光热电站中集热系统很重要,如何评价并保障其性能?

太阳能光热产业技术创新战略联盟2018-05-15 14:16:00

第三届中国太阳能热发电大会上,在光伏发电方面具有超过10年行业经验的诺威特测控(NOVTEC)科技有限公司总经理夏茂忠对如何提高太阳能热发电站的光热转换效率进行了演讲。相关发言内容整理如下:


图:诺威特测控夏茂忠总经理参加第三届中国太阳能热发电大会并作大会报告


一、光热发电的特点和优势


我总结了一下,光热发电相比较光伏发电,有很多优势:

1、廉价的能量存储。光伏只能白天发电,晚间不行,除非储能,但如果锂电池储能的话,费用还是比较高;光热发电中的能量存储通过储热就可以实现。而热量的存储比电量的存储技术上更成熟,价格上更廉价:1)发电容量缓冲;2)电力输出可控、平稳;3)提高太阳能年利用率、降低度电成本。

2、友好的电网接入。光热发电输出的平稳性对电网冲击非常小,是成为基础负荷电力的前提。

3、灵活的电力调度。在较好的峰谷电价机制下,光热发电除了正常发电以外,还可以充当电网的调度电力来源,因此,将产生更大的经济收益,加速电站的成本回收。 

4、广阔的应用领域。光热发电是把太阳能转化为热能,再转化为电能,比光伏发电多了个光转热的过程,虽然增加了系统集成难度,但同时也增加了光热发电的应用领域,可应用于采暖、海水淡化、工业用热和混合发电等领域。 

此外,有关投资回报和成本方面,我个人的理解是:光伏电站现在基本能预见到投资回报了,成本下降空间比较有限;但光热电站目前处于成长期,投资回报不算特别清晰,但由于储能系统和可参与调峰享受更高电价的可能,因此投资回报可以有期待,另外成本下降空间也比较大。从电站寿命上分析,光伏搞了一二十年,评测的手段比较健全了,但大家对25年的寿命还是预测,因为没有一个理论的模型能完全证明光伏电站有25年;按照现在行业的看法,光伏电站15到20年是比较靠谱的。但国际上美国的槽式电站到目前已经运行了30多年了,因此保证25年寿命应该没有大问题。


二、集热系统的重要性和影响因素


图:光热电站的能量平衡


我简单做了一个光热电站的能量平衡图。从光热发电的原理上可知:太阳光进入聚光场里的能量,投入到吸热器里,再从吸热器输出,储能后输出;在这个过程中,能量损耗还是比较大。从这个能量平衡图可以看出,集热器系统这部分的能量损失已经占到了总能量损失的75%。这意味着集热器性能的好坏关系到整个光热电站的效率。


图:光热电站建设成本分布


集热器非常重要性。根据目前对光热电站的建设成本分布的估算:集热系统成本占电站成本的35%-50%,4-14小时储热系统占到电站成本的10%-20%,这说明集热器占了整个电站成本的45%-75%。现在国内比较主流的塔式系统和槽式系统中聚光器的成本占一次投资的45%-70%,聚光场的年平均效率一般为58%-72%;国际普遍认为,太阳能热发电系统发电效率每提高1%,太阳能热发电的平均发电成本将降低8%,相对一次投资降低5%-6%。在目前发电机组的技术水平相对成熟的情况下,如何保证和提高集热器的效率对光热电站系统效率和成本有着巨大影响。所以如何提高集热器的效率,对我们整个电站是非常重要的。


图:以塔式、槽式为例,影响集热器效率的因素


影响集热器集热性能的因素很多,而这些影响因素的产生是全方面的,有的是产品本身导致的,有的是在安装过程中。这里我也总结了一张图,供讨论。


三、如何评价集热器的性能 


那如何评价集热器的性能?我想主要有以下几个方面,这里有槽式的,也有塔式的:

1、槽式聚光器面型精度。如何做有效的评测,判断出聚热器品质的优劣?可靠的测试技术和测试手段有哪些?槽式聚光器面型精度是直观反映聚光器本身性能的参数,对聚光器的效率有直接影响,我们通过检测镜面的X、Y方向的斜率分布及三维形貌,判断聚光器品质的优劣。

2、对于定日镜准确度。我们可以通过测试不同风速下聚光器聚光光斑的能流分布,评价定日镜整体镜面准确度和跟踪精度。通过定位优化,提高聚光效率,避免溢出损失。


图:测试定日镜准确度原理

图:光斑溢出现象


3、镜面反射率。如何对室内和户外镜面反射率进行快速检测,将会用来评价户外镜面清洁度对反射率造成的影响,为清洗周期的制定提供依据的。


图:镜面反射率的测试原理

图:灰尘对反射比的影响


4、 集热管热损失。测试集热管在不同温度下的热损值(W/m),才能获取热性能指标,协助工艺优化。


图:不同温度下的热损值

图:模拟太阳光光源及模拟集热管受光环境的测试


5、集热管光学效率。光学效率表示了集热管吸收辐射能量的能力,集热管吸收的辐射能量与投射到集热管整表面的总辐射能量之比反应出集热管的光热效率。

6、槽式聚光器能流密度。我们可以从分析槽式聚光器聚光光斑的能流密度分布入手做测试。


图:槽式聚光器能流密度分布


7、聚光器现场抗风性能。可以测试支架中心点弯曲变形、镜面弯曲变形、镜面扭转变形、回转中心扭转变形几个方面。

8、抗风沙磨损。首先要分析反射镜和集热管等部件在不同风速和沙浓度下的性能变化:1)风沙磨损对反射镜反射率的影响;2)风沙磨损对反射镜背面漆的影响:3)风沙环境下反射镜的振动及形变;4)风沙磨损对集热管外玻璃的影响;5)风沙环境下聚光器的荷载;6)风沙环境下集热管的振动及形变;7)反射镜与集热管的耐候和抗老化性能。如,盐雾腐蚀、雨淋、冰雹、机械载荷、UV老化及综合气候等条件下的性能测试。


图:风沙实验室


四、如何保证集热器的性能


我认为,尽量减少集热器的热损失、优化集热管的光学效率,才能保证集热器性能。我们现今在光热电站测试方面已有一些评判的手段,都是借鉴光伏的评判标准来设定的。虽然已跟CTC、国家检测中心建立的合作关系,但是实际上测试标准还非常不全面。光热发电行业的商业化刚开始,需要我们最大化的在起步阶段排除后续可能出现的品质问题,缩短产业整合阵痛期,保证生产方和投资方的利益,确保行业整体发展良好。

完善的质量控制体系和高效的检测手段是必要前提。光热电站中的跟踪系统形变,镜场受环境冲击损坏、设备严重老化、集热管真空失效等因素都会导致整个集热器下降,以至于发电量的降低。所以,我们应该在电站的建设过程中,或者生产过程中,提前做好一些手段去避免。


图:影响光热电站可能出现的几大问题


完善质量的控制体系。我们从下面图表可以看出,每个环节都有标准,光热电站也可借鉴;现在的国家标准还不是非常多,而联盟标准还比较欠缺,即使已经发布的标准可能还没有完全在行业内起到约束或者说执行的标准。所以,我们要抓紧参与行业标准、国家标准的起草,特别是光热发电行业若要走上国际舞台,没有标准也是很难的。


表:完善的质量控制体系流程


生产过程要做到控制,据我们了解,生产现场的检测设备和手段还不是很完备,比如有些集热管只拿到国外去的一个报告;但是在生产过程中做到管控了没有?部件有没有到现场检测?即使出厂报告很好,但到了现场野蛮安装,各种问题又会出现,所以到现场必须得检测。

所以,除了标准,还要有第三方检测机构介入,因为第三方检测是公正的,可以用来控制整个行业的质量。


图:光热电站各个环节测控流程


自2006年,诺威特测控(NOVTEC)科技有限公司就一直关注可再生能源领域,在光伏发电方面具有超过10年的行业经验,为光伏部件制造商(封装材料商、电池和组件制造、逆变器等)、EPC、电力运营商、第三方测试机构提供全套的质量控制、实验室测试、现场测试、运行维护、测试仪器设备及提供产品开发、市场调研、认证咨询服务、电站项目评估、可研性调查等方面的服务工作,累计服务过超过200家的企业和项目,积累了丰富的质量控制和测试方法的经验。

 

考虑到光热发电将会是另外一种重要的能源补充形式,诺威特测控对于光热发电领域一直关注和积极参与,2017年5月与中国科学院电工研究所(IEECAS)签订战略合作,凭借双方多年来的丰富经验、超过20名专业的技术专家和服务团队、对产业政策理解以及具有全套的先进测试解决方案能力,能为中国的光热行业提供快速及时可靠的服务,提升中国乃至全球光热产品品质,加速行业的发展。

(注:本文根据速记资料整理,仅供参考)

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