储热型光热电站产业技术发展与调峰储能应用前景展望
发布者:xylona | 0评论 | 563查看 | 2024-06-08 15:27:03    

4月25日,2024第十一届中国国际光热大会暨CSPPLAZA年会在内蒙古呼和浩特盛大召开,常州龙腾光热科技股份有限公司总经理俞科出席会议并作主题报告《储热型光热电站产业技术发展与调峰储能应用前景展望》。


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图:会议现场


槽式光热的产业化发展和技术发展


从国家首批示范项目到国际典型规模化光热电站,从国际光热新技术发展再到槽式技术的发展史,俞科对槽式光热的产业化发展和技术发展进行了详细介绍。


▍龙腾业绩/国家首批光热示范项目


乌拉特中旗10万千瓦10小时储热槽式电站项目已于2021年全面投产。该项目集热面积约115万㎡,采用熔盐储热,储热时长10小时,装机容量100MW。


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图:乌拉特中旗10万千瓦10小时储热槽式电站


2021年——首个调试年度,该项目发电小时数达到了2100小时,2022年达到了3100小时,2023年接近3300小时,该电站目前最大单月发电量超5000万度。


据俞科介绍,该项目运行期间光热峰值效率达77.8%,汽轮机效率达41.5%,电站单月最大发电量5230万千瓦时,2023年全年发电量3.26亿千瓦时。该项目还是全球纬度(北纬41.5°)最高的槽式光热电站,项目已经连续运行满发超过9000小时,频繁启停工况下至今无重大故障停机。


▍国际典型规模化光热电站


俞科介绍,全球光热市场上已建成投产的槽式光热电站总装机达5800MW,占总光热装机的77%,其中单个项目装机容量最大的是美国Solana 280MW槽式光热电站。Solana电站于2018年左右在美国投运,集热面积约220万㎡,储热时长6h,年发电小时数3370h。


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图:美国Solana 280MW槽式光热电站


该项目技术特点:大规模槽式线聚焦集热场布置;3X4罐成组式储罐与换热器高位布置;2x140MW汽轮机集中布置。该项目冷罐与热罐共用一个高位布置的换热器平台,集中布置换热器供给两套储罐,在设计上可以为国内后续大型槽式光热电站借鉴。


▍国际光热新技术发展


俞科指出,全球范围内对于槽式光热发电技术的探索未曾止步。


2022年初,在德国联邦经济事务与气候行动部(BMWK)基金支持下,由德国宇航中心和武埃拉大学主持的HPS2先进槽式熔盐试验回路,采用6.77米新型大槽集热器和两元/三元熔盐技术的HPS2先进槽式熔盐示范项目投入运行。


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图:HPS2先进槽式熔盐示范项目


2017~2021年,美国能源部支持“SMART”项目研究,主要针对熔盐槽及其柔性连接进行新技术验证。该项目参与机构包括美国可再生能源实验室NREL、麦迪逊大学等。


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图:“SMART”槽式熔盐示范项目


据悉,上述项目中的熔盐循环槽式集热器均采用大槽设计,俞科认为,未来槽式光热发电的降本路径很可能与风电相似,单个集热器输出功率的增加能大幅降低集热场的投资造价,结合大容量机组设计带动度电成本快速下降。


▍槽式与塔式的技术区别


俞科以50MW光热项目为例,在纬度37.36°、年DNI为2043kwh/㎡的地区,以发电量相同情况下分析了两种不同技术路线的区别:


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占地上,由于槽式技术的光电总效率较高,采用8.6米开口大槽结合东西轴布置,达到同等发电量需要的集热面积相对较小,只要44万㎡左右,占地面积仅需2300亩左右,可见槽式技术能大幅节约土地。


此外,槽式技术抗风能力更强。以乌拉特中旗槽式电站为例,乌拉特位于高风速地区,常年受沙尘暴侵袭,在沙尘暴频繁光顾项目的情况下,该电站发电量逐年攀升,设计效率及光电转化效率亦未曾衰减。


俞科表示,得益于外层玻璃罩管的真空保护及吸收涂层低发射率技术,在整个集热器运行过程中,风速不会影响集热管的散热量,对镜场的集热性能也并不造成影响。


▍槽式技术发展历史


俞科介绍,槽式光热技术最早诞生在美国(型号为LS1、LS2),经多年发展,再到如今的标准槽。


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国际上槽式集热器的技术趋势,无论是从提高整体效率还是降低单位成本的角度来看,都在朝着更大开口尺寸的方向发展。


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▍龙腾光热技术发展路径


龙腾光热专注于集热器的研发与制造


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如上图所示,第一代聚光器开口为5.8米,随着第二代集热器开口宽度增加至大于8米,其光学效率、集热面积随之增加,集热管数量减少,辐射面积减少,热损降低。


俞科透露,龙腾光热已为后续新型集热器的研发做了概念设计。“14.5米的大幅镜面集热器,基于全新概念的大幅面反射镜技术,聚光支架只要固定几片反射镜,结构设计相对简单。这个技术来源于建筑行业,比如苹果总部采用的20米高的落地玻璃,反射镜的结构强度达到建筑标准,这个技术对行业能起到革命性效果,只是这个技术现在还非常贵,将来在光热行业的应用需要足够大的镜场面积和装机规模来摊销高昂的技术投资。而目前的反射镜产业的装备技术可以支撑8米多开口宽度的槽式集热器设计,已经可以支撑熔盐大槽技术的商业化。”


龙腾ROYALTROUGH™RT86系列大槽集热器


俞科表示,龙腾ROYALTROUGH™RT86系列大槽集热器采用80~90cm左右口径的集热管,采用龙腾自有专利——可扩展管结构连接技术(ETFH,Extensible Tube Frame Hub)构建集热器支架系统,该技术可支撑集热器开口从8米到12米左右。


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图:龙腾RT86系列大槽集热器示范回路


龙腾ROYALTROUGH™RT86系列大槽集热器具体参数如下:


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龙腾RT86槽采用国际最先进的集热器结构设计理念——空间框架结构,以圆管作为基本受力部件,材料利用率更高,更适合大开口、轻量化。开发过程中,采用完全自主的专利技术,确保与现有专利不产生冲突;同时遵循科学、完备的研发流程,覆盖所有关键工作环节,形成设计方法和设计标准,通过全尺寸SCE加载实测变形量数据完善仿真模型,形成不同厂址的精确设计优化设计能力。


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“这意味着将来在不同风速的地区进一步对RT86槽进行适应性设计、结构强化或减重,有非常方便的工具和数据模型,因为我们把前面的实证数据和模型拟合的过程做完了。这型大槽集热器可以适配导热油、硅油、熔盐等工质,回路设计出口温度最高可达565℃;可以适配80、90口径的新型集热管,在配置90集热管时,集热器光学拦截率≥98%;加工方式为主要机械成型+部分焊接结构,现场装配方式为铆接,生产工时减少约60%;基于ETFH技术,长尺寸部件分解为短尺寸,防腐处理简便,运输成本降低约35%;在与乌拉特100MW项目相同设计荷载条件下,RT86集热器的单位面积用钢量下降约20%,18米长度上的抗扭刚度与5.75m开口12米的常规槽相当。”


俞科还表示,目前RT86集热器已完成定型并进入小批量生产阶段,从场地布置、土建基础、制造运输、组装安装的工程化体系已经成熟,预计很快就能投入电站的商业化部署。采用新型传储热介质的槽式新技术示范基地也在巴彦淖尔启动建设,欢迎各配套设备厂家参与相关国产化设备的示范和验证。


槽式光热电站降本路径分析


俞科指出,光热电站想在电力系统中参与交易,首先要降低度电成本。


此外,实现大容量光热电站的建设运行,涉及项目管理费用、勘察设计、运维检修等成本摊销大幅降低,同时,足够大的规模支撑产业链设备实现批量化、规模化生产,降本的空间也较大。


▍槽式光热降本路径:第一阶段


俞科表示:“大型槽式电站通过产业链规模化和机组规模化,使度电成本下降30%~40%左右,对产业来说没有压力。目前国内还没有尝试300兆瓦槽式电站的设计,有必要可以借鉴国外电站,在国内各设计院尝试进行大规模电站的设计。”


俞科认为,300MW/400MW级别光热电站预期光热电价可低于0.6元/kWh。


主要降本措施如下:


1、集热器开口增加到8.6m:热回路数量减少40%,集热器驱动系统、柔性连接、地基基础减少40%,导热油管道、管道保温数量也相应减少,支持300万平米级别的单体镜场;


2、采用标准化制造和安装技术设计:提升了部件生产效率和组装效率,降低了制造和安装成本;


3、配备大尺寸集热管:管内流阻降低,减少系统泵耗,降低厂用电量,减少了现场集热管焊接量,降低了安装成本;


4、采用硅基导热油:出口温度(≥430℃)提升,汽轮机效率提高,无需电伴热防凝,降低熔盐用量,运行更稳定;


5、采用熔盐介质:无需配置导热油系统,传储热一体化降低了电站初投资,简化电站的运行模式。


俞科表示,该技术可很快实现商业化。


▍槽式光热降本路径:第二阶段


俞科指出,600MW级光热电站基于超大开口集热器,该技术须在大型电站规模上才有可能产业化,预期光热电价低于0.5元/kWh。


主要降本措施如下:


1、超大开口集热器设计:集热回路数量进一步减少,相应集热器地基、驱动系统、柔性连接数量进一步减少,导热油管道、管道保温数量等也相应减少,支持单体400万㎡的镜场;


2、新型大口径低热损集热管:采用超低发射率工艺,大幅减少集热管由于温度提升和辐射面积增加带来的热损失;


3、使用大型整体反射镜:建筑级玻璃增加大风工况下反射面稳定性,大幅降低组装复杂程度和减少组装成本;


4、采用高温熔盐作为传热流体:采用新型高温熔盐,进一步提升汽轮机效率与降低投资。


储热型光热电站参与电力市场化运行的思考与设想


光热发电兼具调峰电源和储能的双重功能。截至目前,全球仍无光热发电参与电网调峰运行模式的案例,因此俞科建议,现阶段光热暂时参照火电交易规则,并进行适当优化后参与电力现货市场化运行。


俞科认为,现阶段光热的运行特点更接近于火电。光热机组配置长时储能,可将低谷时段的电力转移到高峰时段,具备与煤电机组相似的日内调峰和顶峰作用。


按照发改价格[2023]1501号文件,自2024年1月1日起,煤电机组享受容量电价330元/千瓦/年,假设参照火电享受相同的容量电价,光热机组参与电力现货市场交易如下:


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以乌拉特中旗地区为例,光热机组在享受容量电价(330元/千瓦/年)、不承担市场调节费用的前提下,针对不同的中长期签约比例的综合电价测算结果如下:


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俞科指出,各地区的电力运行系统不同,节点电价不同,电源结构和负荷结构也有所差别,因此上述设想仅供参考,不同的区域结合当地具体情况研判。光热的造价亦然,不同地区的光热造价相差甚远,尤其西藏等高海拔地区,运输和建设成本会相应提高。


最后,俞科提出如下设想:采用运行稳定可靠的光热技术,大容量光热电站(400MW)的装机方案,6~8小时储热时长,8~10亿发电量,参与电力市场交易,结合容量电价在某些有条件的地区进行区域试点示范,是否可以推进?或者,结合当地负荷特性配置风电光伏一体化联营,以接近火电的出力性能整体参与市场交易,是否可行?


关于龙腾光热


常州龙腾光热科技股份有限公司成立于2009年,十五年来专业致力于光热发电技术的研发与产业化。


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通过中核龙腾乌拉特100MW光热国家示范项目的建设运行,龙腾光热成功掌握了百万平米级线聚焦集热场集成运行技术与百兆瓦级储热型光热电站整体解决方案,同时拥有高温真空集热管、槽式聚光器等核心装备的自研制造能力,实现了进口替代并走向国际市场。


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公司目前拥有数十项专利,参与起草和参编国家标准若干。俞科表示,在新时代双碳目标的引领下,龙腾光热将加快产业技术迭代与规模化降本,推动高效光热技术的多场景应用与大规模部署,助力区域经济实现绿色低碳循环发展。


2024第十一届中国国际光热大会暨CSPPLAZA年会4月25-26日在内蒙古呼和浩特香格里拉大酒店盛大召开,大会由CSPPLAZA光热发电平台联合常州龙腾光热科技股份有限公司共同主办,大会主题为“在多变的形势下实现规模化发展”,共有来自海内外约800名代表出席本届大会。

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