緊跟“雙碳”目標(biāo)，共謀光熱未來
發(fā)布時(shí)間：2024-01-03
截至2022年底，我國可再生能源發(fā)電裝機(jī)歷史性超過了煤電裝機(jī)，新型能源體系和新型電力系統(tǒng)的建設(shè)為光熱行業(yè)發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。國務(wù)院印發(fā)的《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》明確指出：積極發(fā)展太陽能光熱發(fā)電，推動(dòng)建立光熱發(fā)電與光伏發(fā)電、風(fēng)電互補(bǔ)調(diào)節(jié)的風(fēng)光熱綜合可再生能源發(fā)電基地。
隨著可再生能源發(fā)電基地的快速推進(jìn)，太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)在迎來發(fā)展新熱潮的同時(shí)也帶來新的挑戰(zhàn)。
Q:怎樣發(fā)揮光熱電站配備的長周期、大容量、高安全、低成本儲(chǔ)熱系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢，更好滿足構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的需求？
Q:如何在電量市場化交易背景下，挖掘太陽能熱發(fā)電技術(shù)更大的潛在價(jià)值？
首航高科董事長黃文博作為國家太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟常務(wù)副理事長出席會(huì)議進(jìn)行致辭，并在大會(huì)中就《塔式光熱電站關(guān)鍵技術(shù)問題分析》這一主題，先從宏觀層面上提出光熱電站各系統(tǒng)之間、電站與自然環(huán)境之間是個(gè)息息相關(guān)的有機(jī)整體，各環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)性影響著電站全生命周期的運(yùn)行效率和投資經(jīng)濟(jì)性；然后從微觀層面展開分析，結(jié)合首航高科100MW熔鹽塔式光熱電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，從技術(shù)、施工、運(yùn)維等方面進(jìn)行點(diǎn)狀深度分析。報(bào)告部分內(nèi)容如下：
一、定日鏡選型問題的分析
定日鏡是塔式太陽能熱發(fā)電站的主要投資部分，也是聚光系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要作用是將投射至定日鏡表面的太陽光反射匯聚到位于塔頂?shù)奈鼰崞鞅砻妗?/span>
眾所周知，對于塔式電站來說，定日鏡選型至關(guān)重要，其基本要求包括：反射率要高、面型誤差要小、跟蹤精度要高、抗風(fēng)能力要強(qiáng)、可批量生產(chǎn)、易于安裝維護(hù)， 而最終要考核的目標(biāo)是定日鏡全生命周期的經(jīng)濟(jì)性。
1.定日鏡的尺寸大小與光斑大小的關(guān)系
Q:尺寸大的定日鏡光斑一定大嗎？
在定日鏡選型的問題上，一直有一種先入為主的觀念，說“尺寸大的定日鏡光斑會(huì)更大”，但其實(shí)這是一種認(rèn)知誤區(qū)。大尺寸定日鏡是由許多面子鏡拼接而成，定日鏡面積大并不等于光斑尺寸一定大。如圖所示，通過子鏡拼接角度調(diào)整（canting）技術(shù)，可以將各個(gè)子鏡的光斑匯聚到一起，因此在大部分太陽入射是傍軸入射的工況下，定日鏡光斑大小主要由單面子鏡的大小和光程決定。
2.尺寸大小與抗風(fēng)能力的關(guān)系
Q:風(fēng)大的地方一定不適合尺寸大的定日鏡嗎？
尺寸大的定日鏡整體風(fēng)載大，尺寸小的定日鏡整體風(fēng)載小，這是正確的。
但風(fēng)載大小不能與抗風(fēng)能力的強(qiáng)弱混為一談，抗風(fēng)能力是由定日鏡基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定的。如下圖所示，尺寸大、風(fēng)載大、可以抗風(fēng)能力強(qiáng)；尺寸小、風(fēng)載小、也可以抗風(fēng)能力弱?？癸L(fēng)能力跟尺寸大小沒有直接關(guān)系，評(píng)價(jià)定日鏡的抗風(fēng)能力只能通過定日鏡的設(shè)計(jì)工作風(fēng)速和生存風(fēng)速評(píng)估。
3.尺寸大小與維護(hù)成本的關(guān)系
定日鏡面積適當(dāng)從小變大，減少了定日鏡數(shù)量，降低了維修維護(hù)成本。
4.玻璃薄厚與反射率的分析
玻璃反射鏡厚度從厚變薄，提升反射率
從反射率角度考慮，定日鏡玻璃越薄越好。目前4mm玻璃反射率僅為93.5%，3mm為94%，2mm可以達(dá)到95%，但越薄需要加背板，增加抗風(fēng)強(qiáng)度；而當(dāng)前國際上有些熔鹽槽式的設(shè)計(jì)中更有采用0.95mm的加背板鏡面，反射率可達(dá)到97%。4mm玻璃比3mm玻璃重量增加25%，定日鏡鋼結(jié)構(gòu)也會(huì)相應(yīng)增加。
5.背板與面型精度和抗風(fēng)能力關(guān)系
（1）玻璃反射鏡厚度從厚變薄，面型通過剛性背板整體成型，相較于機(jī)械支撐點(diǎn)控制，面型精度更高提升反射率
（2）提高了鏡面剛性，增強(qiáng)了抗風(fēng)能力
兩幅圖是分析在有無背板的情況下，在16m/s風(fēng)速，峰值風(fēng)壓下玻璃的變形情況。結(jié)果表明，子鏡帶背板提高了鏡面剛性，變形量更小，抗風(fēng)能力更強(qiáng)。
6.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與跟蹤精度關(guān)系
高精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是鏡場控制系統(tǒng)的核心組成部分，定日鏡驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的需要考慮的因素較多，包括傳動(dòng)比、傳動(dòng)精度、傳動(dòng)效率、可維護(hù)性、壽命等。大風(fēng)載、大鏡場、環(huán)境惡劣的電站，長周期經(jīng)濟(jì)性考慮、選用高精度RV減速機(jī)，傳動(dòng)效率和精度高，抗載荷沖擊能力強(qiáng)，跟蹤誤差更小。
7.首航對定日鏡技術(shù)路線的探索
首航高科從2010年至今，先后研制了多種規(guī)格的定日鏡產(chǎn)品，對各種技術(shù)路線進(jìn)行了探索，在天津光熱發(fā)電試驗(yàn)基地和敦煌電站現(xiàn)場進(jìn)行了長期的測試實(shí)驗(yàn)。如表所示，這些探索和實(shí)驗(yàn)包括：不同定日鏡面積、不同定日鏡形狀、有無背板、不同玻璃厚度、不同傳動(dòng)方式、不同驅(qū)動(dòng)方式、不同編碼器等?；诙嗄甓ㄈ甄R設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)和各種類型的定日鏡實(shí)測數(shù)據(jù)，從全生命周期的經(jīng)濟(jì)性好的評(píng)價(jià)模型出發(fā)，選用最優(yōu)的定日鏡方案。
基于多年定日鏡設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)和各種類型的定日鏡實(shí)測數(shù)據(jù)，從全生命周期的經(jīng)濟(jì)性好的評(píng)價(jià)模型出發(fā)：小子鏡，適當(dāng)大尺寸的定日鏡、薄玻璃、帶背板、采用高精度傳動(dòng)是大型光熱電站定日鏡的較優(yōu)的方案。
上圖是首航高科在天津和敦煌實(shí)驗(yàn)的定日鏡的部分照片，這些定日鏡經(jīng)歷了5-10年不等的實(shí)驗(yàn)測試，很明確地說，對定日鏡技術(shù)路線的探索，首航高科，一直在路上… …
二、吸熱器設(shè)計(jì)選型和變形分析
1.吸熱器熱工水力設(shè)計(jì)
吸熱器的設(shè)計(jì)很重要的一部分是熱工水力的計(jì)算，采用CFD方法可以計(jì)算吸熱器內(nèi)部流體的流動(dòng)特性，為泵選型做依據(jù)。可以在此基礎(chǔ)上得到吸熱器和熔鹽的溫度分布。
2.吸熱器管徑大小、管壁厚薄的選型優(yōu)化
吸熱器管徑大小、管壁厚薄都是一個(gè)綜合優(yōu)化的過程，需同時(shí)考慮管內(nèi)外壁溫、熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、吸熱效率、熔鹽泵功耗、熔鹽腐蝕等因素，優(yōu)化得到最優(yōu)的管徑和壁厚。
三、儲(chǔ)換熱系統(tǒng)熔鹽罐：如何規(guī)避熔鹽罐泄露
1.設(shè)計(jì)需考慮的主要問題
熱膨脹、基礎(chǔ)隔熱、防凍、泄漏檢測等。在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用有限元技術(shù)和三維仿真相結(jié)合的手段。
2.儲(chǔ)罐基礎(chǔ)需考慮的問題
需要考慮陶粒直徑選配，在陶粒中可以加填不銹鋼絲網(wǎng)增加可靠性，以防止30年中不同粒徑陶粒的分離；同時(shí)工程上可以論證下一代國產(chǎn)高溫大板解決陶粒施工存在的問題的可行性。
3.制造和檢測工藝
為了保證儲(chǔ)罐質(zhì)量，需要有完善的制造工藝，需要有全過程的詳細(xì)的說明文件和控制程序。而焊接質(zhì)量檢測是需要考慮的最重要因素之一，儲(chǔ)罐焊縫需進(jìn)行100%的無損探傷。
4.高地下水位熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
目前國內(nèi)有些項(xiàng)目存在高地下水位的情況，對于這種情況，我們提出了高地下水位熔鹽儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的初步方案，如圖所示，可以有效解決儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)防水的技術(shù)難題。
四、塔式電站不同工況的運(yùn)行曲線
1.塔式電站多云工況的運(yùn)行曲線
在多云天氣下，DNI波動(dòng)頻繁幅度較大，需要鏡場和吸熱器緊密配合，深度調(diào)整；同時(shí)根據(jù)鹽位隨時(shí)調(diào)整汽輪機(jī)負(fù)荷，晚間機(jī)組在高負(fù)荷運(yùn)行，進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)峰。
2.塔式電站大風(fēng)工況的運(yùn)行曲線
大風(fēng)天氣，鏡場仍能最大效率運(yùn)行，在機(jī)組全天高負(fù)荷運(yùn)行下，下午15點(diǎn)熱鹽罐達(dá)到最高液位，可見鏡場在大風(fēng)背景下出力還有很大富余量，在熔鹽滿罐時(shí)撤離50％的定日鏡，說明大面積定日鏡的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，抗風(fēng)能力強(qiáng)，在大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定，聚光能力在設(shè)計(jì)大風(fēng)風(fēng)速范圍內(nèi)表現(xiàn)良好。
3.多云大風(fēng)沙塵工況的運(yùn)行曲線
多云大風(fēng)沙塵天氣，DNI產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，通過天空相機(jī)預(yù)判云層變化對DNI的影響，不但自動(dòng)調(diào)整冷鹽泵流量，還要根據(jù)紅外顯示溫度控制鏡場投入數(shù)量，防止吸熱屏溫度變化過快，從而保證出口溫度平穩(wěn)，在安全的前提下最大限度收集太陽能，發(fā)電機(jī)組保持低負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行。
4.敦煌首航光熱電站下塔后沙塵及沙塵后陰轉(zhuǎn)晴上塔運(yùn)維情況圖
應(yīng)對復(fù)雜多變的天氣情況，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行策略，并準(zhǔn)確預(yù)判第二天天氣，汽輪機(jī)組在天氣好轉(zhuǎn)前并網(wǎng)發(fā)電，太陽島在DNI滿足要求后進(jìn)行集熱儲(chǔ)熱。
五、定日鏡清洗策略
1.定日鏡清洗
在惡劣氣象條件下，定日鏡的潔凈度，是保證光熱電站發(fā)電效率最關(guān)鍵的一環(huán)。采用面積適當(dāng)大一些的定日鏡，單位時(shí)間清洗定日鏡面積會(huì)更大，因?yàn)檫@樣相鄰定日鏡間距大，可采用大型機(jī)械化、自動(dòng)化的清洗系統(tǒng)、效率高。通過雷達(dá)測距、壓力控制器、高精度傳感器，可以適應(yīng)沒有經(jīng)過人工硬化的鏡場道路，自動(dòng)調(diào)整刷架刷頭，進(jìn)行高質(zhì)量快速清洗。
如圖為首航自研的智能清洗車。
2.解決冬季結(jié)霜問題
目前一輛車清洗115平方米的定日鏡的平均時(shí)間為50秒左右，6輛清洗車2.5天~4.5天即可對全鏡場的定日鏡清洗一遍，最大限度的保證了反射鏡的潔凈度。同時(shí)，采用中控室與洗鏡車聯(lián)動(dòng)控制定日鏡：清洗車清洗到哪一區(qū)域，控制系統(tǒng)自動(dòng)將該區(qū)域的定日鏡由運(yùn)行轉(zhuǎn)為清洗位置，解放了主控室鏡場操作人員的強(qiáng)度，保證整個(gè)鏡場的有效利用定日鏡最大化。
六、熔鹽塔式電站運(yùn)維問題
因光熱電站的運(yùn)行受天氣的制約較大，由于不同季節(jié)，天氣有它的差異和共性，經(jīng)過逐年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)累計(jì)，現(xiàn)已總結(jié)出一套在減少機(jī)組啟停次數(shù)和保證機(jī)組在高效率負(fù)荷區(qū)間內(nèi)運(yùn)行二者兼顧的運(yùn)行策略。
1.冬季
冬季冰雪霜較多，會(huì)存在鏡面結(jié)霜的現(xiàn)象，通過調(diào)整冬季清洗策略，縮短鏡面結(jié)霜時(shí)間，提高鏡場冬季效率。
2.春季
春季因沙塵天氣影響，鏡場效率偏低，首先提高鏡場清洗效率，其次采取太陽島運(yùn)行，鹽位到達(dá)要求后次日再啟動(dòng)機(jī)組，保證機(jī)組單次運(yùn)行周期更長，減少機(jī)組啟停次數(shù)，保障機(jī)組設(shè)計(jì)壽命。
3.在夏、秋兩季，日照時(shí)間較長，空氣質(zhì)量較好，機(jī)組采取長周期連續(xù)運(yùn)行的策略。根據(jù)不同天氣情況下的預(yù)測，靈活調(diào)整機(jī)組出力。
次日天氣不好
在預(yù)測第二天天氣不好的情況下，確保吸熱系統(tǒng)投運(yùn)之前，熱鹽液位仍能保證機(jī)組運(yùn)行。
次日天氣好
在預(yù)測第二天天氣好的情況下，確保吸熱系統(tǒng)投運(yùn)前，熱鹽液位到達(dá)最低液位，減少當(dāng)日機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行情況下的棄光量。
4.每天不同時(shí)段的運(yùn)行策略，根據(jù)電網(wǎng)電量峰值需求，充分發(fā)揮光熱電站調(diào)峰優(yōu)勢。
9:00--18:00
在聚光集熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)9:00--18:00對以DNI為主的氣候預(yù)測，必要時(shí)機(jī)組在該時(shí)段低負(fù)荷運(yùn)行，最終在吸熱系統(tǒng)退出運(yùn)行后，熱鹽液位達(dá)到最高值。
18:00--23:30
在晚高峰時(shí)18:00--23:30在電網(wǎng)用電高峰期，利用儲(chǔ)能特性，機(jī)組帶最大負(fù)荷進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)峰。
23:30--9:00
在晚高峰調(diào)峰結(jié)束后23:30--9:00機(jī)組利用夜間環(huán)境溫度低，機(jī)組背壓低，發(fā)電效率高的優(yōu)勢，使機(jī)組運(yùn)行效益最大化。
這是2022年6月份其中比較經(jīng)典的一天，除了汽輪發(fā)電系統(tǒng)故障，最高發(fā)電負(fù)荷只能90%，其他各系統(tǒng)正常，當(dāng)日發(fā)電量達(dá)：205萬度，全天24小時(shí)平均在85MW負(fù)荷以上運(yùn)行，當(dāng)日15時(shí)以后出現(xiàn)熱鹽罐滿持續(xù)5小時(shí)，說明聚光集熱系統(tǒng)光熱效率超出設(shè)計(jì)值，3萬噸的儲(chǔ)熱罐盡管已經(jīng)是目前全球儲(chǔ)熱量最大的罐，但還是偏小，發(fā)電系統(tǒng)不能小視，如果出現(xiàn)短板會(huì)影響整體效率，避免因小失大。
這是2022年6月份是去年天氣最好的一個(gè)月，但依然有7個(gè)陰天，10個(gè)多云天氣，在這種的情況下，除了汽輪發(fā)電系統(tǒng)故障，最高發(fā)電負(fù)荷只能90%，其他各系統(tǒng)正常，單日最大發(fā)電量207.207萬度，最長發(fā)電時(shí)間10.93天，當(dāng)月發(fā)電量：3376.4701萬度。如果發(fā)電系統(tǒng)修復(fù)，當(dāng)月發(fā)電量會(huì)更高；如果選擇在氣候環(huán)境更好的地方建電站，如果選擇和敦煌100MW同樣的配置，其發(fā)電還有很大的發(fā)展空間。
可見，光熱電站的廠址氣候、聚光系統(tǒng)、吸熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)之間，是互相關(guān)聯(lián)、互相影響，生生不息、對立統(tǒng)一的有機(jī)整體，它們之間對光電效率影響此消彼長，對投資收益都息息相關(guān)，影響電站的全生命周期，從投資決策到項(xiàng)目設(shè)計(jì)、從產(chǎn)品采購到設(shè)備制作、從項(xiàng)目施工到調(diào)試運(yùn)維，甚至到項(xiàng)目報(bào)廢，值得光熱行業(yè)的專家、學(xué)者和業(yè)界同仁共同探討和研究！
尋訪新動(dòng)力之源·央視記者探訪我國首個(gè)百兆瓦級(jí)光熱電站
2023-08-14
追光筑夢 | 精河新華新能源100MW光熱項(xiàng)目首套定日鏡組裝下線
2025-03-16
2025-01-12
