统汇聚后的光线更加集中,溢出损失更少,更能够满足系统容差的要求,对聚光系统跟踪精度的要求相应降低。特别是该微曲面反射镜采用平面镀银、镀铝镜片为原料,自动化高效生产,精度高、反射率更高,且无需复杂的热弯钢化、曲面镀银、太阳能级高档背漆等复杂工序,成本远低于常规太阳能弯钢化曲面镜,有力确保了HLIACS聚光集热系统的可靠性和经济性指标。


  除此以外,兆阳光热还开发出了与HLIACS聚光系统相配套的低成本高频次干式清扫车,能够使聚光系统镜面常年保持在93%以上的反射率,确保聚光系统高效运行(将另文介绍),提高聚光集热效率。


  HLIACS聚光集热系统通过对国际成熟可靠的线性聚光集热技术体系进行深入分析和消化吸收,为充分适应中国特殊的资源环境条件而进行了彻底的再创新,具有完整的自主知识产权,可全部采用国产原材料及零部件,能够有效克服较低DNI资源、高纬度、风沙大、冬季严寒、土地资源短缺等等不利因素,实现全年均衡稳定可靠运行,清洁安全,聚光集热效率高,制造安装成本低,经测算,在同一地点相同年发电量情况下可比常规线性聚光集热体系的建设成本降低1/3以上,具有显著的可靠性和经济性优势,适合大规模开发建设。


  注:兆阳光热代表将出席1月19日在北京召开的中国光热发电产业回顾与展望领导者峰会暨CSPPLAZA2018新年汇,欲进一步了解该技术详情,请会上交流。

最新评论
1人参与
zjchuaran
敢于挑战传统光热发电理论,精神可嘉。
2018-01-09 21:15:39
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马上参与