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        2. 你不了解的光熱發電實用設計及綜合利用技術
          發布者:admin | 來源:CSPPLAZA光熱發電網 | 0評論 | 11263查看 | 2018-01-31 15:11:00    
            ——深耕光熱發電產業鏈,實現經濟、社會效益雙豐收


            ※ 兆陽光熱創新型光熱技術體系系列深度報道之六


            CSPPLAZA光熱發電網報道:獨特的類菲涅耳傾斜陣列高倍聚光系統、簡單樸素的水工質傳熱技術、安全環保的混凝土固態儲熱島,以可靠性和經濟性為中心,堅持更適應國內光熱電站開發環境的自主化光熱技術研發初心,今天,北京兆陽光熱技術有限公司(以下簡稱兆陽光熱)十多年的默默耕耘通過張家口15MW光熱示范電站的成功建設獲得了成功驗證。


            在此前的五篇報道中,CSPPLAZA已對兆陽光熱的技術體系進行了相對全面的解讀,事實上,在其主體技術之外,立足于中國自然環境、資源及市場特點,規避、解決甚至充分利用客觀存在的外部不利條件,提高項目的可靠性和經濟性,實現經濟、環境、社會效益的全面豐收這一出發點,兆陽光熱還開發了一系列類似土地綜合利用、鏡面清掃、雨水收集、輔助光伏發電系統等實用化技術。在兆陽光熱看來,這是保障光熱電站達成設計指標、保證投資經濟效益的必要條件。


            低成本高頻次的鏡面干式清掃設備


            國內適宜開發光熱電站的地區普遍存在沙塵較大的環境特點,鏡面清潔度下降很快。兆陽光熱通過常年在多地進行長時間的鏡面灰塵污染狀態測試,匯總了大量數據,分析得到了第一手的鏡面污染影響量化數據,數據顯示,鏡面污染十分嚴重,鏡面清掃效果是中國光熱電站收益盈虧的決定性因素之一,必須給予高度重視。


            需要特別說明的是,光熱發電僅能利用太陽光直射輻照,鏡面灰塵等污染對反射聚光效果的影響遠遠大于平板光伏組件的表面污染。一般情況下,清潔玻璃表面一天時間內累積的灰塵并不多,對于光伏組件發電量基本沒有影響,一兩周時間的灰塵量影響也不顯著,這是由于很薄的灰塵附著層對于光線的吸收并不多,透過及折射后的光線仍然能夠用于發電。但對于通過鏡面反射實現高倍聚光的光熱發電系統來說,鏡面的灰塵微粒會對入射反射光線產生兩次阻擋,并對傾斜入射光線的遮擋尤其顯著地呈現倒余弦效應,也即,隨著與鏡面夾角逐漸變小,遮擋現象急劇上升,其它稍有一點折射角度的光線也無法匯聚到接收器,因此,聚光光熱發電系統的鏡面污染后,聚光衰減非常顯著。


          圖:自然落灰實驗(期間有兩次自然降水沖刷)


          圖:積灰對鏡面清潔率的影響


            上圖為某地的傾斜擺放鏡面樣品在一段時間內的鏡面清潔率曲線。據多地長期的檢測數據總結,鏡面一天的平均污染造成的聚光反射率衰減約為1%左右、一周衰減約5-8%、兩周衰減超過12%,衰減速度驚人,嚴重影響發電量。為了保證光熱電站正常高效運行,低成本高頻次的鏡面清潔保障措施非常必要,其重要程度絲毫不亞于對高反射率鏡片和高效真空集熱管的嚴格選擇。


            目前,光熱電站中鏡面清洗采用的清洗工藝一般采用水投射接觸式刷洗,設備主要以機械化清洗車為主,少量采用類機器人進行自動清洗。水投射接觸式刷洗方式一般需要人工操作,技術要求高、耗水量大,不適合水資源短缺和寒冷的中國環境;特別是,其清掃速度低、成本高,對于接近或超過百萬平米的鏡場來說,清掃頻次較低,平均二十天清掃一次都很難保證,并且間隔時間越長清掃越困難,鏡面損傷越大,很難保障最基本的鏡面平均清潔率和鏡面精度不受損傷。這類問題在國際光熱電站普遍較清潔的運行環境中并不明顯,但在中國的環境資源條件下卻成為了一個事關全局成敗的重要因素,必須得到切實有效的解決。


            兆陽光熱在其HLIACS聚光集熱系統的結構設計中配套了全自動干式清掃車(包括一次反射鏡清掃及二次反射鏡清掃),結構簡單、成本低,能夠沿鏡場支撐結構中的導向軌道自動行進后退,無人操作、無需耗費水資源,清掃頻率可以設定為每日或隔日清掃一次。在高頻次清掃模式下,每日的清掃工作基本上就是輕柔擦拭浮塵,所以對鏡面損傷極少、也無需耗水。經過長時間驗證試驗后定型了最佳材料和尺寸參數的清掃毛刷,具有抗磨損、壽命長、耐高低溫、耐酸堿,彈性適當的特點。清掃車根據傾斜陣列式集熱場的布置方式進行設計,可實現多軸聯動同時清掃;電控系統可進行就地控制和遠程自動控制操作,整體能耗低、清掃效果好。


            該裝置在真實鏡場環境中進行過8個月的每日長時間運行試驗,盡量真實模擬清掃車使用約26年的情況,經過實際測試,清掃后鏡面清潔率基本能夠達到99%、反射率測試平均值保持在93%以上水平,很好的滿足使用要求,且鏡面無任何損傷,平均清掃耗電量僅占電站年發電量的0.2%左右,幾乎可忽略不計。同時,該自動清掃車還能夠加裝除霜掃雪裝置,操作簡單,進一步適應多霜高寒環境。


          圖:一反射鏡清掃車


            簡易實用高效的雨水收集系統


            光熱電站多選址在太陽能資源豐富地區,這些地區通常水資源匱乏,中國光熱電站建設環境尤其如此,水資源制約現象愈加嚴重。兆陽光熱在鏡場設計環節對此進行了針對性考慮,增加了雨水收集裝置,能夠有效接收降水,力爭實現基本自給自足的電站供水方式(主要由光熱電站建設地區的年降水量確定),減少水資源依賴,緩解缺水地區光熱電站的供水短缺問題。


            兆陽光熱的HLIACS聚光集熱系統獨特的東西軸傾斜陣列布置方式,使得雨水可以順著自上而下傾斜布置的鏡面結構進行匯集,每片鏡片的下邊緣設有匯水暗槽,傾斜支撐結構具備進一步匯水導向功能,能夠將絕大部分鏡面接水導引至地面排水溝中,匯集至雨水塘;這種獨特設計在常規槽式、塔式、傳統菲涅耳式太陽能反射鏡場中很難簡單經濟化實現。


          圖:支架雨水收集系統示意圖


            雨水收集系統以聚光器的表面作為集水區,集水區收集到的雨水通過明溝或管溝導入蓄水池,進行沉淀處理,之后送入清水池,最后通過配送系統(重力或者泵)將二次凈化的水配送至指定位置進行二次利用。


            以張北地區為例,據1956-2013年降水量統計,該地區累計年平均降雨量為389.8mm,累年最大降雨量560.9mm,累年最小降雨量245.2mm,累年單日最大降雨量93.4mm。根據場地條件,設計合理的南北向及東西向排水系統坡度,有效集雨效率按照60%計算,單列鏡場單日最大降雨收集雨水超過500m3;全年時段,除去約30%的降雪部分,120萬平米鏡場年平均收集雨水約為15萬立方米以上,基本可以滿足一個50MW光熱電站的絕大部分用水量,正常降水年景可以基本不消耗地下水,節水意義重大。


            特別值得一提的是,經過不同季節多批次檢測,鏡面收集的雨水有點類似蒸餾水,水質極佳,鹽分很低,遠遠優于一般地下水,在對水塘進行簡單防滲處理后,能長期保持良好水質,可以大大減輕化水處理設備的運行壓力,降低制水成本,并且大幅減少濃水排放量。


            可生產約2/3廠用電的光伏輔助發電系統


          圖:HLIACS鏡場集熱器背板安裝光伏電池板(紅色框內)


            傳統菲涅耳鏡場結構中,位于高處的接收器始終都會在一次反射鏡區域留下擋光陰影,是影響鏡場聚光集熱效率的因素之一,兆陽光熱HLIACS系統的接收器也會出現小比例的遮光現象:太陽高度角較低時的接收器陰影會投射到鏡片區域造成擋光損失;當太陽高度角升高到一定程度后,該陰影就會落到鏡場陣列之間的間隔地帶,不再給聚光集熱效率帶來影響,因此該接收器遮擋系數遠遠低于傳統菲涅耳鏡場。


            雖然已經進行了最小化遮光設計,兆陽光熱仍然在HLIACS系統接收器的背面(向陽面)設計安裝了光伏發電裝置,以充分利用鏡場土地及光熱接收器支撐結構資源,同時對接收器起到遮光、擋風及防水等作用。這部分光伏發電裝置完全不占用土地,不需額外安裝支撐結構,還可以利用鏡場配電電網接入,建設成本大幅下降,同時,這部分光伏發電功率與鏡場光照強度(對應鏡場集熱功率,與廠用電負荷功率有相當關聯度)基本成比例關系,適合實現該部分電量的自發自用本地消納。以120萬平米HLIACS鏡場為例,能夠安裝的接收器光伏功率約為10MW,年發電量約1300-1500萬度,可生產約2/3以上的廠用電量。


            更重要的是,這部分光伏發電的功率配備能夠在正常光照條件下支持幾乎全部廠用電負荷,使得光熱電站在沒有足夠外部輸入功率的情況下也可以連續保持正常的聚光集熱及發電輸出功能,而不必備用過大功率的備用發電機系統。這不但有利于增強電站可靠性和經濟性指標,還對電站可能在各種外部復雜狀況甚至特殊情況下實現黑啟動發揮極為重要的作用。


            另外,通過對該部分光伏電量長期的運行管控,能夠逐步了解光伏發電輸出的運行規律與儲能光熱發電輸出特性之間的差異及兩者聯合協調運行輸出的調控方法,為進一步實現更大規模光伏電站與光熱電站相結合的綜合太陽能電站聯合運行打下堅實基礎,通過光伏光熱優勢互補聯合運行模式穩定輸出電能、降低成本,使太陽能發電能夠作為穩定基荷電源并可大規模發展、實現平價上網。


            兆陽光熱發電技術體系中的系列實用化創新不止于此,在此不再一一詳細介紹。此類實用化技術是兆陽光熱在充分學習吸收國際光熱發電項目建設運行經驗教訓的基礎上,針對中國特有條件資源情況而進行的創新發展,是中國光熱發電項目順利成功運行的必要保證和有效補充,是大幅降低光熱發電成本、實現光熱發電產業可靠、經濟、大規模發展的基礎之一,其價值和意義與主體技術創新成果同樣重要。


            光熱發電土地綜合開發利用技術


            雖然中國適合大規模開發光熱電站的區域面積很大,但考慮到土地管理政策及土地使用稅費等因素,在我國建設光熱電站,需要高度重視土地利用率及用地成本,否則有可能對投資回報產生較大影響。適合光熱電站發展的區域往往經濟發展相對較慢,存在寒冷、干旱、風沙大、工農業發展落后、本地就業機會少、扶貧工作困難大等系列問題;同時,也具備光照資源好、晝夜溫差大、種植養殖特產豐富、產業化發展潛力大、勞動力成本合理等顯著優勢。


            另一方面,光熱發電與風電、光伏等新能源產業相比有以下主要特點:


            1)項目建設期所需原材料絕大部分屬于常規基礎原材料,如鋼材、水泥、玻璃等;


            2)項目運行期間需要的運維人員相對較多,組織架構齊全穩定;


            3)項目運行期間產生大量低品位穩定熱源,具有潛在利用價值;


            4)項目場地面積較大而且封閉集中,水電資源齊備,便于管理使用。


            通過上述分析,兆陽光熱從工程技術和產業整合兩方面著手,通過優化完善鏡場設計,提高土地利用率;通過將光熱發電產業優勢和建設區域的資源條件、經濟發展特點匹配結合,實現優勢互補、全產業鏈綜合開發,實現土地資源的最優化開發利用,降低成本、提高收益,拉動就業增加收入,實現經濟效益、社會效益雙豐收。


            ▎HLIACS聚光系統的高土地利用率


            兆陽光熱HLIACS聚光系統較傳統菲涅耳、槽式和塔式光熱電站,相同發電量情況下,鏡場占地面積最少(見下表)。


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          表:幾種光熱技術路線的反射鏡面積與鏡場占地面積的比值


            同時,由于HLIACS系統采用全架空支撐結構且每個回路的鏡面陣列間隔寬度超過20米,鏡面陣列下方架空高度能夠滿足各類養殖種植生產需要,回路間約25米的間隔露天區域除了預留車輛通行道路外,依然能夠進行正常使用,因此,兆陽HLIACS系統的幾乎全部鏡場土地均能進行有效開發利用,非常有利于提高土地資源綜合利用率。而傳統槽式或菲涅耳鏡場的鏡面下方高度有限、回路間間隔寬度有限,很難利用。


            特別是,在整個HLIACS鏡場范圍已經基本均勻分布建設了管路、電力、通訊、監控系統,除了滿足鏡場正常聚光集熱需求外,完全可以用于鏡場區域的設施農業、養殖業生產活動,投資潛力巨大。


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          圖:兆陽光熱技術體系區域土地綜合利用圖


            ▎實施光熱發電區域土地綜合開發


            ?鏡場土地改良,開展種植、養殖業


            適宜建設光熱發電項目的區域普遍光照強、風大、降水偏少、植被生長困難、沙塵天氣較多。通過建設光熱電站鏡場,能夠有效控制地面光照、降低地面風速、減少水分蒸發,形成陰涼濕潤、風速緩和的局部氣候環境,從而促進植被生長、改善局部生態環境。兆陽光熱經過多年種植實驗證明,鏡場土地綜合利用在土地環境改良、種植養殖領域具備巨大潛力。


            例如,紫花苜蓿是一種高產、穩產的飼草,不僅飼用功能突出,同時具有多重生態功能。其根系發達,通過機械穿插作用加深活土層,固持土壤,有效地控制土壤表層和淺層不穩定性,提高土壤抗蝕性,減少地表徑流量,是理想的水土保持植物;在鹽堿地種植,可增加地表覆蓋,減少地面蒸騰,抑制返鹽,同時其發達的根系可促進降水的淋鹽作用,降低土壤鹽分;具有良好的固氮能力,對維持草原生態系統氮素的平衡及恢復退化生態系統都有重要意義。


            兆陽光熱在張家口宣化地區進行紫花苜蓿種植試驗發現,在基本不進行人工干預的條件下,其在HLIACS鏡場下方的生長狀況明顯優于同區域的全露天環境,苜蓿的高度、密度、產量等均有顯著改善。


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          圖:兆陽HLIACS鏡場土地苜蓿種植實驗


            光熱鏡場溫室種植業


            從兆陽光熱技術體系區域土地綜合利用圖中可以看出,HLIACS鏡場區域中的相當部分面積能夠建設溫室大棚。通過試驗發現,鏡面遮光對溫室大棚內的普通作物生長影響不大,還能夠省去傳統溫室的遮陽裝置,并且大幅降低管路、電路、信息、監控系統的建設成本,更適合發展高水平設施農業。


            以張北地區50MW光熱電站為例,鏡場面積近120萬平米,電站總占地面積4300畝,初步測算能夠建設高水平溫室大棚1800畝以上,遮陽及普通溫室面積大約各占一半。


            特別值得強調的是,由于光熱電站的汽輪機乏汽能夠釋放大量低品位熱量(30度左右),冬季時的這部分熱量能夠滿足約一千畝溫室大棚的正常生產需要,從而節省大量燃料消耗,節能減排、降低運營成本。如果對夏季時產生的這部分熱量進行跨季節存儲,則能滿足全部1800畝溫室大棚的冬季供暖,進一步增加效益。溫室內可種植綠色無公害時令蔬菜水果、反季節蔬菜水果、中藥材;建設育苗中心,用于瓜果、蔬菜、花卉類的育苗;建設菌菇、鮮花類大棚等。


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          圖:溫室大棚育苗(左)、溫室大棚花卉種植(右)


            光熱鏡場溫室養殖業


            傳統養殖業高能耗、高污染、低收益、抗風險能力差,大力發展高效集約化、工廠化、低碳化的現代養殖業是保護環境的有效方法,也是產業轉型升級的迫切需要,同時也是促進經濟發展、增加農民收入的有效途徑。


            現代養殖業是一個高耗能行業,冬季飼舍的環境溫度調節及禽畜飼料飲水溫度調節都會耗費大量能源,成本很高,同時對禽畜健康及產量影響很大。兆陽HLIACS鏡場下方非常適合大規模建設禽畜養殖棚舍,自然散射光采光條件完全滿足采光要求,同時可利用現有水電配置設施,利用汽輪機乏汽熱量進行冬季保溫采暖可靠經濟。經過長期調研及分析測算結果確認,采用兆陽光熱發電技術體系的HLIACS鏡場溫室飼舍的現代養殖業能夠極大改善經營管理和投資回報水平。同時,也可采取保溫飼舍集中養育與鏡場空地散養相結合的方式,增加飼養量,經濟價值更高。


            以張北地區養牛為例,每年十月至來年四月的半年間,由于天氣寒冷,普通牛舍為了充分保暖,夜間門窗嚴密關閉,溫度一般只能達到7度左右,且內部空氣污染嚴重,牛飲用水冰冷,非常不利于牛的健康生長,這種季節條件下育牛每頭日均體重增長僅約0.9公斤左右;在HLIACS鏡場下建設保溫牛舍,利用發電乏汽余熱或儲熱系統低品位熱量進行冬季供暖保溫,可以穩定保持全天牛舍內溫度在12-15度左右,飲用水溫度10度以上,還可利用少量電力進行有效的通風換氣,大大改善生長條件。綜合下來,每頭牛日均體重增長可超過1.4公斤,較普通牛舍平均每頭牛每日多增重超過0.5公斤以上,以每畝牛舍存欄60頭,每公斤牛肉40元計算,一個冬季(180天)每畝新型光熱供暖保溫牛舍可以增收20萬元以上,經濟效益非常顯著。同樣道理,養雞養豬業也有類似發展優勢。


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          圖:豬舍、牛舍養殖


            由于光熱電站長期穩定經營,封閉管理、環境安靜、水電設施齊備,特別是兆陽光熱發電技術體系采用天然環保的水工質傳熱及混凝土固態儲熱,保證鏡場區域安全潔凈無污染,特別適合進行大規模、規范化的現代種植養殖業發展,增加就業、鼓勵創業、促進地方經濟發展,實現比光伏產業更可持續、更有效、收益更高的精準扶貧效果。


            兆陽光熱公司提出的光熱發電土地綜合開發利用思路及探索實踐,考慮到中國自然資源特點和土地使用成本較高的客觀現實,充分利用土地資源、挖掘發電余熱潛力,深耕光熱發電產業鏈,不但能夠有效增加投資回報,還能保護環境造福一方,為帶動地方經濟長期可持續發展做出貢獻,實現經濟效益社會效益雙豐收。同時,這一系列具有較高競爭優勢的配套產業很容易在電站運行期內實現長期經營發展,能夠提供很多的創業經營平臺,成為在艱苦偏僻地區保持高素質隊伍穩定的強有力保障,為實現光熱發電產業大規模發展發揮非常重要的作用。


            這是兆陽光熱圍繞光熱發電產業鏈深入發掘而進行的一些有益探索及嘗試,兆陽光熱提出的“深耕光熱發電產業鏈,實現經濟、社會效益雙豐收”的目標已初步取得了一些成果,引起多方的強烈興趣。目前,光熱與光伏、風電相結合的綜合電站、光熱農場、光熱牧場、光熱新能源小鎮等更多方面和更大規模的合作開發構想正在進行中,CSPPLAZA將對此持續關注。

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