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光热发电关键设备和组件的创新方向(2)

光热发电  来源:CSPPLAZA    2017/10/25 14:02:09  我要投稿  

二、集热管篇

集热管是太阳能热发电系统的核心组件之一。典型的集热管由带选择性吸收涂层的金属内管(不锈钢内管)、同心玻璃外管、波纹管等部件组成。槽式抛面镜或菲涅尔平面镜将太阳光反射聚焦至集热管上,加热其内部流动的工作介质,为蒸汽发生提供热源。

目前使用最广泛的导热介质是导热油,但由于其使用温度的限制,该技术运行温度较低(最高400℃),发电效率相比塔式及碟式系统要低。随着熔盐槽式光热发电技术的发展和大开口槽式集热器的出现,对集热管的耐高温等性能也提出了更高要求。

创新方向1:槽式熔盐集热管

熔盐作为另一种广泛使用的工作介质,相比导热油,它的使用温度可达到550℃以上,可以直接进行储热,而且价格低,安全可靠,从而显著提高电站效率。

2010年,意大利国家电力公司ENEL在西西里岛建成了全球第一个熔盐槽示范项目,2013年日本Chiyoda和阿基米德太阳能公司又在意大利合作建成了一个600米长的试验回路。去年10月正式投运的滨海光热阿克塞800米试验回路则是我国首个熔盐槽式试验项目。

熔盐集热管面临的技术难点有两个,一是需要耐高温涂层:目前的选择性吸收涂层在高温下运行易分解或脱落,稳定工作温度不超过400℃,这是槽式技术采用熔盐做传热介质的障碍之一,研发耐550℃高温的选择性吸收涂层为集热管技术的一个发展方向;二要增加耐腐蚀性,若采用熔盐做传热介质,其所含的氯离子等杂质将对金属内管造成腐蚀,需采用抗腐蚀的金属材料内管,或改进熔盐的成分,降低其腐蚀性。

创新方向2:DSG集热管

DSG直接蒸汽发生技术采用水直接产生蒸汽,可省去多级换热流程,其运行温度可以提高到450℃以上,系统效率和成本效益提升明显。DSG集热管面临的技术难题是需要承受更高的运行压力,选用导热油做传热介质对集热管造成的压力不高于4Mpa,但如果采用水做工质,则需要耐压在10Mpa以上,这对真空集热管的耐高温性能、承压能力及可靠性都提出了更高的要求。国内的兆阳光热采用的类菲涅尔DSG技术路线即对集热管提出了更高要求,为适用于其高温高压工况,为其生产的集热管用钢量极大,单根管重量高达70kg以上。

创新方向3:更大尺寸的集热管

光热发电系统的聚光比是指采光面积与吸收体面积的比值,聚光比越高,电站运行温度就越高,从而提高发电效率。因此,更大尺寸的不锈钢内管外径在单位长度内可传输更多热量,有效降低广场系统的整体投资。但仅仅只增大集热管的尺寸,其聚光比将相对减小,不易达到高温。因此,如果要增加集热管尺寸,反射镜系统的尺寸也需随之增大。

目前国内外多家集热管厂商都推出了内径90MM等不同规格的大口径集热管,以满足创新型大开口集热器的配套需求。

图:龙腾光热在Solarpaces2015南非大会上首次发布并展出的90mm集热管

三、槽式集热器篇

槽式集热器是利用槽式抛物面聚光反射镜聚集得到高热流密度的太阳辐射能来实现系统的光热转换过程,该组件在光热发电系统中占据主导地位,它为系统提供热源,其效率和投资成本会影响到整个集热系统的效率和经济性。

创新方向1:大开口

在光热系统的关键设备中,集热器的设计与集热管和反射镜紧密相关,目前主要的设计包括:欧洲槽ET150,SENER槽,SENER®-2槽,FlagsoLHelioTrough槽,UltimateTrough终极槽。这些设计最大的特点就是其开口面积越来越大,因此集热器的发展方向开始倾向于大型化,以提高聚光比。

UT槽是目前商业化应用的开口最大的集热器设计。2013年,全球首个UT槽示范回路被成功安装在SEGSVIII槽式光热电站,三年的运行数据证明UT的热效率高于设计预期。2016年初,Flabeg又与沙特Duba1和WaadAlShamal两个ISCC联合循环电站的项目方达成合作,将首次在商业化项目上使用UT槽。

美国天源光热(SkyFuel)也于今年推出了新一代SkyTrough®DSP槽式集热器,此款集热器集合了具有革命性设计的可滑动安装的ReflecTech®反射镜、7米宽的大采光口和更新后的立体框架,从而降低了整款集热器产品的总成本。但目前该设计还未有实际商业化应用案例。

图:新一代SkyTrough®DSP槽式集热器

创新方向2:轻质化

多年来,槽式集热器的各方面虽然一直都在不断创新,但基本没有突破“钢结构+玻璃反射镜”的传统结构。为提升槽式光热电站的经济性,光热行业一直以来在尝试改变这种传统的较为笨重的集热器设计,奥地利的HELIOVISAG另辟蹊径,以可回收的塑料薄膜作为原材料,研发出了全新的充气型薄膜槽式集热器HELIOtube,其可通过简单的卷装方式批量生产运输,抗风性能佳。最关键的是,集热器原材料的彻底转变,可大幅降低电站的集热成本(约55%)。

图:HELIOtube充气薄膜型槽式集热示范项目

为推广该项创新技术,Heliovis去年为一家西班牙农产品企业建设了一套9米宽220米长的太阳能光热装置,仅用于工业供热,目前该项目已经运行三个月,使用输出达88%。此外,公司还计划在中东建设第一套15MW商用混合型太阳能光热发电系统,储热时长为8小时。更多具体信息可参考CSPPLAZA此前报道:HELIOVIS携充气薄膜槽式集热器技术拓中国市场

来自奥地利SOLABOLIC公司的设计也非常独特,该公司于2014年推出了一款新型槽式反射镜集热技术,利用一种类似电缆架设的支撑技术,可以节约20%-30%的材料使用量。据悉,依据吊桥原理建设的新型抛物线槽式系统可以使用平面铝镜模块组合来代替昂贵的曲面玻璃模块组合,这项技术可以大大提高发展中国家光热电站建设的国产化率,使这些电站在不使用高科技制造工艺的条件下建成完美的抛物线槽式集热系统,同时还可以节省大批投资。

虽然采用该项专利建设电站的技术成本仅仅比常规槽式光热发电低16%左右,但采用该技术后预计可以节约光场基础投资费用的35%左右,同时可以使LCOE(均化电力成本)下降15%左右,这就意味着电站开发商能够通过此项技术获取采用常规槽式光热发电电站2倍以上的利润。

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