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【深度】西北勘测设计院:基于青海共和塔式热发电项目的系统集成关键技术
[2017-09-12]
  在由国家太阳能光热产业技术创新战略联盟发起主办的第三届中国太阳能热发电大会上,中国电建西北勘测设计院光电设计院总工兼光热设计所所长周治对塔式热发电站中的太阳岛集成关键技术进行了分析。相关发言内容整理如下:

一、青海共和光热示范项目简介

1、前期工作情况
  入选国家能源局首批20个太阳能热发电示范项目的中国电建西北勘测设计研究院有限公司共和熔盐塔式5万千瓦光热发电项目,我们既是业主又是技术提供方。首先我把项目的前期工作情况回顾一下:2014年4月份我们向共和县人民政府提交了“关于开展青海共和县光热发电项目前期工作的请示”;2014年9月,青海省能源局同意开展该项目前期工作;2015年10月28日,青海省发展和改革委员会同意项目备案;2016年的9月13日,国家能源局发布了首批太阳能热发电示范项目名单,该项目在列。
2、项目概况
  项目位于青海海南生态太阳能发电园区内,这个园区规划容量比较大,是一个有10030MW规划装机容量的可再生能源基地,除了光热以外,大部分是光伏,另外在北边还有风电场,在南边是水光互补的项目。共和光热示范项目就是位于绿色区域。
图:项目位置
  示范项目装机容量是50MW,配置6个小时储热系统,采用的是熔盐塔式技术路线。
图:示范项目效果图
  我们认为光热发电和光伏发电对地面进行大面积覆盖的确能够减少地表蒸发量,对草场生态的恢复非常有利。这里看到有一些沙丘,共和这个地方在刚建国的时候是一片草原,随着近年来各种因素的破坏,它沙化的非常的厉害,一些沙丘每年的移动速度非常快,一些小路经常被淹掉,通过光伏项目的建设,光热项目的建设,我们可以看到,这些沙丘基本上现在已经不动了,整个草原慢慢的恢复了它的绿色,恢复了生机。

二、系统集成关键技术的研究

  这里我主要介绍太阳岛的系统集成主要关键技术,主要包括:一是定日镜场年效率分析;二是定日镜场布局及优化;三是定日镜光斑分析;四是吸热器能流密度分析及瞄准策略。
1、定日镜场年效率分析
  镜场年均光学效率是全年365天,由日落到日出的每一时刻,镜场瞬时光学效率与对应时刻光照强度乘积的积分与同时期各时刻光照强度的积分之比。
图:镜场年效率试算公式
  由于镜场瞬时光学效率与太多因素相关,无法采用数学公式表达,一般采用逐时分析计算。
图:镜场光学年效率公式取值
  在计算效率的时候,有些效率还是相对来说比较容易获得的,但是有些效率计算难度就稍微大一些。
图:阴影及遮挡损失分析
  阴影和遮挡的分析就是一个难点。我们看一下上面这张图,蓝色的这个线框是被分析的定日镜,就是我想知道定日镜在某一个时刻被谁遮挡。阴影和遮挡,一个是说入射光线,一个是说反射光线,绿色部分是镜面的可利用面积,图上可以很清楚的看到难点在那儿。
  这里是很多个方块在叠加,也不是完全的方形,投影以后会有变形,所以这个东西既要考虑计算时刻的太阳位置,还要考虑相互位置关系,因此比较复杂,特别是当镜面数量比较多的时候,比如做一个大镜场,100兆瓦的镜场,这个时候计算需要的时间非常多,计算量非常大。
  第二个难点是关于截断效率。太阳圆盘及表面能量分布将导致光线发散的程度不同;定日镜面型误差,各种原因导致的定日镜反射面变形或反射面的不准确等均会导致像的分散、变形和光线的漫反射;定日镜的跟踪误差将导致像的扩大和偏移,定日镜的瞄准策略也会大影响溢出损失。就好像是一把非常好的枪,但是拿枪的人指挥不到位,仍然有可能脱靶。比较准确的计算是采用光线追迹法仿真分析;常规分析采用简化卷积计算。
图:截断效率
2、定日镜场布局及优化
图:定日镜场年效率分析图
图:定日镜场平面布置示意图
  在定日镜场布局和优化方面,也做了一些工作。为什么前面先说效率分析,因为效率分析是定日镜场布局和优化的基础。如果我们不能知道每一个分项效率具体是多少,就没有办法优化镜场。这里面有ZK镜场、仿生型镜场、SAM镜场,最后一个是我们通过自己研发的软件布置出来的镜场。
  很多专家从图的样子上可以猜到这是什么软件分析的结果。我们采用第三方软件把它们在相同的平台下做一个对比,到底是布置引起的效率提高还是其他原因引起的效率提高。在这里我们看到,前面几个镜场,我们首先保证占地面积差不多,集热面积差不多,但是要完全一致,这个事可能比较困难,因为本身镜场优化是反复迭代的过程。我们可以看到,我们的新优化镜场年平均效率达到53.29%,比其他的镜场效率高一些。虽然提高的百分比不多,但是难度还是相当大的。
图:各类镜场效率对比(根据第三方软件计算)
3、定日镜光斑分析
  定日镜的光斑分析是吸热器设计和控制策略确定的基础。影响定日镜光斑大小形状及能量分布的因素有几个,1)太阳圆盘大小及表面能量分布,太阳位置;2)定日镜面型参数(平面、球面、轮胎面)及误差(型线误差、表面误差等);3)定日镜跟踪误差;4)定日镜与吸热器的相对位置关系;5)定日镜间阴影及遮挡。
图:定日镜光斑分析
  为了做光斑分析,我们也做了相当多的工作,左边这张图是一个平面镜在某一个时刻在圆柱型吸热器上光斑能量密度分布,这是美国可再生能源实验室的SolTrace软件;右边这个是我们用自主研发的软件做出来的镜场的能量密度的分布图,这两个分布图非常的接近,毕竟这里面加了一些概率的东西,所以不可能完全一致。SolTrace用的好好的,为什么要自己做一个,主要是我们想做全年8760h的分析,美国可再生能源实验室不提供SolTrace程序源代码,如果用它只能一个个时间点去做,这是一项非常辛苦的工作。
  上图是在500米镜塔距离下,从左到右是大型、中型和小型定日镜的光斑。大型定日镜光斑会大一些,小型的定日镜会小一些,如果用小镜子,比如用2平方米的小镜子,光斑很小,控制起来很容易,但是镜场大了以后怎么办,控制节点不可能无限制的增加。从这些图里可以看到规律性的东西。如果说还是在同样距离下,我们使用球面镜,光斑明显的小多了,这样以来,如果想提高控制的精度和降低控制的难度,我们希望用带一些面型的定日镜。
4、吸热器能流密度分析及瞄准策略
图:1月1日上午9时吸热器展开平面中的能流密度分布图
  在定日镜光斑分析的基础上,采用简单的瞄准策略,通过光线追迹可以获得整个镜场在某个时刻在吸热器展开平面中的能流密度分布。上图是我们采用自主研发的瞄准策略算法,在合理的调度后,可将峰值能流密度从2000kW/m²降到400kW/m²以内。还可以根据天气情况随时调整,保证了吸热器的安全运行。
5、镜场、瞄准策略和吸热器接口
  示范项目塔式聚光集热系统多采用整体打包的系统集成方式。但是各个厂家优势不同,各部分的最优产品有可能并不来自同一厂家,如果根据产品特点分别采购,就存在接口和责任划分的问题。
图:镜场、瞄准策略、吸热器接口相互之间的关系
  怎么来解决这个问题,我们也提一个思路。首先看一下对定日镜性能的要求(如下图)。可能现在主要关注的是定日镜的跟踪能力,能不能跟得上;还有另外一个很重要的指标是定日镜的图像能力—光学质量,包括它的镜面误差。最右边的两张图在靶子上面有两个光斑,这两个光斑左边的光斑比较奇怪,不规则,右边的很圆,而且是按照预想的规律分布的。主要是由于定日镜本身的面型误差造成的,它的面型并没有调好,这会使得我们最后做组合光斑,瞄准策略设计的时候,不可控的因素变的更多了。
图:定日镜性能要求
  瞄准能力说的是光斑的偏移;图像能力说的是光学质量,镜面误差和型线误差,均会造成微小的镜面法线的偏移,我们可以通过相机,光学仪器检测它。瞄准策略是联系吸热器和定日镜的一个纽带,所以瞄准策略是整体性能测试关键。这是一个可能的责任划分方式。比如定日镜的检测,我们可以通过光学相机或其它方法来检测;吸热器可以在两个能量级别下分别进行测试,比如从100%变化到50%,让镜场的一半镜子迅速撤掉。
图:可能的责任划分方式
  因此,瞄准策略是整体镜场性能测试的关键。甚至可以说如果不能独立证明瞄准策略的有效性,意味着对镜场和吸热器进行测试是不可能的。当然,我们可以通过第三方的检测机构来进行检测,只是一个设想,可能在后面的实践中我们还会有更多的一些认识。
  以上的研究仅仅揭开了塔式熔盐电站系统集成的冰山一角。随着国家首批光热发电示范项目的建设,整个产业链上更多的技术问题会被逐步解决。基于扎实的基础理论研究和工程实践,我们对全面掌握塔式光热发电系统集成技术充满信心,对光热发电在我国能源结构转型中未来的扮演着重要角色充满信心。同时,中国电建西北勘测设计院愿与各位同仁一起携手努力,共同创造一个绿色的未来。

附:中国电建西北院简介
  西北勘测设计研究院有限公司为中国电建集团的全资子公司,公司在多元化经营的发展探索中,不断优化业务结构,提升专业管理,正在形成以勘察设计、工程项目管理(总承包)、项目投融资运营为主要方向的产业发展格局,具有为政府、客户提供工程整体解决方案的综合能力和水平。
图:中国电建西北院业务发展
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