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 | 3466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,
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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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