新的集热技术将为槽式光热电站带来哪些变革?
发布者:admin | 来源:CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 1423查看 | 2018-07-06 18:54:00    
CSPPLAZA光热发电网讯:6月20日至22日,在中国国际光热电站大会暨CSPPLAZA第五届年会上,常州龙腾光热科技股份有限公司(简称“龙腾光热”)总经理俞科就“光热技术革新及其驱动下的成本下降”就行了主题发言。


在本次发言中,俞科指出,槽式光热发电技术较为成熟,现阶段需要关注其规模化和产业化发展的问题,且槽式技术有很大的发展空间。


据俞科介绍,目前,龙腾光热已积极开展项目立项,建立开放式研发项目平台,拟引入智能制造及玻璃工业的最新技术,在集热器技术和传储热技术领域取得更多技术突破,实现2025年光热发电度电成本降低40%的目标。


在上述概念设计方面,龙腾光热已经取得了一些成果:在其概念设计2020中,集热器开口宽度约为8.2m,长度约为14m,采用3只管径为90mm的集热管,每只长度约为4.7m,峰值光学效率可达到81.44%,设计点光热效率达到76.1%,设计点回路集热功率可提升至约2.8MWth;在概念设计2025中,其借鉴了目前全球建筑及玻璃领域最先进的技术,将玻璃制成约10m长、4m宽的规格,仅仅用8片玻璃,就组成开口约为14m、长度约为21m的集热器模块,配套的集热管管径为105mm、长度为约5.3m,其集热效率及压降控制都会得到非常有效的提升。


通过利用新的集热技术,可以有效地提高电站效率,并减少回路数量、减少占地面积、降低泵功耗、减少柔性连接及驱动跟踪系统,实现电站成本的下降。


最后,俞科表示,我们希望在未来有更多的合作伙伴和技术专家能投入到光热发电领域,促使产业在各个方向、各个点上更快地降低成本,并推动新产品和新技术的应用。



更多精彩内容,请阅读下面刊出的俞科的演讲全文:


大家上午好!我很荣幸今天能够给大家讲槽式光热发电技术发展的成本下降。那么,为什么要讲槽式技术的发展呢?提及槽式光热发电技术,大家会觉得槽式技术是一项很成熟的技术,现在需要关注其规模化和产业化的问题。今天我要讲的主题即为槽式技术一直在发展,并且存在很大的发展空间。


首先,我先介绍国际上两个比较典型的槽式项目。第一个项目是美国装机280MW的Solana槽式光热电站,这个项目已经运行若干年了,我们在网上能查到关于该项目的诸多数据:它采用传统的联苯-联苯醚导热油作为传热介质,配置6小时的熔盐储热,集热器开口约5.8m,年设计发电量9.44亿度。大家可以看到,当地光资源较好,DNI为2519kWh/m²,年均光电效率达到17.03%,美国Solana电站选址于光照条件相当好、纬度也不高的地区,因此即使是槽式技术也可以达到相当高的转化效率,由此也说明选址的重要性。同时,我可以再提供一个数据,2017年6月份,美国Solana电站单月净发电量达到1.16亿度,折合单月的净满发小时数为414小时,从这个侧面反映出该电站整体的发电能力是相当惊人的。


另外一个项目是大家非常熟悉的NOOR2项目,其新颖之处在于采用Sener大开口集热器,集热器开口约6.8m,集热管管径为80mm,目前该电站已投入商业运行,采用了4罐一组的形式来实现7小时的储热。我们在哈密的新项目的可研中也采用了类似的储罐设计,加之硅油的储热密度相对较高,这样通过两个储罐的布置就可以实现100MW电站8.5小时的储热能力(借鉴了NOOR2项目的技术),Noor2项目是目前在运行的槽式电站中技术水准最高的一个项目。


下图显示的是标准集热器、新设计的开口约8m的集热器及另外一种超大开口的14m集热器的概念设计图,大家可以看到,按照人物模型比例,这三种集热器的差异其实很大,大开口聚光集热器作为槽式发展方向,主要有什么优势呢?



首先,大开口集热器可以增加光热转换效率,通过优化设计降低结构重量。同时,通过提升组装效率,降低组装成本,减少回路阵列,相应地减少土建基础、管道、阀门、控制跟踪及柔性连接等。由此,在降低成本的同时,也能提高系统的可靠性和可维护性。


其次,集热器开口变大的同时要扩展集热管的规格,制造更长的集热管、实现更大的管径,由此可以提升集热管的光学效率,同时也能在生产过程中降低集热管的制造成本。同时,在现场可以减少集热管焊接的工作量,能降低管道流阻,减少系统泵耗。


再次,标准化的制造技术。目前,槽式集热器由许多单体部件组成,这些单体部件需要在工厂进行生产,并且运输至现场,再进行组装。在未来的集热器开发中,我们想通过设计优化尽可能减少部件数量,更多地使用类似规格的材料,从而使生产更具有通用性。例如我们现下采用的集热器技术,涉及的材料规格就有六七十种,对于生产而言,就会带来相应的管理成本。对于运输而言,因采用预生产集热器部件的方式,因此运输效率不会太高,由此会带来很高的运输成本。


另外,在组装技术方面,目前集热器的组装相对比较复杂(大家可以通过一些视频、通过一些渠道能了解),需要通过一个组装流水线、多个工序完成集热器组装。在未来,通过简化集热器的设计,我们会将集热器的组装工作变得更加简易,每平米集热器消耗的组装人工时会大幅缩减。


此外,在传热介质方面,它一直是槽式光热技术一个重要的研发方向。现在,槽式电站工作温度被限制在400多度,如果采用现有的熔盐技术又会带来很多电伴热以及冬季维温补燃等相关需求。因此,在未来,纳米传热介质等各方面研究是槽式技术领域更加关注的方向,这有利于整体提升电站运行温度、提升储热密度、降低凝固点,减少冬季的运维成本,同时能够降低生产成本。


对于槽式光热技术的发展,我们公司现在已经在立项,开发新型槽式集热器,建立开放性平台,与合作伙伴们就不同的技术领域进行一些合作研发工作,项目总体立项是集热器技术研发2025项目。


我简单介绍一下项目背景:国际能源署IEA光热发展路线图中预测光热发电到2050年将满足全球电力需求的11%,到2030年装机将增至261GW,到2050年装机将增至982GW;度电成本的下降是实现该目标的决定性因素。


关于项目目标:建立开放式研发项目平台,集中全球光热领域技术与产业资源,引入智能制造及玻璃工业的最新技术,在集热器技术和传储热技术领域取得更多技术突破,引领全球光热发电产业发展趋势,实现2025年光热发电度电成本降低40%的目标,推动全球光热市场实现更好的增长。


在上述概念设计方面,我们已经取得了一些成果:这种集热器与目前全球市场现有的大开口的集热器的设计理念有些类似,从理论上来说,这种常规的大开口集热器在2019-2020年期间就能够投入商业化应用。目前,国内已有的相关产业链包括反射镜、集热管、支架生产工艺完全可以匹配这种集热器的生产需求,这种集热器也是NOOR2及迪拜600MW项目中通用的集热器技术。


目前,在我们的概念设计2020中,其开口宽度约为8.18m,长度约为14m,采用3只管径为90mm的集热管,每只长度约为4.7m,峰值光学效率可达到81.44%,设计点光热效率达到76.1%,这样设计点回路集热功率可提升至2.8MWth。目前,在开口约为5.8m的集热器、600m长的回路中,设计点回路集热功率基本在1.8MWth左右。整体而言,在槽式集热器的发展方向中,单回路集热功率要增加,从而使集热器成本和镜场的投资成本下降(与风电类似,最初风电机组的功率是1.5MW,现在制造的大风机有5MW的,在单体容量增加之后,由于其它部件基本没有变化,其综合成本必然能够得到有效的下降)。


在远期的概念设计2025中,我们采用的玻璃非常少,只有8片玻璃,就组成了开口约为14m、长度约为21m的集热器,在这方面,我们借鉴了目前全球建筑及玻璃领域最先进的技术,例如苹果总部拥有共计20万㎡的玻璃幕墙,其中超大块玻璃幕墙长度大约为16m,宽度大约为14m,如果采用这种技术来制造槽式反射镜,一片玻璃就能解决整个镜面的问题,但实际上,直接采用这种方式会带来相当高的运输成本。


因此,在我们的设计中采用类似技术,但是将玻璃制成10m长、约4m宽的规格,这样便可以采用常规的运输车进行运输。我们可以想象到,采用这种技术之后,包括运输和安装的效率都会非常高,加之集热管管径为105mm、长度约为5.3m,其传热效率包括介质流量都会得到非常有效的提升,峰值光学效率能提升至85.43%,设计点回路集热功率可达到约4.4MWth,预计2022年左右能够实现商业化应用,这对于槽式技术整体的成本下降会有非常大的帮助。


接下来,我想通过一些数据跟大家分享一下新的集热技术会给槽式电站带来哪些改变?


我想介绍三种槽式电站的设计方案,当前基准槽式电站是我们在新疆哈密新项目可研中采用的方案,采用常规的开口约为5.8m的集热器,配置8.5小时的双罐储热,硅油运行温度可以达到425℃,未来可以达到435℃。


在概念设计2020中,集热器开口约为8.2m,概念设计2025中,集热器开口约为14m,集热器阵列间距也有很大变化,这是一个优化的过程。如果缩小集热器的间距,可以实现节约土地,但是会产生阵列间的遮挡,使光热转化效率降低。对此,我们在哈密新的项目可研分析中,对集热器阵列间距从12m-18m进行差值分析,年均光热转化效率可以从34%提升至到42%。因此,我们在设计时会优化集热器阵列间距(当然也要考虑使用土地的成本)。随着集热器开口的增大,集热阵列的间距也会相应有较大的增加,基准电站中采用356条回路,集热面积大约116万㎡,如果用开口为8.2m的集热器,总的集热面积大约为104万㎡。


在概念设计2025中,集热面积为94万㎡,占地面积实现了大幅度的缩减。在当前基准槽式电站中,导热油循环泵功率为7.38MW,主循环泵的功耗占绝大部分比重。在概念设计2020中,如果采用开口为8.2m的集热器,用90mm管径的集热管,导热油循环泵功率为6.64MW。在概念设计2025中,采用开口为14m的集热器,主循环泵功率降到2.45MW,相当于自耗电降低50%以上。


同时,这三种电站年均光热转化效率变化情况为:从41%到45%再到46%的提升过程;此外,年均总光电效率有很大提升,从14%到16%再到17%。当然,哈密的纬度较高。由此,大家可以看到选址的重要性、光资源的重要性(光热发电对资源有非常高的依赖性)。


我们也选取了一个当前基准熔盐塔式电站的效率(选自公开资料)。目前在哈密地区,100MW熔盐塔式电站的年均光热转化率约为38%,年均总光电转化效率约为16%。槽式电站属于线聚焦集热方式,有真空保护的集热管,对流损失较少,由此可以看到其热效率相对高一些。但是,其管路损失会大一些。塔式光热电站中,汽轮机效率为45%。整体而言,熔盐塔式技术相较传统的槽式技术在光电转化效率上有明显的优势。在我们哈密新的项目可研中,哈密年均总光电效率能达到14.62%,如果采用开口为8.2m的新集热器,光热转化效率和光电转化效率都能进一步提升,基本能够接近现有熔盐塔式电站整体的转化效率。在目前技术水平下,如果用更新一代的集热器,光电转化效率可能超出传统熔盐塔式电站。


大家可以看到,光热转化效率跟光电转化效率可能有一个不同的趋势。从传统火电来看,后端发电效率越高,整个系统效率肯定越高,但是,在光热领域,因为存在光到热的转化,槽式作为线聚焦系统与塔式作为点聚焦系统,在光热转化效率上有明显不同。槽式是典型的并列式、单模块组成的系统,规模大和小对于槽式系统的效率几乎没有影响,一条回路和一百条回路对光热转化效率不会有太大影响,50MW电站跟200MW电站的集热场的整体效率基本不变,当然母管道的传热损失会有所增加。


对于塔式电站而言,比如装机规模为50MW的电站,距离吸热塔近的定日镜的光学效率肯定更高。如果装机规模为200MW,镜场面积会更大,在3公里以外的定日镜的光学效率会有所降低。当然,在塔式技术路线中,电站装机规模由50MW到200MW,对定日镜场的设计也会不断优化,从而提升光热转换效率。但是,由于槽式技术属于线聚焦,采用真空集热管,目前来说,开口为5.8m的集热器大约有1.7m的焦距;如果集热器开口为14m,焦距大约为3m。从聚焦集热的角度来讲,其效率还是相对较高的。目前,槽式电站管路系统非常长,直接采用熔盐作为传热介质的话,就面临防凝问题,我们采用硅油介质,凝固点在-40℃以下,不涉及防凝问题。


总而言之,随着新技术的应用,整个电站的效率可以提升,回路数量可以逐步下降。在占地面积方面,采用方案一占地面积下降超过10%,采用方案二将超过20%;从回路数量来讲,相对于基准方案,采用方案一回路数量下降超过35%,采用方案二回路数量下降超过60%。因此,我们采用开口为14m的集热器后,电站占地面积和管路、集热管、跟踪系统及仪器仪表等设备的数量都会实现大幅下降,整个镜场的集热器模块会有极大的下降,可以说回路数量下降超过60%,安装工作量可能下降超过80%,整个集热器的现场组装会变得相当简易;在泵功耗方面,在采用70mm管径集热管的600m的回路中,使用旋转接头作为柔性连接,包括356条回路,会造成相当大的泵功耗。在未来,采用105mm管径集热管、开口为14m的集热器的集热技术中,泵功耗会极大下降,系统可靠性和稳定性也会得到很大的提升。


最后,我想总结一下槽式技术发展与产业化发展的方向,主要在于几个方面:


1.提升单回路集热器设计点功率,可极大地降低单回路或者单兆瓦的造价。


2.提高回路的光热转化效率(槽式电站不会因为规模扩大而降低效率,国际上都是往大了做。例如,迪拜项目装机都是200MW,在未来可能不会看到100MW以下的槽式电站,因为它很容易实现规模化)。


3.减少回路数量,降低集热场的综合成本(包括基础、管路、控制等)。


4.降低主循环泵功耗,降低厂用电(冬季不用夜间泵送,不需要天然气补燃,这些都会降低运维成本)。


5.开发新一代反射镜。前段时间青岛展馆采用的超大面积的玻璃幕墙,里面有薄膜涂层,可以用来发电,单块面积十分大,这种大型钢化、高精度、双面复合的建筑玻璃技术,近来得到了极大的提升。目前,我们跟合作伙伴在开发的反射镜采用常规的建筑厚玻璃作为底板,钢化之后贴合,贴薄玻璃,反射率可以做得更高,现在基本可以达到96%,甚至是96.5%,反射效率会得到有效的提升。同时,单片玻璃面积也会非常大,将来我们可能会用12m长的运输车运反射镜。一辆车可能运几十片,就可以安装出几个大型的SCE,运输和安装的效率和匹配度会非常高,整个集热厂安装时间会极大地缩短。


6.采用高温、低凝固点的传储热材料,提升汽轮机效率。在这方面,我们采用硅油技术,也希望与合作伙伴在这个领域向前迈进,我相信,随着整个光热市场的扩大或者全球光热市场的发展,材料企业对光热市场关注度提升之后,新材料、新技术的应用会有很好的发展和提升(类似于新能源汽车,原来锂电池一直处于不温不火的状态,随着市场的需求、政策的引导,现在这个产业引入了超量资金,很多企业为锂电池产业链上各个点的技术在投入大量资金进行研发,这项技术发展得非常快),相信光热行业只要有良好的市场支撑和政策引导,也会出现在各个环节你追我赶的技术发展热潮,这也会成为将来推动技术和成本下降的根本性力量。


7.针对大槽技术开发分散式驱动跟踪技术。现在槽式集热器设计上,比较大的一个难点在于为了节约跟踪成本,通常采用中央驱动,一个驱动点带动150m的回路,将来有可能带动200多m的回路,这要求集热阵列必须保持水平,这是因为槽式电站对场地有相应的要求,通常来讲斜度不能超过3%,采用大开口的集热器后,两个SCA就能实现相当大的热功率。当然,现在驱动技术也在发展,使这个模块变得更小,对地形的适应性更好,将来可能考虑使2-3个模组适应一片地形,不需要对场地做台阶式的布置,能够随地形布置,这种情况下,槽式电站对于场地的要求可能会降低,可选择的厂址就会增加,这也是目前正在投入大量精力研发的一个方向。


以上几点是我对槽式光热发电技术以及产业化发展进行的简单分析,相信随着行业的发展,我们有更多的合作伙伴、有更多的光热方面的技术专家、科研院所能够投入到这个领域,让我们在各个方向、各个点上推动这个行业更快地降低成本,更好地推动新产品、新技术的应用。


感谢大家关注光热的发展!谢谢!


提问:俞总,您好!我来自青岛华丰伟业电力科技工程公司,我们负责NOOR2项目的调试,您介绍公司在做大开口集热器,那在抗风速方面有没有研究呢?


俞科:中国要特殊应对风速的问题,就槽式项目来讲,德令哈项目集热器采用欧槽。内蒙相对于德令哈风速更高,风载提升了30%,所有集热器较德令哈项目的集热器进行优化,当然,优化之后,集热器的重量提升了,强度也提升了。当然,不仅仅是集热器本身,对于整个集热场,包括防风墙的布置、单条回路上有不同加强型集热器和标准型集热器的配置,并在风载测算中对地基、立柱进行各种优化。事实上,集热场是非常复杂的系统,并不是非常简单的标准化和模块化,我们要考虑到风速对于集热场的影响。


提问:您介绍的十几米长的反射镜是比较长的,单片反射镜可能只需要6个固定的螺丝,但是,对于十几米长的反射镜,有可能需要用几十个螺丝固定,在这种情况下,你们公司有没有针对大风情况下反射镜镜片的共振进行研究呢?


俞科:我刚才提到的是引入最新的建筑与玻璃行业的设计理念和技术。现在我们采用的玻璃其实要符合建筑防风标准,槽式集热器应该还不属于高层建筑,通常建筑领域采用的幕墙是要符合高层建筑物的设计标准。就超大镜面的反射镜而言,它与传统的反射镜不一样,传统镜面是柔性结构,这种镜面是半钢性结构,支撑点很少。但是,每个支撑点承受的强度会很大,支撑点的形式与现在的也不一样,现在采用的是陶瓷片来支撑一个点,整体是柔性结构,消除风载和振动。


在未来,反射镜本身强度会非常高,支撑结构的设计会更加简单,支撑点设计不会采用陶瓷片,而是采用类似塔式定日镜使用的背板,用整体的背板来承受单点更大的载荷,这种设计理念同现有的槽式集热器的设计理念不同,对于风载、对于钢结构减重也会有不同的考量。


现有的集热器,比如单回路150m长,集热器开口为5.7m,中央驱动的两个点承受集热器最大的载荷,导致所有的集热器模块都必须为了满足载荷进行优化。对于分散式驱动系统,通常一个驱动点承担两三个、三四个SCE,SCE承受的载荷基本不用考虑,这样可以大幅度削减钢结构重量,抗风能力依然能够达到类似要求。另外,其驱动跟踪方式也不是单点驱动然后带动两端,而是用分散式驱动,实现趋于一致的追踪角度。


提问:俞总好!我是兆阳的,很高兴你们在槽式上又有了新的开拓,使集热器的性能更加优越,光学放大倍数已经到133了,你们启动的最低DNI可以降到多少?因为有时候DNI太小启动不了,现在大致到多少了?


俞科:这个我要详细检查一下,因为通常启动的DNI是指晨间最早启动时,能够达到最低流量的数值。由于选址不同、纬度不同,DNI数据都有很大变化,最终把DNI根据太阳高度角折算出来一个槽面可以接受的转化过的辐射值,这样是相对比较准确的,如果单用DNI,冬季和夏季DNI值相同,效率会差很多。


提问:比如哈密呢?


俞科:现在可研中用的还是传统的开口为5.7m的集热器,没有将概念设计应用到新项目中,预计2019年-2020年期间该技术会投入商业化应用。


提问:你们可能选择了很薄的玻璃,如何抗冰雹呢?


俞科:薄玻璃现在也有钢化,也有非钢化的、贴合的。比如有冰雹的情况下,单片破碎不会导致镜面崩裂。当然,如果考虑抗冰雹,这种设计不是用前表面接受冰雹的冲击,而是用后表面,因为后表面是建筑玻璃,如果一定要用最薄弱的方做可能是有问题的。


提问:所以,天气预报要很准。


俞科:当然,钢化贴合的情况下,冰雹测试应该是没问题的。


提问:我是来自中机电力的张庆宝,我有一个问题,上面说到单回路集热器设计点热功率,您提到1.8MWth、2.79MWth、4.38MWth,对应的设计点DNI是多少?一般还有纬度吧?


俞科:光线垂直照射于槽面,入射角为0度,所以就不用考虑纬度了。

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