光热技术的低成本发展之路
发布者:Catherine | 0评论 | 1086查看 | 2024-06-15 13:45:46    

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,北京兆阳光热技术有限公司经理王芳出席会议并作主题报告《光热技术的低成本发展之路》。


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图:王芳


以下为演讲内容。


大家好!我是来自北京兆阳光热技术有限公司的王芳,今天跟大家讨论的是《光热技术的低成本发展之路》。我的报告一共分为五部分,一是行业现状,二是北京兆阳的降本之路,三是项目案例,四是兆阳光热供热成本分析,五是公司简介。


光热大幅降本势在必行


首先看一下行业的基本情况。


近些年,我国出台了一系列对于光热发展利好的政策。


2020年9月,我国明确提出2030年碳达峰和2060年碳中和的目标。


在过去的一年里,国家能源局也指出,我们要充分认识光热发电规模化发展的重要意义,积极推进光热发电规模化发展。


在近期,我国也提出了一个新名词,叫做新质生产力,我们如何来发展新能源的新质生产力呢?这就需要我们新能源行业的同仁共同努力,相信在未来的几年里,我国会沿着以新提质、以质促新的机制提出更多的利好政策,来推动系能源新质生产力的发展。


关于太阳能光热发展面临的挑战,前面的嘉宾也讲到了这个问题。


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图:电池片价格走势


上图是过去一年里光伏电池片的价格走势,从图中我们可以看到,在过去的一年里,光伏电池片的价格从0.8元/Wh降到了0.4元/Wh。


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图:2024年4月10日-2024年4月17日光伏组件和电池片的价格


近期光伏组件的价格围绕在0.93元-1.2元的水平,电池片的价格在0.34元-0.43元的水平。在过去的一年里,光伏的降价是非常迅速的,近一年的时间已经降了将近一半的水平。


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电化学储能的价格也在持续走低。储能电芯平均价格从2023年初的0.9元-1.0元/Wh下降至年末的0.4元-0.5元/Wh,价格直接腰斩。


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图:2023年储能系统月度中标均价及变化情况(元/Wh)


与此同时,在2023年的储能系统月度中标的价格走势图里可以看到,相比年初,储能系统平均价格从1.4元/Wh水平降至约0.8元/Wh,下降40%,亦接近腰斩。


光伏以及电化学储能系统的持续降价,以及光伏电站运维的便利性,给光热行业的发展也带来一定压力。光热若想要在新能源领域闯出一片自己的天地,大幅降本就势在必行。


北京兆阳的降本之路:线性类菲涅尔聚光集热+高温固体储热


北京兆阳的技术主要分为两个方面,第一方面是线性类菲涅尔式聚光集热技术,第二部分是高温固体储热,下面我分别说一下这两项技术的降本路径。


第一个是水工质类菲涅尔式聚光集热技术,大概分为了如下7个路径。


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▍东西轴向阳倾斜,四季得热量均衡,冬季得热效率高


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左图为兆阳东西轴菲涅尔的镜场,右图为常规的南北轴菲涅尔镜场。


从图中我们可以看到,常规的南北轴菲涅尔跟踪的是太阳光的方位角,跟踪角度范围是0-180度。兆阳菲涅尔的聚光镜场布置于接收器的北侧正后方,跟踪的是太阳光高度角,跟踪角度大概为10-110度。


我们每日跟踪太阳光高度角,虽然存在一天内早晚时段的截光余弦损失,但全年时段基本没有季节差异性,四季得热量均衡。镜场面积与储热容量设计不会出现冬季得热量严重不足或夏季弃热量大的情况。同时,土地利用率高,单位平米镜面占地约2.1-2.3㎡左右,明显低于塔式聚光集热镜场的占地比例。


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图:不同技术路线集热场单位镜面全年累计集热管得热量的分布图


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以我国纬度在40°的项目地为例,假设不考虑阴雨天,对于南北轴槽式、南北轴菲涅尔式以及兆阳菲涅尔式集热场单位镜面全年及冬季累计截光得热量分别进行了计算,兆阳菲涅尔式的均衡性优势显著(如图表);全年得热量与槽式基本相当,超出传统南北轴菲涅尔式10%以上;整个冬季得热量超出传统方式40%,12月、1月超出一倍。


▍多镜条结构,用钢少、抗风强;全机械跟踪,易维护


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上图的镜场采取了多镜条的布置方式,镜条之间有一定的缝隙,并且我们的第二代产品整体尺寸适中,抗风性能进一步增加,单位平米镜面的用钢量显著下降,有效降低镜场成本。


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这幅图是全机械跟踪驱动系统,具有高可靠性、直观易维护等特点,特别适合高海拔恶劣气候环境。


这样一套驱动装置可控制3000-10000㎡镜面,综合成本低。


▍精度及反射率高、成本低、安全可靠、使用寿命长


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图:双玻冷弯微曲面反射镜


这是一项具有专利技术的双玻冷弯微曲面反射镜,在我们的镜场图里,可以看到有一组一组的镜面,我们的镜子不是平面镜,而是微曲面的反射镜。双玻冷弯微曲面反射镜是一项我们独有的技术,采用双玻冷弯工艺,低能耗高效率,适合自动化大规模生产,具有显著的经济性优势。我们在北京是有一条生产线的。


其次我们的面型精度高,无热弯钢化“风斑应力斑”现象;此外,因为我们采用的玻璃比较薄,吸收比较少,镜面的反射率可以高达93.5%,反射层及有机材料封装在两层玻璃内部,具备超高耐候性和抗冲击强度,使用寿命可达50年,另外镜片即使遭受到外力冲击后产生破碎也不会直接掉落,安全可靠,目前这项技术已经得到18个国家或地区的专利授权。


▍高频次自动清扫,大幅度提升镜面和吸热器清洁率


还有一个对我们电站效率影响比较大的因素,就是镜面以及吸热器的清洁率。


聚光集热首先是要把入射到太阳反射镜上的光打到吸热器上,这是我们的第一步,如果镜面清洁率不好,我们第一步效率就会大打折扣,因此镜面的清扫是一个非常关键的因素。


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北京兆阳研发的自动清扫机器人与镜场支撑结构一体化设计,紧贴镜面沿东西方向自动行走,光伏板发电作为行走动力,双向设置限位自动换向;行走的同时旋转毛刷清扫镜面;清扫频率可达到每日一次。


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为什么要强调清扫频率?因为我们的清扫频率如果能够保持一定的水平,就可以达到无水清洗。就像我们在家里清洁玻璃一样,如果你每天都擦一下,可能用一块干布就可以抹干净,但若你一年清洁一次,那就一定要用到水、清洁剂。


此外,设备及运行成本也是比较低的,因为我们采用光伏板发电作为动力,基本上能够保证镜面清洁率在99%以上,是达成聚光集热高效率的基本保障。


我们都知道,线性聚光集热用反射镜把太阳光聚焦成一条光线以后,光线还要穿透一层玻璃管,如果玻璃管上有灰尘或盐渍,光线就不能很好的穿透这层玻璃管,里面的光热转换部件也就没办法把这部分光转换成热量进行利用,因此吸热器的清扫至关重要。


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我们自主研发的吸热器清扫车设置于轨道梁上(如上图),配置适于吸热器表面材质及形状的清扫毛刷,镜场回路端部设置充电桩,吸热器可以实现隔日无水清扫,广泛应用于积灰、积盐较为严重的项目地。


据我们估算,在青海盐湖地区,不采用镜面清扫车和吸热器清扫车的集热场,一个季度得热量会下降约一半。因此我们认为,设置便宜、自动清扫的镜面清扫车和吸热器清扫车是保障集热场集热效率的关键因素,也是系统中投入回报比最高的设备。


▍吸热器位置固定,吸热器可灵活选装


因为我们的聚光集热镜场跟踪的是太阳光的高度角,跟踪角度范围较小,散光比较轻微,聚光光带相对较窄,聚光焦距变化范围也比较小,能流分布可调可控,适应低、中、高不同的聚光倍率要求,可根据需求输出热水或蒸汽,另外结合二次聚光,聚光倍率可高达200倍。


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此外,吸热器位置相对槽式来说我们是固定的,不随截面跟踪而转动,稳定可靠,易清扫,轴向长度伸缩补偿简单可靠,有效吸热区域占比大;中低温系统可不使用真空集热管,进一步降低系统成本。


▍传热流体:水工质


传热工具我们优先选用水工质,如果客户的需求是导热油的话也可以选用,如果需求是热水或蒸汽,我们就优先选用水。


我们认为水首先热力系统的技术比较成熟,安全性高且易获得,成本低,可利用的温度梯度较大,整个热力系统中无需再设置换热系统。此外,我们认为其光热转化效率也会高于熔盐和导热油的系统。


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另外,我们还有一个直接稳定输出蒸汽发生技术,也就是利用我们的集热镜厂直接输出蒸汽。


这个是基于我们的技术条件实现的,首先我们的接收器位置是固定的,轴向伸缩补偿简单可靠,另外有了二次聚光的设计,能够改善能流分布的均匀性,最重要的是我们在预热蒸发段后设置了汽水分离装置,过热段增强换热以及均温的设计,能够稳定的直接产生供热蒸汽,最后再匹配我们大规模混凝土固体储热系统,能够进一步平滑稳定蒸汽的输出参数。


以上是我们聚光集热技术的降本之路。


耐高温固体储热技术


下面看一下耐高温储热技术的降本路径,分为四个方面:


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▍材料及设备常规


首先看一下混凝土本体,用的比较常规,水泥、沙子、石子、专有配方的耐高温添加剂,储换热系统用的是一些钢管以及常规火电站应用的阀门或水泵,还有仪器仪表。


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图:混凝土本体


▍多单体设置,标准健全


我们的某一储热单体可同时具有蓄热功能或取热功能,蓄热管道和取热管道相同,也就是混凝土储热体中只有一套管道,这样就可以实现热量同时存储和取出的功能。


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上图是张家口一号电站建设时我们拍摄的照片,当时的储热体分为六个储热单体,在部分储热单体进行热量储存的情况下,其余的储热单体可以输出蒸汽。


另外,相关标准体系健全,混凝土本体参考建筑类相关标准,机务管道系统参考常规火电站相关标准。


▍安全可靠,运维便利


混凝土储热体还具有安全可靠、运维便利等特点。


混凝土性能相对稳定,无燃烧、爆炸、环境污染等风险,也不存在锅炉过烧、爆管等风险;其次基础容量比较大,可以作为汽轮机的黑启动电源;最后它没有液体储热工质的防冻堵问题,运行费用较低,无泄露风险。


▍应用范围广


最后是应用范围极为广阔。


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如图所示,输入的是蒸汽或者谷电/新能源电力,输出的是高温高压蒸汽、饱和蒸气或热水,应用的方面也是比较广的,可以用于发电、工业蒸汽,用于酒店、医院消毒用的蒸汽或食品烘干,商业楼宇、酒店供暖、工业热水,小区的冬季供暖等。


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图:蒸汽蓄热运行原理


上图为蒸汽蓄热的运行原理,一些常规电站的弃热产生的蒸汽储存到固体储热体中,在用户有需求时,可以输出蒸汽或热水。这幅图里面我一共画了六个储热单体,左侧四个热量单体是热量存储的状态,右侧两个是热量输出的状态。


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图:电蓄热运行原理


上图为电蓄热运行原理,如图可见,吸纳的是谷电或新能源电力的弃电,我们将这部分电力转化成热能储存在固体储热中,在用户需要时输出热力,与前面的原理基本类似。


项目案例


下面我们来看一下项目案例。


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第一个是青海油田太阳能供热工程,这个工程镜面的面积超两万平米,24小时连续输出平均热,功率大概是2.6兆瓦,供热温度不低于65摄氏度,供货内容为3套线性菲涅尔聚光集热系统,用于采油作业过程中原油原水的加热,供货地点是中石油青海分公司,目前项目已经完成了调试,即将正式供热【注:2024年5月份青海油田采用兆阳光热类线性菲涅尔聚光集热技术的三个光热项目已全部建成投产】。


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这是青海盐湖碳酸锂项目太阳能供热工程,项目占地80万平米,年供水量约1500万吨,年供热量约90万吉焦,镜场出口的温度是80℃-85℃,这个项目采用的是中低倍的聚光集热镜场以及储罐技术,可为碳酸锂生产提供40℃左右的热水。


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这个是张家口尚义小蒜沟小区冬季供暖项目,占地1.6万平米,大概是5000多平米的镜场,采用中低倍的线性菲涅尔聚光集热技术以及储热池的蓄热技术,这个项目于2021年采暖季投运,目前已经正常运行了三年,项目利用线性类菲涅尔聚光集热镜场直接输出法医高温热水,结合储热池进行蓄热,可以24小时为附近小区冬季供暖提供热水。


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兆阳张家口15MW光热发电项目,镜场面积38万㎡,设计的是蒸汽参数12.5兆帕,450℃,镜场的长度是555米。采用高倍聚光集热技术,直接蒸汽发生技术以及耐高温混凝土储热技术,目前整个系统经过一系列的性能测试,已经试运,测试结果完全达到了系统的设计要求。


兆阳光热供热成本分析


最后看一下兆阳光热的供热成本分析。


这里我采用了一个规模相对中等的项目,青海盐湖碳酸锂项目。


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这个项目采用四轴的线性菲涅尔的聚光集热镜场,聚光倍率约25倍,储热方式是热水罐,总投资额3.15亿,项目的使用寿命暂时按照20年估算,年供热量是90万吉焦,年替代天然气量是3000万m³,年运维成本500万元,20年生命周期的运维成本1个亿。


简单来估算一下整体的投资额,3.15亿加上1亿,一共是4.15亿,20年的生命周期里替代的天然气量是60000万m³,我们初步估算该项目全生命周期的运维成本大概为0.7元每立方天然气。


关于兆阳光热


北京兆阳光热技术有限公司成立于2010年,前期研发了14年,具有一套完整自主知识产权的原创型供热技术体系,类菲涅尔聚光集热技术以及大规模储热技术。


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公司可提供太阳能光热全套技术,包括线性菲涅尔太阳能供热发电技术解决方案、装备集成、工程服务,开发、投资、制造、建设、运营线性类菲涅尔太阳能供热发电工。此外,我们公司具有工程设计资质,工程勘察、工程测量、总承包等系列资质。


目前,北京兆阳拥有发明专利有43项,实用新型专利150项,其他国家专利授权18项。北京兆阳主编了一项国家标准《菲涅耳式太阳能光热发电站技术标准》,参编了三项其他国家标准。


公司目前是国家高新企业、中关村高新、知识产权示范单位,另外荣获了2022年中央引导地方科技发展专项课题,核心专利获得了2022年电力科技成果金苹果奖,还获得了2018年度全球绿色低碳领域蓝天奖,2018创新典范新锐科技企业奖。


北京兆阳的服务范围简单列举如下:


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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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