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碟式像塔式?了解下这款配有储热的斯特林光热发电技术

2018.11.23 来自:CSP Focus 光略咨询

第九届CSP Focus光热发电中国聚焦大会(2019.3.21-22,北京)


对于光热发电技术路线来讲,主要分为塔式、槽式、线性菲涅尔和碟式斯特林,我们常规认为碟式斯特林技术很难进行储能。


瑞典Azelio AB公司(原Cleanergy)一直致力于碟式斯特林技术的研究,在此前召开的CSP Focus光热发电创新大会上,Azelio中国区产品总监吴慧国便发表了题为“Azelio新型的带有储热系统的斯特林光热解决方案”的主题演讲,详细分享了该技术的研发过程和未来商业推广计划。

 

以下为具体内容分享:


Azelio大家可能比较陌生,Cleanergy更熟悉一些。因为公司层面的原因,我们在今年6月份的时候,把公司的名称改成了Azelio,但是中国分公司还叫做科林洁能


碟式斯特林作为一种光热技术,由于之前没有储热系统,所以在政策上和整个市场推进上一直遇到很多阻碍,我们在过去的十多年,一直专注于斯特林发动机标准化、商业化运行,积累了很多年碟式斯特林发电运行经验,现在碟式斯特林一方面通过与多能互补的示范区的合作,因为没有储热,所以只能通过外部储能和系统的运行,这是一种方向;另外是斯特林发动机本身的储热研发,今天我主要跟大家介绍一下我们公司目前正在做的关于斯特林的储热方案,这个方案是跟摩洛哥MASEN一起合作的。



我们都知道,根据国际能源署的报告,从全球范围来说,迷你型电网和离网型太阳能所占的比重和发挥的作用是非常大的。全球范围内到2030年,在迷你型电网和离网型电站的投入也会越来越大。所以跟其他的发电类型相比,可能槽式、塔式可以上规模,50MW、100MW都可以。但我们目前也可以做大型的电站,因为斯特林有一个特征是模块化的,可以做一个,做十个,也可以做一百个,只要同样的模式复制。但在全球范围内,我们对大项目也可以考虑,但是我们的目标希望更多的做一些50MW以下的,储热储能的时间相对比较长的一些项目。



接下来我从技术概念设计几个方面介绍一下我们的发电单元,包括定日镜,斯特林机组,包括定制化和发展。可能大家看到这个图片会想,这已经不再是碟式斯特林了。其实在做这个方案的时候,我们考虑过,因为在塔的顶端,盒子里面除了有斯特林发电机之外还有储热系统,所以整体重量比较大。如果仍然用碟盘的话,那么要求会比较高,而且碟盘本身没有太多的灵活性,所以我们采用了这种迷你型塔式的设计。采用这种定日镜的方式,一方面大大的减少了投资,另一方面因为定日镜的数量是可以根据不同地域的DNI数值进行协调,所以增加了很多灵活性。


我们先来看一下斯特林储热技术概念设计,首先斯特林作为发电效率最高的发电技术,有着200多年历史,在过去的十多年我们一直在努力的把它商业化,我们要继续保持这种很高的系统效率。第二是考虑技术的可行性。第三个是考虑生产和成本的问题,所以我们改用了定日镜+塔的形式



设计储热时长是13小时,储热介质是用硅酸铝,导热介质用的金属钠,大家可以看到图上,圆的里面是储热和导流介质,斯特林机组在旁边,这种储热的热能距离斯特林机组很短,可以减少传输过程中能量的损失,这种设计很紧凑。


具体来看,下面是聚焦接收面,从这个图上可以看到主要的储热系统,泵系统,斯特林机组,和冷却系统,我们公司的斯特林机组单台容量是13千瓦,因此我们继续延用这种斯特林机组。这样短距离的输送可以减少热能损失,而且我们之前做斯特林机组的时候,会考虑在一个集装箱里面,通过放五台、七台、十台机组实现一定程度上的规模化、紧凑的设计。另外根据过去近十年的斯特林机组运行情况,我们免维护周期约为一年,也就是一年维护一次。


这是储热的斯特林基本的结构。大家可以看到,机组是一个双缸的发动机,左边是热气缸,也就是膨胀气缸,右边是冷气缸。中间横着的管道是气体存储部件,当斯特林机组不工作的时候,需要把里面的氢气或者氦气回流到里面储存起来。上部是改装后的导热部件。


定日镜面积2到3平方米,双曲面镜形式,双轴跟踪。由于斯特林13千瓦,塔高11米,一般情况下大概需要定日镜50到70个,如果这个地方的DNI数据不太理想,那么需要的镜子会多一些;如果DNI好的话可能镜子会少一些。可以根据不同地区DNI数据不同,从而来调节定日镜的个数,以及整体的布置。



目前我们在瑞典哥德堡一个实验室,之前2012年鄂尔多斯有一个小型的斯特林电站,迪拜也有斯特林电站运行。现在因为跟摩洛哥合作,所以希望很快能在摩洛哥建一个带有储能系统的斯特林示范。


整个系统在设计的时候设计了远程控制,不管是在鄂尔多斯的电站,还是在迪拜的电站,还是在摩洛哥的电站,只要在瑞典通过电脑系统就可以实时监测电站运行情况,能够实时的开关电站。



这是我们实验室的照片,目前为止我们已经完成了实验室测试。首先是关于介质的加热和储热,介质用的是硅酸铝。其次是把热能通过纳传输到斯特林进行完整的工作。第三,根据期望来实现电力的输出。硅酸铝的工作状态,斯特林的效率,泵的效率,整体的效率基本上符合我们的预期。


这是一个简单的示例图,左边是斯特林机组,在中间容器里面是硅酸铝Al12Si,两边是导热的液态钠。下面是导流系统,金属钠在核工业里面有比较多的应用,一旦出现紧急情况,会通过这个系统把金属纳排出来确保系统的安全。



上面是一个泵的系统,目前泵的一个循环是25秒,从右边的图可以看到,截取了四个时间点,液态钠在循环过程中所体现出来的导热的性质。从实验室的数据来看整个导热性能和温度还是很不错的。



这张图从外形上给大家一个直观感觉,把原来的斯特林跟带有储热系统的斯特林比较,改造的不同点就在于接收面,左边中间是接收太阳光的部分。原来斯特林机的接收面直接接收太阳光,加热里面的氢气或氦气完成发电,现在把它改成装有热传导介质的部件,这样可以直接加热储热介质。



这张图看的更加清楚,左边是热气缸,右边是冷气缸。



这是实验室完成的斯特林机组发电的闭循环,里面用氦气,钠的温度基本上维持570度左右。之前斯特林机组没有储能是因为工作气体对温度要求比较高,传统槽式和塔式的熔盐是满足不了它的温度要求。


目前太阳能实验室所做的测试用泵是电磁泵。



这是2018年第二季度实验室输出结果的图,这里需要说明一下,目前整个系统都在太阳能实验室里面,并没有室外定日镜的经验。这是做的整体系统平衡,为什么是13小时储能?当然可以做一个小时,也可以做2个小时,6个小时,13个小时。我们目前做了初步的测算,发现13小时的储热度电成本会相对低一些。



右边的图可以看到,整个系统效率29%。如果吸收太阳能610MWh,定日镜镜场的损失176MWh,考虑到能量的损失,最后进入接收面的能量是366MWh。考虑到热损失9MWh,最终被储热系统吸收的是316MWh。考虑到接收面的损失和发动机组本身的损失,最终可以实现发电89MWh,系统目前效率可以做到29%。我们也在进一步改善,预计两年内系统效率做到30%到31%。



将来我们跟摩洛哥合作,因此我们在实验室里面模拟了这个地区的DNI情况,通过模拟的DNI和整个斯特林机组储热系统,实现闭循环。这里截取了3月16日到3月17日两天储热温度的变化,斯特林机组的发电曲线图,可以看到基本上曲线还是很平稳。


目前我们正在做进一步改善,通过介质的过热性质看如何提高系统的效率。


斯特林机组作为模块化的一个技术,具有很多的优势,一方面,它的组装可以很快,不需要水,而且规模可大可小,从13千瓦到50兆瓦,到100兆瓦都可以。平均一年维护一次,维护成本比较低。


我们计划明年实现技术检验和落地,2020年希望能够实现小批量的生产,2021年实现大规模的量产。


相关线下活动:第九届CSP Focus光热发电中国聚焦大会(2019.3.21-22,北京)


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