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全面提高发电效率&降低成本?来看看塔式太阳能热发电系统如何做到

2018.07.24 来自:CSP Focus 光略咨询

光热发电创新大会

10月25-26日,西安

核心话题之

“塔式太阳能光热发电系统传动装置优化方向


作为主流的光热发电技术路线之一,塔式光热发电近年来备受关注。相比成熟的槽式技术,塔式光热发电有着更高的热效率和聚光比,地形要求较低等优势,但也有着风险高、技术成熟度缺乏验证,控制系统复杂等不足

 

目前国际上常见的塔式技术以熔盐为传储热介质的熔盐塔式、和以水工质为传热介质的水工质塔式技术为主,而其中熔盐塔式有着能够大规模储能的优势而备受青睐

 

无论如何,对于业主来说,稳定的发电量和低风险才是他们所追求的。公开资料显示,美国的Ivanpah电站和Crescent Dunes电站都遇到了发电量不达预期的问题,这也是当前塔式技术的一大困难。


塔式光热发电系统原理示意图


那么,为了降低风险,弥补自身不足,塔式光热发电未来的发展和优化方向在哪里呢?


一、光场系统

 

无论哪种技术的优化,其目的都是为了提高发电量的同时降低发电成本

 

目前来看,光场(定日镜系统+吸热器)在光热发电中投资占比最高,也是未来成本下降空间最大的一环。


南非塔式电站成本构成明细,15h储热为例(来源:Fichtner2010

 

1、定日镜的优化方向可分为尺寸、形状、结构、数量、反射材料等

 

定日镜大小目前没有统一定论,从亮源公司15m2的小定日镜到SENER公司178m2的大定日镜都可见于塔式电站中

 

多以矩形为主,但也有其他形状,如哈密项目所用的Helios五边形定日镜就是该型定日镜的首次商业化运用。

 

结构方面,定日镜普遍都呈T型,以钢结构为支撑玻璃基底的平面镜,近年也有研究新型轨道式定日镜,这种反射镜能够贴地安装,降低安装成本;

 

反射材料则可以更轻便的高分子聚合物薄膜代替传统的重型玻璃基底平面镜,大大降低了驱动单元的成本,若加入更高反射率薄膜则能够进一步提高反射率。


不同类型的定日镜采光面积(来源:Thomas Telsnig,2017)

  

2、定日镜布局对于光场也至关重要

 

定日镜反射太阳辐射的过程中会有损失,包括余弦损失、阴影和遮挡损失、大气衰减损失和截断损失。其中,余弦损失、大气衰减损失和吸热器的截断损失与定日镜所在的坐标位置有关,阴影和遮挡损失则多见于相邻定日镜之间。

 

定日镜反射太阳辐射的损失

 

通常来说,定日镜整体布局受到吸热塔高度、定日镜位置、和吸热器类型的影响。常见的定日镜布局有椭圆形、扇形、圆形等。除此之外,还有螺旋布局,放射性布局等。无论哪种布局,最终的目的都是降低用地成本,减少太阳辐射的损失,增加单位面积产能。

 

HFLCAL光场优化布局软件为例,定日镜布局优化逻辑为



3、光场内部无线控制系统优化

 

另外,为了削减繁杂的定日镜通讯和电力线缆,光场内部无线控制系统的发展也值得关注。美国亮源在以色列的Ashalim塔式电站就采用了自己的无线通讯控制系统,简化了大量的线缆布局。而为了节省定日镜所耗费的电力,也可利用光伏+蓄电池来解决定日镜自用电。

 

二、热力循环

 

从热力循环模式的优化角度来考虑,未来塔式的优化方向可能朝向更高温度、更高效率的新型技术路线发展。

 

根据美国能源部计划的第三代太阳能热发电技术路线,为达到更低的平准化电力成本LCOE6美分/度电)和更高的热力循环效率(50%以上),最理想化的是采用超临界二氧化碳布雷顿循环体系,以取代当前传统的蒸汽朗肯循环体系。

 

对于这种循环,仅需太阳岛提供500~800摄氏度的热源即可,有三种路线可实现:

 

1、利用新型熔盐介质实现720度以上的温度,但这对管路、吸热器等设备的材料有极大的挑战。目前对这方面的熔盐介质特性研究还不够全面,需要考虑在如此高温下对设备管路的腐蚀、耐久度、成本等问题。

 

2、利用固态颗粒作为传热介质以实现高温,目前陶瓷颗粒具有低成本、高吸收率、耐久度高等特点,被视为良好的材料。固态颗粒能够提供极高的温度,以满足超临界二氧化碳布雷顿循环体系需要的热源温度。这种方式的挑战在于如何高效地加热固态颗粒,防止管道的腐蚀,以及需要考虑泵阀控制和颗粒输送等问题。

 

3、利用来气体作为热源来实现。这种模式往往采用间接储热,利用气态传热介质加热相变材料或固态颗粒进行热能存储,同时也需要吸热器能够承受高温气体的压力。 


美国SUNSHOT计划预期达到的CSP成本目标(来源:美国能源部Sunshot计划)


除此之外,电站整体系统设计、管道的优化设计、传热储热岛的优化、汽轮机的高效利用、运行维护方式等措施都能够进一步提高塔式技术的效率。

 

相信通过这些举措,未来塔式光热电站的可靠性和发电量将进一步提升,达到更高的热电转化效率,同时大幅降低成本,加强光热发电在未来能源电力系统中的普遍适用性。


光热发电相关活动:2018 CSP Focus光热发电创新大会(10月25-26 西安)



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