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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
    時間:2018-02-08 16:57:33

    ——華強兆陽張家口一號15MW光熱電站基本建成


    ※兆陽光熱創新性光熱技術體系系列深度報道之一


    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。


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    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。


    而南北軸水平菲涅耳單位鏡面全年累計集熱管得熱量僅約為608kWh/m2,與前兩者相差較大,特別是在深冬季節幾個月的得熱量未達到HLIACS的一半。


    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。


    在中國光熱電站開發多風沙粉塵的自然環境中,鏡面清洗尤為重要,多地的實測結果表明,在清洗間隔三周左右的情況下,鏡面直射光反射率平均下降超過8%,對發電量影響巨大,清洗車的高頻次高效率低成本運行成為電站正常運行和高效發電的必然需求。HLIACS聚光集熱系統在結構設計中已經配套了全自動干式清洗車,無人操作、無需耗費水資源,清洗頻率為隔日清洗,經過折算30年的清洗壽命測試,鏡面無損傷,可實現鏡面反射率平均下降值不超過1%。但平均全年清洗耗電量僅占電站年發電量的0.18%,幾乎可忽略不計。


    圖:兆陽光熱全自動清洗車


    混凝土儲熱在全球范圍內的首次商業化應用


    長期以來,著眼于更低成本、更安全可靠的儲能技術發展目標,全球范圍內多家科研機構和企業都對固態混凝土儲熱這一技術進行了研發試驗,但卻未能有一個固態混凝土儲熱系統投入商業化運行。


    作為兆陽光熱技術體系的另一大創新點,其為該項目配置的獨特的14小時配方混凝土儲熱系統已經建成,實現了混凝土儲熱技術在全球范圍內的首次商業化應用。


    遠遠望去,這個儲熱系統就像一座大樓,但卻是一座“實心”建筑,系統整體由兆陽光熱研發的配方混凝土逐層澆鑄而成,外部采用整體保溫方式保溫。


    該儲熱系統的最高有效儲熱容量達720MWh(th),設計壓力為16MPa,長期運行條件下最高可耐550℃高溫,設計工作溫度450℃。


    據介紹,該固態混凝土儲熱系統具有儲熱介質材料性能環保、總體造價低廉、結構穩固可靠、無凍堵分解隱患、熱力學性能穩定、運行管理簡單安全等優點,可實現24小時連續發電,對氣候和光照條件依賴性低,在熱量存滿后如果出現長期連續陰雨雪天的極端情況,在不需要外部加熱保溫的情況下,還能夠實現低負荷連續發電7天以上,確保電站的連續穩定運行。


    圖:建設中的配方混凝土儲熱系統


    圖:已完工的配方混凝土儲熱系統


    該混凝土儲熱系統的專利研發、總體設計及施工管理均由兆陽光熱自行完成,系統綜合換熱儲熱和蒸汽發生功能于一體,集熱系統產出的高溫蒸汽直接進入該儲熱系統換熱以存儲熱量,或由水直接通入該儲熱系統產生高溫蒸汽以釋放熱量。


    其專有技術專利的配方混凝土具有成本低,導熱性能良好,比熱容高,密度高,膨脹系數匹配性好,高溫強度高,常年反復熱循環使用條件下壽命長,可泵送,便于高效連續施工等特點,經過多年實驗驗證及第三方權威檢測機構驗證,完全可以滿足光熱電站儲熱系統的設計要求,并可推廣至更多熱能存儲應用領域,發展前景廣闊。相比傳統熔鹽儲熱系統對維溫防凝的嚴格要求,該混凝土儲熱系統具有顯著優勢。


    行業內的一般觀點認為,混凝土儲熱技術的最大問題在于換熱效率較低,而據了解,兆陽光熱經過多年反復試驗開發的專有增強換熱結構可靠、經濟、壽命長,適合大規模生產應用,成功解決了這個難題。


    為驗證此儲熱系統中最關鍵的綜合換熱系數指標,以已蒸干游離水的混凝土儲熱系統作為測試對象,兆陽光熱已經進行了系統性的換熱能力測試試驗,結果表明,其實測換熱性能指標與設計計算結果一致,完全能夠滿足各種工況條件下的儲熱、放熱工藝需求,標志著兆陽光熱混凝土儲熱技術體系已具備大規模推廣條件。


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    在光熱行業普遍將水這種傳熱工質“棄之不用”的大環境下,兆陽光熱選擇了水;在光熱行業對熔鹽儲熱青睞有加的大背景下,兆陽光熱選擇了混凝土。水和混凝土,兩種極其易得且廉價的材料,卻成為了兆陽光熱體系的關鍵工質選擇,并在此基礎上構建了兆陽光熱的獨特技術體系。


    一切看起來都是那么地與眾不同,但和眾多懸于空中樓閣的創新技術不同的是,這一切的不同都源自兆陽光熱十多年來對光熱技術的持續研究和全方位的分項系統性能驗證。自2006年至今,這一技術體系經歷了從理論到小試、再到中試,再到今天的15MWe商業化示范電站的穩健發展,并最終成功商業化。


    這也是近些年來,在全球范圍內唯一一個由中國人獨創的真正實現商業化“落地”的完整的創新型光熱技術體系。其徹底革新了傳統的光熱技術,也將對現有的光熱技術和行業發展產生重大影響。


    今天,通過華強兆陽張家口一號15MW示范電站的成功建設,兆陽光熱技術體系的可行性已經獲得初步驗證。但,我們的問題還有很多,兆陽光熱技術體系為何獨辟蹊徑?HLIACS鏡場集熱系統到底是一個什么樣的設計?水蒸汽工質如何實現傳熱儲熱?混凝土儲熱系統如何實現高效儲放熱?如何保證電站系統長期連續可靠運行?雨水收集及綜合應用的意義何在?兆陽光熱技術體系的經濟性究竟如何?CSPPLAZA將在近期予以連續深度報道,敬請關注。

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