光热发电关键设备和组件的创新方向

必赢国际

2018-02-22 10:30:28

近几年来,在应对全球气候变化的大背景下,作为多国重点支持发展的战略性新兴产业,光热发电在全球范围内迎来了又一波发展热潮,中国、南非、中东北非等新兴市场为光热发电行业发展注入了新的动力。

为尽快降低光热发电成本,产业界正在加大光热发电领域的科研投入,旨在通过光热发电的技术革新和升级来提高光热系统效率并降低光热发电成本。从关键装备角度来看,全球范围内的制造商们也在积极探索光热发电装备的创新和升级。下文统计了反射镜,集热管,槽式集热器,塔式定日镜等光热电站关键设备和组件的一些创新方向和部分创新案例。

一、反射镜篇

目前光热发电站采用的主流反射镜产品一般为六层结构,分别为超白玻璃基层、镀银层、镀铜层、底漆涂层、中漆涂层和白色面漆涂层。超白低铁玻璃是一种高透光率玻璃产品,透光率≥91%,镀银层为反射层,镀铜层为保护层,底漆涂层、中漆涂层和白色面漆涂层为防腐保护层。

创新方向1:反射膜

反射膜技术是在铝质或不锈钢等材料制成的基板上覆上一层高性能聚合物薄膜以获得轻质反射镜。此举可显著降低反射镜系统的整体重量,降低支架等系统的投资,从而降低光场系统整体投资。

当前在太阳能反射膜技术上研发较多的有两家公司,分别是3M和Skyfuel旗下的ReflecTech。3M以反射膜及其附属产品如膜边缘用的密封胶、清洁剂等的研发和销售为主,但并不提供整体反射镜系统方案,而Skyfuel则提供整体的SkyTrough反射膜反射镜系统方案。

ReflecTech的反射膜是一种镀银高分子聚合物薄膜,已经通过NERL能效测试。该技术在2011年9月份就开始在加州SEGS1&2槽式电站上进行示范运行,整体运行状况较为稳定。

然而,厚度降低会大幅提高超白玻璃的生产成本,1mm超白玻璃的价格要远远高于4mm超白玻璃的价格(同一厂商),同时也增加了反射镜生产工艺的难度,1mm的非钢化镜在生产过程中较易破损。另外,目前采用的附属基板方案种类较多,缺乏成熟的经过商业化项目验证的案例,在强度和耐候性方面仍存在不确定性。超薄反射镜相对通用的4mm镜在成本上要高出不少,其带来的聚光效率的提升是否足以抵消并超出其成本增加尚缺乏实际案例的证实。

图:滨海光热阿克塞800米熔盐槽项目采用超薄反射镜

反射镜领先制造商Rioglass于2013年推出了一种创新型的“三明治”结构反射镜,其没有大幅度缩减厚度,而是采取了较为“中和”的技术路线。它将玻璃厚度从4mm降至2mm,前层为2mm厚的镀银层和铜层的薄玻璃反射镜,中层为高密度聚氨酯泡沫,背板为镀锌钢板,总厚度为40mm,反射率提升至96%左右。这种反射镜的安装更为简便安全,降低了安装成本,强度更高,也降低了破损率。于2016年投运的南非KhiSolarOne50MW塔式光热电站就采用了这种超薄反射镜。

图:大明玻璃推出的超薄微弧平面反射镜

创新方向5:减反射膜层

减反射膜,又称增透膜,它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光,从而增加这些元件的透光量,减少或消除系统的杂散光。因此,在玻璃反射镜前表面镀减反射膜层,则可降低前表面的反射率,增加透光率,使更多光到达反射层,从而增加反射率。

这种技术面临的主要障碍仍是成本,增加膜层不应过多增加反射镜的成本,否则则不具推广价值。

创新方向6:自洁净

光热电站开发的自然环境一般较为恶劣,特别是在中国西部沙尘较大的地区,反射镜极易附着大量灰尘从而降低其反射率。但由于对镜面的的清洗耗时耗资,开发拥有自洁净功能的反射镜成为一大发展方向。Rioglass表示其一直在开展减轻镜面染污率的研究,Rioglass方面介绍称其开发的一种新的玻璃反射镜的抗污涂层(自清洁)已经被成功的集成在玻璃热弯钢化工艺中,即将推向市场。

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SkyTroughDSP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SkyTroughDSP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%)。

在建中的摩洛哥NOORIII塔式光热电站采用的单台定日镜面积达178O,是Sener设计的最新一款定日镜,是目前已商业化应用的定日镜的最大尺寸。

图:深圳智康创新树型定日镜

美国创业公司Skysun最新研发的“联动定日镜”则突破了这一传统设计结构,其将多个定日镜集中固定在同一个支架上,利用共享的驱动电机和支架。据悉,采用该设计电站的总体安装成本有望降低一半左右,该项目目前正在美国能源部SunShot计划的基金支持下进行模拟优化,进一步走向市场仍需时日。

图:安装在桑迪亚国家实验室的联动定日镜样机

创新方向4:定日镜无线控制系统

定日镜要充分发挥自身作用离不开一个关键设备――定日镜控制系统,它对定日镜的精度和聚光效率起着至关重要的作用。随着新技术的发展,控制系统的创新也是降低成本的主要环节。

据悉,今年年初,BrightSource位于以色列的装机121MW的Ashalim1塔式光热电站使用了一种无线太阳岛传输与控制系统。这种新型控制系统的应用在太阳能光热发电行业中尚属首次。以色列TadiranBatteries(塔迪兰电池公司,法国SaftGroup下属公司)将为该项目供应组电池,用以驱动定日镜。Tadiran为此设计的这批电池环境适应性强,寿命为期25年。

BrightSource企业通讯高级总监JenniferRigney曾表示:“我们的太阳能集成控制系统主要是通过运用实时定日镜追踪数据来控制集热器上的太阳能分布。Ashalim电站太阳岛上的套定日镜均采用该套太阳能集成控制系统与集热器实现无线传输。该无线控制系统减少了整个太阳岛85%的电缆使用量,大大降低了太阳岛的建设成本。”

创新在任何产业的发展历程中都扮演着不可或缺的角色,光热产业也不例外。无论是技术创新还是关键设备的创新都在不断推动着整个行业的良性发展。我们上文总结的关键设备创新方向大多是以提高设备的精度和效率为目标,但与此相对应的成本控制不可忽略,否则就很难拥有市场竞争力。实现成本和性能的最佳平衡才具有发展的可持续性。