你不了解的光热发电实用设计及综合利用技术
来源:CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 2741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
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