推动光热发电快速降本的几个技术创新途径
发布者:admin | 来源:​CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 3150查看 | 2020-07-27 19:54:16    

CSPPLAZA光热发电网报道:不久前,国际可再生能源机构(IRENA)发布的一份报告显示,自2010年以来光热发电成本下降了47%左右,仅次于光伏。


虽然降幅颇大,但在可再生能源逐渐趋于平价的当下,光热发电行业目前仍面临极大的降本压力,若想在加速变革的能源体系中占得一席之地,唯有通过各方协力把光热发电成本降下来才能赢得生存和发展空间。


如何实现?技术创新无疑是一条正途,也是以美国为首等光热发电大国持续多年实施的重要措施。


同时,由于技术路线较多,系统组成也较为复杂,光热发电行业可实施技术创新的细分门类也比较多,有时需要多个环节和上下游企业一起参与。


由于后端(常规岛,又称发电岛,投资占比10%左右)与已发展非常成熟的传统煤电行业基本一致,目前光热发电行业的技术创新措施多聚焦在太阳岛(光场,投资占比50%左右)和储热岛(投资占比20%左右),尤其是总投资占比一半左右的太阳岛。


IRENA认为,太阳岛各部件(如反射镜、集热器)的技术进步、安装设计成本下降、特定组件成本下降都可以降低光热发电的成本。此外,塔式吸热器各部件的成本下降空间比槽式集热器稍大一些,当然这也与目前塔式光热电站装机量仍相对较少有关。


下文梳理了一些目前业界正在推进中、有望未来推动光热发电成本快速下降的几方面技术创新途径:


1、反射镜:


1)反射膜: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。但是,从反射率角度来看,反射膜类反射镜与玻璃反射镜相比仍有差距,系统投资节省部分与电站发电量所带来的损失需要平衡。


2)厚度更薄:反射镜常用的厚度标准是4mm,但事实上,玻璃越厚,太阳光到达反射镜反射层的光损越多,反射率则越低。为进一步提高反射率,其中一个可行的解决方案即设法降低玻璃的厚度,从而降低反射镜系统的重量,并最终降低集热场的整体投资。但是,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。


3)微弧平面镜:在实际应用中,为获得较好的聚光效果,平面镜也经常通过支架固定等方式形成一定的微弧。除了机械方式外,部分厂商已生产或正在开发“天然”的微弧反射镜,即生产出的成品即为微弧镜,而非后期安装时通过机械作用力产生。


“天然”微弧镜的生产技术和工艺难度并不太高,也可以减少镜场安装时的工作量。但其产品生产流程较为复杂,成本一般要远高于普通平面镜。如果可以生产出低成本的微弧平面镜,将大大降低镜场的安装成本,提升聚焦精度。


2、集热管:


1)熔盐集热管:与传统槽式光热系统的传热介质导热油相比,熔盐的使用温度可达到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。


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。


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。


3)大尺寸集热管: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。


3、槽式集热器:


1)大开口:从集热器更新迭代趋势来看,最大的特点就是开口面积越来越大,倾向于大型化以提高聚光比。


2)轻质化:比如奥地利HELIOVIS AG推出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。


4、定日镜:


1)独特镜面设计:目前大多数定日镜的形状一般呈方形或矩形,Schlaich bergermann partner(SBP)公司开发出了采用独特五边形设计的Stellio定日镜,呈中心对称结构,用料少,材质坚固,且聚光均匀,抗风性能佳,净采光面积47.5平方米,目前已应用于中电工程哈密50MW熔盐塔式电站,由武汉圣普太阳能科技有限公司负责生产。


2)支架结构创新:传统的定日镜装置多是“蘑菇型”,但龙岩智康太阳能科技有限公司推出了一种中国特色的“中式树型定日镜”,该公司称,与蘑菇型镜架相比,其镜架结构非常稳,抗风性能强,安装维护方便,精度可与机床媲美。此前,该公司第二代树型定日镜已经通过了中科院延庆太阳能基地的测试,测试结果显示,在11m/s风速下其跟踪准确度达到3.5mrad的概率为93.7%。


美国创业公司Skysun研发的“联动定日镜”则进行了更大突破,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计划的基金支持下推进。


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图:Skysun联动定日镜样机


3)定日镜无线控制系统:无线控制系统可以大幅减少太阳岛电缆使用量,从而大大降低太阳岛的建设成本,目前该技术已在以色列Ashalim1塔式光热电站等项目上得到应用。


5、吸热器:


在吸热器方面,目前塔式光热电站所使用的吸热器一般是水工质或熔盐工质吸热器,一般情况下,熔盐吸热器的运行温度不超过600℃,国内外一些光热技术公司都在研究可承受更高温度(1000℃甚至更高)且耐腐蚀的吸热器,以适应传统的蒸汽轮机以及新型的超临界二氧化碳涡轮机。


6、新型熔盐:


系统运行温度是削减光热发电成本的关键因素,目前商用光热发电系统的最高运行温度为565℃,有待进一步提高。为此,包括阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室等在内的多家美国科研机构及院校正在开展将氯盐作为光热电站新型工作介质的相关研究,这种氯盐的最高运行温度达750℃。


7、超临界二氧化碳技术:


通过超临界CO2布雷顿循环系统来提升光热电站的运行效率,同时降低光热电站成本,使其更具市场竞争力。


该技术所构建的系统涉及到很多对性能要求较高的原材料和设备零部件,如超临界二氧化碳涡轮机、耐氧化,耐热机械的陶瓷复合换热器等,目前以美国能源部(DOE)为代表的全球多个科研机构正在加快推进超临界二氧化碳光热发电技术商业化。


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图:超临界二氧化碳涡轮机


此外,相比其它可再生能源发电技术,光热发电项目的规划部署相对有限,但随着国际范围内的新增项目不断增加,成本也将会明显下降;同时,由于开发商和各参与方经验越来越丰富,供应商和EPC总承包的风险边际也会降低。


即将于7月16~17日在江苏常州市举办的2020中国国际光热大会暨CSPPLAZA第七届年会,将围绕“光热技术创新与应用”、“综合能源服务新业态催生光热新机遇”、“光热发电供应链发展专场论坛”、“新形势下光热产业如何应势而为”等行业热点问题展开深入研讨,欢迎光热产业链人士共聚常州,应势而为!


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