你不了解的光热发电实用设计及综合利用技术
发布者:admin | 来源:CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 3062查看 | 2018-01-31 15:11:00    
  ——深耕光热发电产业链,实现经济、社会效益双丰收


  ※ 兆阳光热创新型光热技术体系系列深度报道之六


  CSPPLAZA光热发电网报道:独特的类菲涅耳倾斜阵列高倍聚光系统、简单朴素的水工质传热技术、安全环保的混凝土固态储热岛,以可靠性和经济性为中心,坚持更适应国内光热电站开发环境的自主化光热技术研发初心,今天,北京兆阳光热技术有限公司(以下简称兆阳光热)十多年的默默耕耘通过张家口15MW光热示范电站的成功建设获得了成功验证。


  在此前的五篇报道中,CSPPLAZA已对兆阳光热的技术体系进行了相对全面的解读,事实上,在其主体技术之外,立足于中国自然环境、资源及市场特点,规避、解决甚至充分利用客观存在的外部不利条件,提高项目的可靠性和经济性,实现经济、环境、社会效益的全面丰收这一出发点,兆阳光热还开发了一系列类似土地综合利用、镜面清扫、雨水收集、辅助光伏发电系统等实用化技术。在兆阳光热看来,这是保障光热电站达成设计指标、保证投资经济效益的必要条件。


  低成本高频次的镜面干式清扫设备


  国内适宜开发光热电站的地区普遍存在沙尘较大的环境特点,镜面清洁度下降很快。兆阳光热通过常年在多地进行长时间的镜面灰尘污染状态测试,汇总了大量数据,分析得到了第一手的镜面污染影响量化数据,数据显示,镜面污染十分严重,镜面清扫效果是中国光热电站收益盈亏的决定性因素之一,必须给予高度重视。


  需要特别说明的是,光热发电仅能利用太阳光直射辐照,镜面灰尘等污染对反射聚光效果的影响远远大于平板光伏组件的表面污染。一般情况下,清洁玻璃表面一天时间内累积的灰尘并不多,对于光伏组件发电量基本没有影响,一两周时间的灰尘量影响也不显著,这是由于很薄的灰尘附着层对于光线的吸收并不多,透过及折射后的光线仍然能够用于发电。但对于通过镜面反射实现高倍聚光的光热发电系统来说,镜面的灰尘微粒会对入射反射光线产生两次阻挡,并对倾斜入射光线的遮挡尤其显著地呈现倒余弦效应,也即,随着与镜面夹角逐渐变小,遮挡现象急剧上升,其它稍有一点折射角度的光线也无法汇聚到接收器,因此,聚光光热发电系统的镜面污染后,聚光衰减非常显著。


图:自然落灰实验(期间有两次自然降水冲刷)


图:积灰对镜面清洁率的影响


  上图为某地的倾斜摆放镜面样品在一段时间内的镜面清洁率曲线。据多地长期的检测数据总结,镜面一天的平均污染造成的聚光反射率衰减约为1%左右、一周衰减约5-8%、两周衰减超过12%,衰减速度惊人,严重影响发电量。为了保证光热电站正常高效运行,低成本高频次的镜面清洁保障措施非常必要,其重要程度丝毫不亚于对高反射率镜片和高效真空集热管的严格选择。


  目前,光热电站中镜面清洗采用的清洗工艺一般采用水投射接触式刷洗,设备主要以机械化清洗车为主,少量采用类机器人进行自动清洗。水投射接触式刷洗方式一般需要人工操作,技术要求高、耗水量大,不适合水资源短缺和寒冷的中国环境;特别是,其清扫速度低、成本高,对于接近或超过百万平米的镜场来说,清扫频次较低,平均二十天清扫一次都很难保证,并且间隔时间越长清扫越困难,镜面损伤越大,很难保障最基本的镜面平均清洁率和镜面精度不受损伤。这类问题在国际光热电站普遍较清洁的运行环境中并不明显,但在中国的环境资源条件下却成为了一个事关全局成败的重要因素,必须得到切实有效的解决。


  兆阳光热在其HLIACS聚光集热系统的结构设计中配套了全自动干式清扫车(包括一次反射镜清扫及二次反射镜清扫),结构简单、成本低,能够沿镜场支撑结构中的导向轨道自动行进后退,无人操作、无需耗费水资源,清扫频率可以设定为每日或隔日清扫一次。在高频次清扫模式下,每日的清扫工作基本上就是轻柔擦拭浮尘,所以对镜面损伤极少、也无需耗水。经过长时间验证试验后定型了最佳材料和尺寸参数的清扫毛刷,具有抗磨损、寿命长、耐高低温、耐酸碱,弹性适当的特点。清扫车根据倾斜阵列式集热场的布置方式进行设计,可实现多轴联动同时清扫;电控系统可进行就地控制和远程自动控制操作,整体能耗低、清扫效果好。


  该装置在真实镜场环境中进行过8个月的每日长时间运行试验,尽量真实模拟清扫车使用约26年的情况,经过实际测试,清扫后镜面清洁率基本能够达到99%、反射率测试平均值保持在93%以上水平,很好的满足使用要求,且镜面无任何损伤,平均清扫耗电量仅占电站年发电量的0.2%左右,几乎可忽略不计。同时,该自动清扫车还能够加装除霜扫雪装置,操作简单,进一步适应多霜高寒环境。


图:一反射镜清扫车


  简易实用高效的雨水收集系统


  光热电站多选址在太阳能资源丰富地区,这些地区通常水资源匮乏,中国光热电站建设环境尤其如此,水资源制约现象愈加严重。兆阳光热在镜场设计环节对此进行了针对性考虑,增加了雨水收集装置,能够有效接收降水,力争实现基本自给自足的电站供水方式(主要由光热电站建设地区的年降水量确定),减少水资源依赖,缓解缺水地区光热电站的供水短缺问题。


  兆阳光热的HLIACS聚光集热系统独特的东西轴倾斜阵列布置方式,使得雨水可以顺着自上而下倾斜布置的镜面结构进行汇集,每片镜片的下边缘设有汇水暗槽,倾斜支撑结构具备进一步汇水导向功能,能够将绝大部分镜面接水导引至地面排水沟中,汇集至雨水塘;这种独特设计在常规槽式、塔式、传统菲涅耳式太阳能反射镜场中很难简单经济化实现。


图:支架雨水收集系统示意图


  雨水收集系统以聚光器的表面作为集水区,集水区收集到的雨水通过明沟或管沟导入蓄水池,进行沉淀处理,之后送入清水池,最后通过配送系统(重力或者泵)将二次净化的水配送至指定位置进行二次利用。


  以张北地区为例,据1956-2013年降水量统计,该地区累计年平均降雨量为389.8mm,累年最大降雨量560.9mm,累年最小降雨量245.2mm,累年单日最大降雨量93.4mm。根据场地条件,设计合理的南北向及东西向排水系统坡度,有效集雨效率按照60%计算,单列镜场单日最大降雨收集雨水超过500m3;全年时段,除去约30%的降雪部分,120万平米镜场年平均收集雨水约为15万立方米以上,基本可以满足一个50MW光热电站的绝大部分用水量,正常降水年景可以基本不消耗地下水,节水意义重大。


  特别值得一提的是,经过不同季节多批次检测,镜面收集的雨水有点类似蒸馏水,水质极佳,盐分很低,远远优于一般地下水,在对水塘进行简单防渗处理后,能长期保持良好水质,可以大大减轻化水处理设备的运行压力,降低制水成本,并且大幅减少浓水排放量。


  可生产约2/3厂用电的光伏辅助发电系统


图:HLIACS镜场集热器背板安装光伏电池板(红色框内)


  传统菲涅耳镜场结构中,位于高处的接收器始终都会在一次反射镜区域留下挡光阴影,是影响镜场聚光集热效率的因素之一,兆阳光热HLIACS系统的接收器也会出现小比例的遮光现象:太阳高度角较低时的接收器阴影会投射到镜片区域造成挡光损失;当太阳高度角升高到一定程度后,该阴影就会落到镜场阵列之间的间隔地带,不再给聚光集热效率带来影响,因此该接收器遮挡系数远远低于传统菲涅耳镜场。


  虽然已经进行了最小化遮光设计,兆阳光热仍然在HLIACS系统接收器的背面(向阳面)设计安装了光伏发电装置,以充分利用镜场土地及光热接收器支撑结构资源,同时对接收器起到遮光、挡风及防水等作用。这部分光伏发电装置完全不占用土地,不需额外安装支撑结构,还可以利用镜场配电电网接入,建设成本大幅下降,同时,这部分光伏发电功率与镜场光照强度(对应镜场集热功率,与厂用电负荷功率有相当关联度)基本成比例关系,适合实现该部分电量的自发自用本地消纳。以120万平米HLIACS镜场为例,能够安装的接收器光伏功率约为10MW,年发电量约1300-1500万度,可生产约2/3以上的厂用电量。


  更重要的是,这部分光伏发电的功率配备能够在正常光照条件下支持几乎全部厂用电负荷,使得光热电站在没有足够外部输入功率的情况下也可以连续保持正常的聚光集热及发电输出功能,而不必备用过大功率的备用发电机系统。这不但有利于增强电站可靠性和经济性指标,还对电站可能在各种外部复杂状况甚至特殊情况下实现黑启动发挥极为重要的作用。


  另外,通过对该部分光伏电量长期的运行管控,能够逐步了解光伏发电输出的运行规律与储能光热发电输出特性之间的差异及两者联合协调运行输出的调控方法,为进一步实现更大规模光伏电站与光热电站相结合的综合太阳能电站联合运行打下坚实基础,通过光伏光热优势互补联合运行模式稳定输出电能、降低成本,使太阳能发电能够作为稳定基荷电源并可大规模发展、实现平价上网。


  兆阳光热发电技术体系中的系列实用化创新不止于此,在此不再一一详细介绍。此类实用化技术是兆阳光热在充分学习吸收国际光热发电项目建设运行经验教训的基础上,针对中国特有条件资源情况而进行的创新发展,是中国光热发电项目顺利成功运行的必要保证和有效补充,是大幅降低光热发电成本、实现光热发电产业可靠、经济、大规模发展的基础之一,其价值和意义与主体技术创新成果同样重要。


  光热发电土地综合开发利用技术


  虽然中国适合大规模开发光热电站的区域面积很大,但考虑到土地管理政策及土地使用税费等因素,在我国建设光热电站,需要高度重视土地利用率及用地成本,否则有可能对投资回报产生较大影响。适合光热电站发展的区域往往经济发展相对较慢,存在寒冷、干旱、风沙大、工农业发展落后、本地就业机会少、扶贫工作困难大等系列问题;同时,也具备光照资源好、昼夜温差大、种植养殖特产丰富、产业化发展潜力大、劳动力成本合理等显著优势。


  另一方面,光热发电与风电、光伏等新能源产业相比有以下主要特点:


  1)项目建设期所需原材料绝大部分属于常规基础原材料,如钢材、水泥、玻璃等;


  2)项目运行期间需要的运维人员相对较多,组织架构齐全稳定;


  3)项目运行期间产生大量低品位稳定热源,具有潜在利用价值;


  4)项目场地面积较大而且封闭集中,水电资源齐备,便于管理使用。


  通过上述分析,兆阳光热从工程技术和产业整合两方面着手,通过优化完善镜场设计,提高土地利用率;通过将光热发电产业优势和建设区域的资源条件、经济发展特点匹配结合,实现优势互补、全产业链综合开发,实现土地资源的最优化开发利用,降低成本、提高收益,拉动就业增加收入,实现经济效益、社会效益双丰收。


  ▎HLIACS聚光系统的高土地利用率


  兆阳光热HLIACS聚光系统较传统菲涅耳、槽式和塔式光热电站,相同发电量情况下,镜场占地面积最少(见下表)。


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表:几种光热技术路线的反射镜面积与镜场占地面积的比值


  同时,由于HLIACS系统采用全架空支撑结构且每个回路的镜面阵列间隔宽度超过20米,镜面阵列下方架空高度能够满足各类养殖种植生产需要,回路间约25米的间隔露天区域除了预留车辆通行道路外,依然能够进行正常使用,因此,兆阳HLIACS系统的几乎全部镜场土地均能进行有效开发利用,非常有利于提高土地资源综合利用率。而传统槽式或菲涅耳镜场的镜面下方高度有限、回路间间隔宽度有限,很难利用。


  特别是,在整个HLIACS镜场范围已经基本均匀分布建设了管路、电力、通讯、监控系统,除了满足镜场正常聚光集热需求外,完全可以用于镜场区域的设施农业、养殖业生产活动,投资潜力巨大。


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图:兆阳光热技术体系区域土地综合利用图


  ▎实施光热发电区域土地综合开发


  ▶镜场土地改良,开展种植、养殖业


  适宜建设光热发电项目的区域普遍光照强、风大、降水偏少、植被生长困难、沙尘天气较多。通过建设光热电站镜场,能够有效控制地面光照、降低地面风速、减少水分蒸发,形成阴凉湿润、风速缓和的局部气候环境,从而促进植被生长、改善局部生态环境。兆阳光热经过多年种植实验证明,镜场土地综合利用在土地环境改良、种植养殖领域具备巨大潜力。


  例如,紫花苜蓿是一种高产、稳产的饲草,不仅饲用功能突出,同时具有多重生态功能。其根系发达,通过机械穿插作用加深活土层,固持土壤,有效地控制土壤表层和浅层不稳定性,提高土壤抗蚀性,减少地表径流量,是理想的水土保持植物;在盐碱地种植,可增加地表覆盖,减少地面蒸腾,抑制返盐,同时其发达的根系可促进降水的淋盐作用,降低土壤盐分;具有良好的固氮能力,对维持草原生态系统氮素的平衡及恢复退化生态系统都有重要意义。


  兆阳光热在张家口宣化地区进行紫花苜蓿种植试验发现,在基本不进行人工干预的条件下,其在HLIACS镜场下方的生长状况明显优于同区域的全露天环境,苜蓿的高度、密度、产量等均有显著改善。


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图:兆阳HLIACS镜场土地苜蓿种植实验


  光热镜场温室种植业


  从兆阳光热技术体系区域土地综合利用图中可以看出,HLIACS镜场区域中的相当部分面积能够建设温室大棚。通过试验发现,镜面遮光对温室大棚内的普通作物生长影响不大,还能够省去传统温室的遮阳装置,并且大幅降低管路、电路、信息、监控系统的建设成本,更适合发展高水平设施农业。


  以张北地区50MW光热电站为例,镜场面积近120万平米,电站总占地面积4300亩,初步测算能够建设高水平温室大棚1800亩以上,遮阳及普通温室面积大约各占一半。


  特别值得强调的是,由于光热电站的汽轮机乏汽能够释放大量低品位热量(30度左右),冬季时的这部分热量能够满足约一千亩温室大棚的正常生产需要,从而节省大量燃料消耗,节能减排、降低运营成本。如果对夏季时产生的这部分热量进行跨季节存储,则能满足全部1800亩温室大棚的冬季供暖,进一步增加效益。温室内可种植绿色无公害时令蔬菜水果、反季节蔬菜水果、中药材;建设育苗中心,用于瓜果、蔬菜、花卉类的育苗;建设菌菇、鲜花类大棚等。


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图:温室大棚育苗(左)、温室大棚花卉种植(右)


  光热镜场温室养殖业


  传统养殖业高能耗、高污染、低收益、抗风险能力差,大力发展高效集约化、工厂化、低碳化的现代养殖业是保护环境的有效方法,也是产业转型升级的迫切需要,同时也是促进经济发展、增加农民收入的有效途径。


  现代养殖业是一个高耗能行业,冬季饲舍的环境温度调节及禽畜饲料饮水温度调节都会耗费大量能源,成本很高,同时对禽畜健康及产量影响很大。兆阳HLIACS镜场下方非常适合大规模建设禽畜养殖棚舍,自然散射光采光条件完全满足采光要求,同时可利用现有水电配置设施,利用汽轮机乏汽热量进行冬季保温采暖可靠经济。经过长期调研及分析测算结果确认,采用兆阳光热发电技术体系的HLIACS镜场温室饲舍的现代养殖业能够极大改善经营管理和投资回报水平。同时,也可采取保温饲舍集中养育与镜场空地散养相结合的方式,增加饲养量,经济价值更高。


  以张北地区养牛为例,每年十月至来年四月的半年间,由于天气寒冷,普通牛舍为了充分保暖,夜间门窗严密关闭,温度一般只能达到7度左右,且内部空气污染严重,牛饮用水冰冷,非常不利于牛的健康生长,这种季节条件下育牛每头日均体重增长仅约0.9公斤左右;在HLIACS镜场下建设保温牛舍,利用发电乏汽余热或储热系统低品位热量进行冬季供暖保温,可以稳定保持全天牛舍内温度在12-15度左右,饮用水温度10度以上,还可利用少量电力进行有效的通风换气,大大改善生长条件。综合下来,每头牛日均体重增长可超过1.4公斤,较普通牛舍平均每头牛每日多增重超过0.5公斤以上,以每亩牛舍存栏60头,每公斤牛肉40元计算,一个冬季(180天)每亩新型光热供暖保温牛舍可以增收20万元以上,经济效益非常显著。同样道理,养鸡养猪业也有类似发展优势。


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图:猪舍、牛舍养殖


  由于光热电站长期稳定经营,封闭管理、环境安静、水电设施齐备,特别是兆阳光热发电技术体系采用天然环保的水工质传热及混凝土固态储热,保证镜场区域安全洁净无污染,特别适合进行大规模、规范化的现代种植养殖业发展,增加就业、鼓励创业、促进地方经济发展,实现比光伏产业更可持续、更有效、收益更高的精准扶贫效果。


  兆阳光热公司提出的光热发电土地综合开发利用思路及探索实践,考虑到中国自然资源特点和土地使用成本较高的客观现实,充分利用土地资源、挖掘发电余热潜力,深耕光热发电产业链,不但能够有效增加投资回报,还能保护环境造福一方,为带动地方经济长期可持续发展做出贡献,实现经济效益社会效益双丰收。同时,这一系列具有较高竞争优势的配套产业很容易在电站运行期内实现长期经营发展,能够提供很多的创业经营平台,成为在艰苦偏僻地区保持高素质队伍稳定的强有力保障,为实现光热发电产业大规模发展发挥非常重要的作用。


  这是兆阳光热围绕光热发电产业链深入发掘而进行的一些有益探索及尝试,兆阳光热提出的“深耕光热发电产业链,实现经济、社会效益双丰收”的目标已初步取得了一些成果,引起多方的强烈兴趣。目前,光热与光伏、风电相结合的综合电站、光热农场、光热牧场、光热新能源小镇等更多方面和更大规模的合作开发构想正在进行中,CSPPLAZA将对此持续关注。

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