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中國人獨創的新型光熱技術體系通過商業化驗證
發布者:CSPPLAZA | 來源:CSPPLAZA光熱發電網 | 2評論 | 10198查看 | 2017-12-27 14:21:00    
 ——華(hua)強兆陽張家口一號15MW光熱電站基本建成(cheng)
    ——兆陽光熱創新(xin)性光熱技術體系(xi)系(xi)列深(shen)度報道之一


CSPPLAZA光熱發電網報道:從北京向西北方驅車約260公里,在河北省張家口市張北縣境內,冬日的陽光下,一座獨特的光熱電站閃耀在荒原之上。


17萬平方米的類菲涅耳式聚光集熱鏡場,720MWh(th)的固態混凝土儲熱系統,15MWe的汽輪機發電系統,當這一切第一次完整地呈現在眼前的時候,任何人可能都會被其無處不在的創新設計所震撼。


這是由北京兆陽光熱技術有限公司(以下簡稱兆陽光熱)總承包建設的華強兆陽張家口一號太陽能熱發電站。2017歲末之際,這一項目終于基本建成,完成了兆陽光熱技術體系從理論到商業化驗證的里程碑式發展。


據悉,目前,該項目聚光集熱、儲熱島和發電島三大系統聯調及系統試運行工作已經展開,各聚光回路正逐條進入連續運行,儲熱島升溫正在持續進行中,現已穩步升溫至150℃,直至升溫至正常運行溫度約450℃。


兆陽光熱相關負責人對CSPPLAZA記者表示,“各分系統測試現已持續進行了近一年時間,各項技術指標均達到或超過設計標準。預計該項目的建設工作將在2018年1月底前全部結束,到2018年5月可進入穩定運行階段,實現長期連續每天24小時發電。一號電站的建設獲得了華強集團的大力支持以及多家重量級合作伙伴的高度關注,力爭成為中國創造在光熱發電產業的成功案例。”


光熱電站實現每天24小時持續發電并不是什么新鮮事,但這個項目的不同之處在于,這是世界上首個全面采用中國獨創的完整創新型技術體系建設的太陽能熱發電站,擁有完整知識產權,在全球范圍內,目前,沒有第二。


圖:華強兆陽張家口一號光熱電站鳥瞰


傳統光熱發電技術的一次徹底革新


1980年代,美國首次成功開啟了光熱電站的商業化,至今30余年過去了,光熱發電技術的主流路線仍在很大程度上局限于槽式和塔式集熱+熔鹽儲熱兩種,工作介質仍受限于導熱油和熔鹽兩種,在此基礎上進行革新且正在進行商業化嘗試的創新型技術也并未在整體系統上進行徹底革新,而超臨界二氧化碳循環等革命性技術仍在理論試驗階段。


穿梭于張家口一號電站其間,在約1900畝的土地上,置身于整齊排列的鏡場陣列中,可以深切感受到的是,這個由中國人完全自主研發的創新型類菲涅耳光熱發電技術體系已由藍圖變為現實,并實現了對傳統光熱發電技術的一次徹底革新。


該電站集熱系統采用直接蒸汽發生(DSG)技術體系,以水作為循環工質,直接產生高溫高壓蒸汽,既可實現對汽輪機的直接推動高效發電,也可利用其高效混凝土儲熱系統進行儲熱發電,系統極為簡單,無燃燒爆炸、環境污染等安全隱患,運行成熟可靠,且建設運行成本低廉。


據了解,這一創新型技術體系包括兆陽光熱獨創的雙玻璃冷彎曲面鏡結構、傾斜類菲涅耳高倍聚光系統設計、低成本大規模配方混凝土儲熱系統、土地綜合利用技術、雨水自動收集系統、鏡面高頻次全自動清洗等多種實用化獨創技術。


而這一技術體系的建立全部都基于可實現平價上網的最終設計目標,將傳統光熱發電技術在中國特殊自然環境下開發可能遇到的問題幾乎全部考慮在內,并給出了獨特的解決方案,在技術可靠性和投資經濟性上具有強大競爭力。


集多種優點于一身的HLIACS鏡場集熱系統


17萬平方米的聚光集熱鏡場在陽光的照射下蔚為壯觀,其獨特的結構設計搶人眼球,與槽式不同,與傳統菲涅耳有異,這種東西軸傾斜陣列式類菲涅耳集熱系統被兆陽光熱命名為“HLIACS”。


HLIACS采用東西軸傾斜向陽布置方式,克服了南北軸水平線性聚光體系季節性余弦效應突出,冬夏光照差異大的重大缺陷,特別適合我國DNI資源富集在高緯度酷寒地區的國情。


以張北地區為例,參照8年的衛星數據及2年多的當地實測數據,兆陽光熱總結整理出當地典型年光資源數據(1750kWh/m2.a),在此基礎上對HLIACS、南北軸槽式及南北軸菲涅耳式聚光集熱系統全年各月單位鏡面累計集熱管得熱量進行了半小時間隔平均的積分測算,結果如下圖所示:


圖: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


據兆陽光熱提供的數據顯示,在考慮集熱管散熱損失的情況下,南北軸槽式單位鏡面全年累計集熱管得熱量約為794kWh/m2,HLIACS單位鏡面全年累計集熱管得熱量約為786kWh/m2,兩者相差約為1%,基本相當,但HLIACS各月的得熱量分布相對均勻,特別是在冬季的幾個月明顯超過其它兩種技術路線,非常有利于電站的安全穩定運行。


而南北(bei)軸水平菲涅耳單位鏡面(mian)全年累(lei)計(ji)集熱管得(de)熱量僅(jin)約為608kWh/m2,與前(qian)兩者相差(cha)較(jiao)大,特別是在深冬(dong)季節幾(ji)個月(yue)的得(de)熱量未達到HLIACS的一半(ban)。


需要說明的是,由于處于北半球季風氣候區的原因,張北地區6到8月份處于雨季(當地年均降水量近400毫米),夏季DNI累計較低,導致各種技術路線在該時段內集熱管的得熱量都較低,實際監測及運行結果也印證了這一結論。但此原因對各技術路線的單位鏡面得熱量月度分布差異趨勢沒有太大影響。


圖:聚光集熱場支撐結構


在整體結構設計方面,HLIACS僅需對集熱場四周邊緣區域的架空金屬支撐結構進行一定的增強處理,由于集熱場周邊區域對內部區域形成擋風效果,經過權威檢測機構的比例模型風洞試驗和實際鏡場的實地檢測,占鏡場面積絕大部分的內部鏡場區域風速顯著降低,從而可以在實現架空安裝的同時大幅度減少內部鏡場支撐結構的用鋼量,顯著降低建設成本。同時對于降低地面風速、保濕降塵、雨水收集、恢復植被及實現土地綜合利用方面效果明顯。

另外,HLIACS集熱系統采用的跟蹤傳動裝置為純機械式構造,簡單可靠,跟蹤精度高,抗風沙,維護簡單;其雙玻璃冷彎微曲面鏡片經濟可靠,精度高,壽命長,配合小夾角二次高倍聚光設計,在實現綜合聚光倍率高達150到200倍的情況下仍有較好的光學容差角度。高倍率時聚光集熱效率明顯提高,可有效利用低DNI強度的光照資源,彌補光照不足,特別適合我國進行大規模光熱電站開發的地域、氣候及光照資源特點。


在(zai)中(zhong)國(guo)光(guang)熱電(dian)站開發(fa)(fa)(fa)多(duo)風沙粉塵的自(zi)然環境中(zhong),鏡面清(qing)(qing)(qing)洗尤為(wei)重(zhong)要,多(duo)地的實測(ce)結果表明,在(zai)清(qing)(qing)(qing)洗間隔三周左右的情況下,鏡面直射光(guang)反(fan)射率(lv)(lv)平均(jun)(jun)下降超過8%,對發(fa)(fa)(fa)電(dian)量(liang)(liang)影響巨大,清(qing)(qing)(qing)洗車的高頻次高效(xiao)率(lv)(lv)低成(cheng)本運(yun)(yun)行成(cheng)為(wei)電(dian)站正常運(yun)(yun)行和(he)高效(xiao)發(fa)(fa)(fa)電(dian)的必然需(xu)求(qiu)。HLIACS聚光(guang)集熱系統在(zai)結構設計中(zhong)已經(jing)配套了全(quan)自(zi)動干式清(qing)(qing)(qing)洗車,無(wu)人操作、無(wu)需(xu)耗費水資源,清(qing)(qing)(qing)洗頻率(lv)(lv)為(wei)隔日清(qing)(qing)(qing)洗,經(jing)過折算30年(nian)的清(qing)(qing)(qing)洗壽命測(ce)試(shi),鏡面無(wu)損傷,可實現鏡面反(fan)射率(lv)(lv)平均(jun)(jun)下降值(zhi)不(bu)超過1%。但平均(jun)(jun)全(quan)年(nian)清(qing)(qing)(qing)洗耗電(dian)量(liang)(liang)僅占電(dian)站年(nian)發(fa)(fa)(fa)電(dian)量(liang)(liang)的0.18%,幾乎可忽略不(bu)計。


圖:兆陽光熱全自動清洗(xi)


混凝土儲熱在全球范圍內的首次商業化應用


長期以來,著眼于(yu)更低成本、更安全(quan)可靠的(de)儲能(neng)技術(shu)發展目標,全(quan)球范圍內(nei)多家科研機構和(he)企業都對固態混(hun)(hun)凝土儲熱(re)這一(yi)技術(shu)進行(xing)(xing)了(le)研發試驗(yan),但卻未能(neng)有(you)一(yi)個固態混(hun)(hun)凝土儲熱(re)系統投入(ru)商業化運行(xing)(xing)。


作為兆陽光(guang)熱(re)技(ji)術(shu)體系(xi)的(de)(de)另(ling)一(yi)大創新點(dian),其為該(gai)項(xiang)目配置的(de)(de)獨特的(de)(de)14小時配方混凝(ning)土(tu)儲熱(re)系(xi)統已(yi)經(jing)建成,實現了混凝(ning)土(tu)儲熱(re)技(ji)術(shu)在(zai)全(quan)球(qiu)范圍內(nei)的(de)(de)首(shou)次商業化應(ying)用(yong)。


遠(yuan)遠(yuan)望(wang)去,這個(ge)儲熱(re)(re)系統就像一座大樓,但卻是一座“實心”建筑,系統整(zheng)體(ti)由兆陽光熱(re)(re)研發(fa)的配方混(hun)凝土(tu)逐層澆鑄而成,外部(bu)采(cai)用整(zheng)體(ti)保溫(wen)(wen)方式保溫(wen)(wen)。


該儲(chu)熱系統的最(zui)高(gao)有效儲(chu)熱容量達720 MWh(th),設計壓力為16MPa,長(chang)期運行(xing)條件下最(zui)高(gao)可耐550℃高(gao)溫(wen),設計工作(zuo)溫(wen)度450℃。


據(ju)介(jie)紹,該(gai)固態混(hun)凝土(tu)儲熱(re)(re)系統(tong)具有儲熱(re)(re)介(jie)質材料性(xing)(xing)能環(huan)保、總(zong)體造價(jia)低(di)廉、結構穩固可靠、無凍堵分解(jie)隱患、熱(re)(re)力學性(xing)(xing)能穩定、運行管(guan)理(li)簡單安全等優點,可實現(xian)24小(xiao)時(shi)連(lian)(lian)續(xu)發(fa)電,對氣候和光照條(tiao)件依賴性(xing)(xing)低(di),在熱(re)(re)量存(cun)滿后如果(guo)出現(xian)長期連(lian)(lian)續(xu)陰(yin)雨雪天的極端(duan)情(qing)況(kuang),在不(bu)需要外部加熱(re)(re)保溫的情(qing)況(kuang)下,還(huan)能夠(gou)實現(xian)低(di)負荷(he)連(lian)(lian)續(xu)發(fa)電7天以(yi)上,確保電站的連(lian)(lian)續(xu)穩定運行。


微信圖片_20181114152812_副本.jpg

圖:建(jian)設(she)中的(de)配方混凝土(tu)儲熱系統(tong)


微信圖片_20181114152935.jpg

圖:已完工的配方混凝(ning)土儲熱(re)系統(tong)


該混凝土儲熱(re)系統(tong)(tong)的(de)專利研發、總體(ti)設計(ji)及施工管理均由兆陽光熱(re)自行完(wan)成,系統(tong)(tong)綜合(he)換(huan)熱(re)儲熱(re)和蒸(zheng)汽發生(sheng)功能于一體(ti),集熱(re)系統(tong)(tong)產(chan)出的(de)高溫蒸(zheng)汽直接進(jin)入該儲熱(re)系統(tong)(tong)換(huan)熱(re)以存儲熱(re)量(liang)(liang),或由水(shui)直接通(tong)入該儲熱(re)系統(tong)(tong)產(chan)生(sheng)高溫蒸(zheng)汽以釋(shi)放熱(re)量(liang)(liang)。


其專有技術專利的(de)配方混凝(ning)土(tu)(tu)具有成本低,導熱(re)(re)性能(neng)良好,比(bi)熱(re)(re)容高(gao),密度高(gao),膨脹(zhang)系(xi)數匹配性好,高(gao)溫強度高(gao),常年反(fan)復熱(re)(re)循(xun)環使用條件(jian)下壽(shou)命長(chang),可泵(beng)送,便(bian)于高(gao)效連續施工(gong)等特(te)點,經(jing)過多(duo)年實驗驗證及第(di)三方權威檢測機構驗證,完全可以滿足光熱(re)(re)電站儲熱(re)(re)系(xi)統(tong)(tong)的(de)設計(ji)要(yao)求,并可推廣至更多(duo)熱(re)(re)能(neng)存儲應用領域,發展前(qian)景廣闊。相(xiang)比(bi)傳統(tong)(tong)熔鹽儲熱(re)(re)系(xi)統(tong)(tong)對維溫防凝(ning)的(de)嚴格要(yao)求,該混凝(ning)土(tu)(tu)儲熱(re)(re)系(xi)統(tong)(tong)具有顯著優勢。


行業(ye)內的一般觀點認(ren)為,混凝土儲熱技(ji)術的最大(da)問題在于換熱效率較低,而據了(le)(le)解(jie),兆(zhao)陽光(guang)熱經過多年反復試驗(yan)開發的專有增強換熱結(jie)構可靠、經濟、壽命長,適合大(da)規模生產應(ying)用,成功解(jie)決了(le)(le)這個難題。


為(wei)驗(yan)證(zheng)此儲熱(re)系統中最關鍵的(de)綜合(he)換熱(re)系數(shu)指標,以(yi)已(yi)蒸干游離水的(de)混凝土儲熱(re)系統作為(wei)測(ce)試(shi)對(dui)象,兆陽(yang)光(guang)熱(re)已(yi)經進行了系統性(xing)的(de)換熱(re)能力測(ce)試(shi)試(shi)驗(yan),結果(guo)表明(ming),其實測(ce)換熱(re)性(xing)能指標與設計計算結果(guo)一致,完全能夠滿足各種工況條件下的(de)儲熱(re)、放熱(re)工藝需(xu)求,標志(zhi)著兆陽(yang)光(guang)熱(re)混凝土儲熱(re)技(ji)術體系已(yi)具備大(da)規模推廣條件。


在光(guang)(guang)熱行(xing)業普遍將水(shui)(shui)這(zhe)種傳(chuan)熱工(gong)質“棄(qi)之不用”的(de)大環(huan)境(jing)下,兆(zhao)陽光(guang)(guang)熱選擇(ze)了(le)水(shui)(shui);在光(guang)(guang)熱行(xing)業對熔鹽儲熱青睞有(you)加(jia)的(de)大背景下,兆(zhao)陽光(guang)(guang)熱選擇(ze)了(le)混凝土。水(shui)(shui)和混凝土,兩(liang)種極其易得且(qie)廉(lian)價的(de)材料,卻成為了(le)兆(zhao)陽光(guang)(guang)熱體系(xi)的(de)關鍵工(gong)質選擇(ze),并在此基(ji)礎上構建了(le)兆(zhao)陽光(guang)(guang)熱的(de)獨特(te)技(ji)術體系(xi)。


一(yi)切看起來都是那(nei)么地與眾不同(tong),但和眾多懸于空(kong)中樓閣(ge)的(de)創新技術(shu)不同(tong)的(de)是,這一(yi)切的(de)不同(tong)都源自兆(zhao)陽(yang)光熱十多年來對(dui)光熱技術(shu)的(de)持續研究和全方位的(de)分項(xiang)系(xi)統性能(neng)驗(yan)證。自2006年至今,這一(yi)技術(shu)體(ti)系(xi)經歷了從理(li)論到小試(shi)、再到中試(shi),再到今天的(de)15MWe商業化(hua)示范(fan)電站的(de)穩(wen)健發(fa)展,并最終成功商業化(hua)。


這也是(shi)近些年來,在全球范圍內唯(wei)一一個(ge)由中國(guo)人(ren)獨(du)創(chuang)的(de)真正(zheng)實現商(shang)業(ye)化(hua)“落地”的(de)完整的(de)創(chuang)新型光熱(re)技(ji)術體系。其徹底革新了傳統的(de)光熱(re)技(ji)術,也將(jiang)對現有(you)的(de)光熱(re)技(ji)術和行業(ye)發展產(chan)生重大影響。


今天,通過華強兆(zhao)陽(yang)張家口一號15MW示范電站(zhan)的(de)成(cheng)功建設,兆(zhao)陽(yang)光(guang)熱(re)技(ji)術體(ti)系的(de)可行性(xing)已經(jing)獲得初(chu)步(bu)驗證(zheng)。但,我們的(de)問題還有很(hen)多(duo),兆(zhao)陽(yang)光(guang)熱(re)技(ji)術體(ti)系為(wei)何(he)獨辟蹊徑(jing)?HLIACS鏡場集熱(re)系統到底是(shi)一個(ge)什么樣(yang)的(de)設計?水蒸(zheng)汽(qi)工質如(ru)(ru)(ru)(ru)何(he)實現傳熱(re)儲(chu)熱(re)?混(hun)凝土(tu)儲(chu)熱(re)系統如(ru)(ru)(ru)(ru)何(he)實現高效(xiao)儲(chu)放熱(re)?如(ru)(ru)(ru)(ru)何(he)保(bao)證(zheng)電站(zhan)系統長期(qi)(qi)連續(xu)可靠運行?雨水收集及綜合應用(yong)的(de)意義何(he)在?兆(zhao)陽(yang)光(guang)熱(re)技(ji)術體(ti)系的(de)經(jing)濟性(xing)究竟如(ru)(ru)(ru)(ru)何(he)?CSPPLAZA將在近期(qi)(qi)予以連續(xu)深度(du)報道,敬請關注。


關于兆陽光熱


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2人參與
casren
<div class="quote"><blockquote>zjchuaran: 這個項目不值得羨慕,作者曾研究過DSG技術,當時研究的課題就是最怕集熱管進水,因此提出采用霧化閃蒸技術,曾寫論文發表在太陽能雜志上,目前該發明專利已被作 ...</blockquote></div>贊
2017-12-28 16:47:49
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zjchuaran
這個項目不值得羨慕,作者曾研究過DSG技術,當時研究的課題和難點就是怕集熱管進水,因此提出采用霧化閃蒸技術,曾寫論文發表在太陽能雜志上,目前該發明專利已被作者放棄。原因在于泰國5兆瓦的實驗基本否定了該技術,德國諾維泰克比索的菲涅爾DSG也最終放棄,最后不得已采用熔鹽介質,但經桑迪亞實驗,聚光面積需加大一倍才可以,原因就是菲涅爾屬非鏡像聚焦,其聚光比太低,熱損耗很大,因此必須加大聚光面積,這就導致測算后的經濟性太差,因此最終被迫放棄。雖然作者未到過兆陽項目現場,但可以肯定,集熱管爆管可能會是家常便飯,再者聚
2017-12-28 10:26:44
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馬上參與
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