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    獨特的類菲涅耳聚光集熱系統 削減線聚光系統建設成本1/3
    時間:2018-02-08 17:35:02

    ——兆陽光熱創新型光熱技術體系系列深度報道之三


    CSPPLAZA光熱發電網報道:高20余米,寬20多米,東西軸向1200多米傾斜布置的一列列集熱器上,整齊排列的微曲面反射鏡瞄準了30余米之外的真空集熱管,在200倍的高倍聚光下,在DNI超過250W/㎡的一般輻照條件下,就能夠穩定產出450℃的過熱蒸汽。


    這是北京兆陽光熱技術有限公司(以下簡稱兆陽光熱)獨創的HLIACS聚光集熱系統,無論是其支架結構、反射鏡結構、二次聚光系統、跟蹤系統、集熱管等等方面,無不刷新了人們對傳統太陽能聚光集熱發電方式的認知。


    光熱發電技術的商業化進程已有30多年,中國人真的創造出了一種更高效、更低成本的聚光集熱技術嗎?今天,在河北省張家口市張北縣已經建成的一個15MW的示范電站,通過其實際運行測試,證實了該技術體系的可行性,消除了大多數人對這一創新集熱技術的質疑。


    作為兆陽光熱技術體系的核心之一,HLIACS聚光集熱系統與傳統的槽式及菲涅耳式集熱系統有著很大的不同。據CSPPLAZA了解,這種設計是在分析研究、消化吸收國際成熟可靠的線性聚光集熱技術的基礎上,充分考慮中國資源氣候特點后完成的,這些獨特之處主要是從全年總得熱量最高、每日得熱量均衡、高聚光倍率和低建設成本等方面綜合考慮確定的。


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    日得熱量均衡、全年總得熱量高


    在我國,由于太陽高度角存在季節性變化,以及陰雨雪天氣影響,同一地點全年各月的DNI累計值并不均勻,這是光熱電站設計時需要特別考慮的重要因素。


    經測算,HLIACS聚光集熱系統不同季節的日得熱量相對非常均衡,而南北槽式和南北水平菲涅耳式兩種線性聚光集熱系統不同季節的日得熱量差異都很大(相差接近一倍)。


    為何要強調日得熱量均衡?原因在于,作為以24小時為周期進行儲熱運行的光熱電站,系統成本中儲熱介質和換熱系統成本占據重要比例,而該成本與額定儲熱容量、峰值換熱功率的選擇存在近似比例關系。當全年的日得熱量相對均衡時所需峰值換熱功率也較均衡,額定儲熱容量及峰值換熱功率很容易匹配到最佳值,使得在全年盡量多的獲得得熱量的情況下儲熱系統額定設計儲熱量及額定換熱功率最小,實現棄熱最少、儲熱介質和換熱系統成本最低的雙重最優。


    如果不同季節每日得熱量差異很大,則當按照最大得熱量和最大換熱功率選擇額定儲熱容量及額定換熱功率,就會有相當時段因為每天得熱量很低及所需換熱功率很低而未充分利用額定儲熱容量和額定換熱能力,進而導致建設成本的投資浪費;而按照最小或中間得熱量和換熱功率選擇額定儲熱容量和額定換熱功率時,則會導致在得熱較多天數出現有較多的熱量因無法進行換熱和儲存,熱量廢棄和鏡場投資浪費。


    槽式、菲涅耳式等采用真空集熱管的線性聚光集熱系統的日得熱量與太陽光線入射角度顯著相關,表現為鏡面截光率和玻璃管透過率的雙重余弦效應疊加。


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    圖1:效率隨入射角度變化的趨勢圖


    由圖1可見,隨著太陽光線入射角度的增大,鏡面截光率、玻璃透過率以及綜合得熱效率(綜合得熱效率=透過率*截光率)都會顯著降低,并且這種降低是非線性關系,入射角增大到一定程度,衰減會劇烈增加。


    南北軸水平布置的線性聚光集熱系統在一年中的入射角變化與聚光鏡場所在地的緯度角有顯著關聯。以北緯41°場址為例:當采用南北軸水平布置方式時,根據典型年氣象數據進行分析,得到太陽光線的入射角度在03月20日春分日、06月21日夏至日、09月23日秋分日、12月22日冬至日四個典型日隨時間變化的趨勢。可以看出,夏至日入射角度明顯低于冬至時的入射角度。可以推算冬至日前后一段時間里,每日DNI數值較高的時段,太陽光線入射角已經進入余弦效應顯著的范圍內,從而導致聚光集熱效率大幅下降。


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    圖2:南北軸水平布置時典型日入射角度隨時間的變化曲線


    而HLIACS聚光集熱系統東西軸向陽傾斜布置方式的入射角與季節基本無關,而只與每天從早到晚太陽的運動軌跡有關,同樣以北緯41°場址為例:圖3清晰表明,HLIACS聚光集熱系統由于季節變化帶來的入射角變化幅度非常小,可以忽略,雖然一天之內不同時段入射角度的變化依然較大,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,而在此區間的DNI較低,故雙重余弦效應帶來的集熱損失也就大幅減少。


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    圖3:HLIACS聚光集熱系統典型日入射角度隨時間變化曲線


    另外,根據張北地區實測數據統計分析,HLIACS聚光集熱系統由于跟蹤角度范圍原因不能接收利用的夏季太陽光照資源不到全年可利用光照資源的3%,棄光量很少,這也是HLIACS聚光集熱系統全年得熱量均衡的原因之一。


    由于國內場址所在緯度比大部分國際已建成的場址所在緯度平均高了約7°左右,顯然屬于重大的外部條件變化,會導致國內鏡場南北軸布置方式,特別是水平南北軸菲涅耳方式,在冬季的雙重余弦效應劇烈上升,單日得熱量迅速下降,不但得熱量季節分布很不均勻,而且全年總得熱量也不高。


    東西軸布置方式雖然也將面對每天早、晚兩個時段的雙重余弦效應,但這兩個時段的DNI較低、光照能量較少,其在該時段的累計光照能量的比例也較小,故余弦效應帶來的損失相對較少,全年平均集熱效率相對較高,全年累計總得熱量較高。


    上述結論已經被張北地區近十年的光資源數據統計以及近幾年的實際測試結果實際驗證,相信在中國大部分光熱電站建設區域均存在類似規律,值得高度重視。


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    圖4:不同技術路線集熱場單位鏡面各月累計集熱管得熱量的分布圖


    另外非常重要的一點是:由于東西軸的雙重余弦效應是以日波動周期出現的,日周期運行方式的儲熱系統可以將一天內不同時段的得熱量波動全部緩沖,對電站穩定運行平滑輸出沒有任何擾動;而南北軸的雙重余弦效應是以年波動周期出現的,冬季得熱量顯著下降的情況顯然無法通過儲熱系統克服,因此對電站的均衡輸出和平穩安全運行可能會造成很大影響。


    采用2009年張北地區的DNI數據,通過考量聚光集熱過程的各影響因素,計算不同集熱系統在相同鏡場面積下的得熱量,如下圖所示,HLIACS集熱系統全年得熱量分布偏差較小,實現了全年得熱量均衡的目的,而南北軸布置的槽式集熱系統則在夏至日和冬至日時出現了較大的得熱量偏差,難以實現均衡穩定輸出運行。


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    圖5:HLIACS集熱系統全年四季4個典型天(春、夏、秋、冬)得熱量分布相對均衡


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    圖6:南北軸布置的槽式集熱系統全年2個典型天(夏、冬)得熱功率分布差異巨大


    南北軸水平菲涅耳式和南北軸水平槽式聚光鏡場全年各月得熱量很不均衡,在太陽高度角低的冬季,由于反射鏡面的余弦損失大、真空玻璃管的透過率低,導致聚光鏡場得熱量低,再加上我國西北地區冬季寒冷,管道等高溫部件不但白天散熱量增大而且還需要大量的熱量進行夜間保溫防凍,因此有效可用熱量更低。


    東西軸向陽傾斜布置的HLIACS集熱系統由于僅在早晚較短的低DNI值的時段,由于太陽光線入射角度稍大,而余弦損失較大;但其余時間段的高DNI值下的太陽光線余弦損失很小,所以全年得熱量較高、各月的得熱量相對更加均衡,并且設計的配套儲熱換熱系統容量更為科學、有效,運行時緩沖較為平滑,能夠滿足全年不同季節的電網運行調度要求。


    實現高聚光倍率,保效率降成本


    中國的太陽資源在全球范圍相比只能算較為豐富資源,適合光熱發電建設的區域平均有效的DNI值整體不高,基本在1400-1950kWh/m2/a范圍,再加上緯度較高、冬季酷寒、風沙較大等不利因素,對聚光集熱效率帶來很大挑戰。


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    圖7:集熱溫度-系統效率曲線


    從光熱研究領域廣泛使用的上圖可以大致推論,集熱器輸出溫度450~480℃時,聚光比大約在140倍左右時具有最佳的系統效率,但如果進一步考慮到中國光熱電站建設區域的太陽能資源平均低于美國30%~35%,且環境平均溫度更低等等具體條件差異導致聚光集熱效率偏低,實際最佳聚光倍率與上圖應有所區別,聚光倍率需要有較大幅度的提高才能夠達到系統效率最優點,因此,HLIACS集熱系統設計選用160-200倍左右的聚光倍率,使其能夠更加適合我國光熱電站開發區域的環境資源條件(具體詳細計算過程略)。


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    圖8:HLIACS聚光集熱系統示意圖


    那么,如何實現高倍聚光呢?HLIACS系統利用了兆陽光熱的專利技術:小角度入射時二次反射鏡的高倍聚光特性實現鏡場組合高倍聚光效果。例如將200倍的綜合聚光倍率分配為25倍*8倍的組合,其中一次反射鏡面總寬度與吸熱器CPC開口寬度比達到25倍,經特殊設計及特殊工藝加工的二次反射鏡(CPC)由于入射光線夾角范圍較小,能夠實現8倍甚至更高的二次反射聚光效果,將小夾角匯聚而來的鏡場反射光進一步相對均勻地反射匯聚至集熱管的整個圓周表面;而向陽傾斜鏡場布局、微弧曲面鏡、高度角跟蹤方式能夠將入射太陽光線用較小的匯聚夾角和較高的25倍聚光射入CPC入口,在跟蹤較小的高度角變化范圍時,始終保持很好的聚光效果,從而有效保證了較少的軸數、高倍聚光時仍有較大的光學容差角度。


    在電站設計總發電量或鏡場總面積確定后,高倍率的HLIACS聚光鏡場能夠使回路數量比通常的80-100倍聚光鏡場的回路數量減少一半以上,因此所需的管道、閥門、儀器儀表以及真空集熱管的使用數量大幅度減少,大幅降低了采購建設成本;另外,HLIACS的高聚光倍率的集熱管外表面積的單位熱流密度超過槽式單位熱流密度兩倍多,二者使用相同介質且輸出相同參數時,前者的熱損失/得熱量的比例較后者要低得多。相同工況下單位長度集熱管散熱損失功率相同,由于較低DNI地區或較低倍率的聚光系統中單位長度集熱管得熱功率較低,故相應的集熱效率也就較低,同時對低DNI時段的光資源也難以利用;于是,槽式鏡面開口變大倍率變高成為趨勢,但實際上,綜合評估電廠所在地的大風等自然條件、光學跟蹤精度及容差角度等因素,不難看出槽式開口變大不僅要考慮技術和工程細節問題,更要考慮成本實現問題,實現起來較困難,目前一般很難超過100倍;而HLIACS鏡場系統能夠在保持較好的光學容差角度情況下,很容易實現低成本高聚光比(200倍左右),在降低一半的聚光集熱損失的同時,還可有效收集利用DNI強度250W/m2以下的較低光照資源,并可減少溢出能量損失,提高系統集熱效率,節流開源降低成本的效果顯著。


    需要特別說明的一點是,經過近一年的測試運行、改進完善和考驗驗證,在發現并解決了常規真空集熱管的設計不周問題后,現在可以證明在HLIACS聚光系統的200倍光強環境下,多家國產真空集熱管產品均可初步滿足使用要求,已經批量安裝并經過四個月連續運行使用,目前真空集熱管無爆管現象,質量表現穩定,真空集熱管彎曲程度、失真空比例等指標遠遠優于一些槽式電站案例的披露信息。


    實現低建造成本,保證投資回報


    ?支架用鋼量大幅下降


    HLIACS聚光系統的支架體系采用架空式金屬支撐結構,在陣列周邊進行增強處理后,可起到類似于擋風墻的作用,聚光系統內部的風速大幅減小,因此對聚光系統內部支架的抗風載能力要求明顯降低,在可抵御10級風的情況下,鏡場支架體系的總用鋼量依然可以大幅度下降。以上設計已經成功通過流體力學有限元分析、模型風洞試驗及實際安裝現場10級大風條件下的考驗驗證。


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    圖9:HLIACS聚光系統風洞實驗


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    圖10:HLIACS聚光系統風洞實驗(含農業大棚和擋風墻)


    ?驅動系統簡單可靠


    兆陽光熱開發的驅動系統采用純機械電機(減速機加連桿結構)的跟蹤驅動方式,對光線追蹤角度的控制更加精確,整套驅動的減速比可以達到約30萬,大減速比驅動對長距離回路驅動精度更高。由于未采用液壓裝置,該驅動系統耐寒、抗風沙,即使布置在多風沙的嚴寒地區,也能有非常好的適應性,同時檢查維護直觀簡單,工作量小。


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    圖11:驅動系統


    ?鏡場緊湊占地較少


    HLIACS聚光系統,相較普通菲涅耳、槽式和塔式光熱電站而言,相同發電量情況下,鏡場占地面積最少(見下表),并且土地綜合利用率非常高,除了鏡面陣列下方架空高度能夠滿足各類養殖種植生產需要外,還可以對回路間20米左右間隔的露天區域進行正常利用,幾乎全部鏡場土地均能實現有效綜合開發,因此折算到光熱發電的土地成本很低。


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    表1.幾種光熱技術路線的反射鏡面積與鏡場占地面積的比值


    再者,兆陽光熱具有自主知識產權(目前已取得13個國家或地區專利授權)的微曲面反射鏡制造技術,利用雙平板玻璃冷彎成型,面形精度可控,反射率高達94.5%。該曲面反射鏡的復合結構大大增強了反射鏡耐沖擊強度,即使特殊情況下發生破裂也僅對聚光效果產生微弱影響,聚光鏡可長期繼續工作。


    該反射鏡前后均為玻璃結構,保證了反射鏡耐腐蝕及磨損,耐惡劣氣候,已經通過國家權威檢測機構(國家安全玻璃及石英玻璃質量監督檢測中心)的全面測試,各項指標均達到和超過國際水平,能夠真正適應多風沙、寒冷的環境,預期使用壽命達到50年以上。微曲面反射鏡的使用,使聚光系統匯聚后的光線更加集中,溢出損失更少,更能夠滿足系統容差的要求,對聚光系統跟蹤精度的要求相應降低。特別是該微曲面反射鏡采用平面鍍銀、鍍鋁鏡片為原料,自動化高效生產,精度高、反射率更高,且無需復雜的熱彎鋼化、曲面鍍銀、太陽能級高檔背漆等復雜工序,成本遠低于常規太陽能彎鋼化曲面鏡,有力確保了HLIACS聚光集熱系統的可靠性和經濟性指標。


    除此以外,兆陽光熱還開發出了與HLIACS聚光系統相配套的低成本高頻次干式清掃車,能夠使聚光系統鏡面常年保持在93%以上的反射率,確保聚光系統高效運行(將另文介紹),提高聚光集熱效率。


    HLIACS聚光集熱系統通過對國際成熟可靠的線性聚光集熱技術體系進行深入分析和消化吸收,為充分適應中國特殊的資源環境條件而進行了徹底的再創新,具有完整的自主知識產權,可全部采用國產原材料及零部件,能夠有效克服較低DNI資源、高緯度、風沙大、冬季嚴寒、土地資源短缺等等不利因素,實現全年均衡穩定可靠運行,清潔安全,聚光集熱效率高,制造安裝成本低,經測算,在同一地點相同年發電量情況下可比常規線性聚光集熱體系的建設成本降低1/3以上,具有顯著的可靠性和經濟性優勢,適合大規模開發建設。

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