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所长基金重点项目“太阳能热发电关键技术”简介(下)
发稿时间:2013-08-12         作者:洪慧 彭烁          来源:分布式供能与可再生能源实验室     【字号:

  上期对所长基金重点培育项目太阳能热发电关键技术的立项背景与意义、总体目标、主要研究内容、拟解决的科学问题、预期成果等方面进行了详细阐述,本期将从研究队伍、研究进展和阶段性成果等方面介绍该项目的组织与实施情况。 

  太阳能热发电关键技术项目是研究所重点培育方向太阳能热利用技术的主要项目之一,由分布式供能与可再生能源实验室承担,执行期为201211月至201512月,项目负责人为洪慧研究员。近年来,由金红光研究员率领的研究团队在太阳能与化石能源互补利用方面,以燃料化学能梯级利用为主线,在互补机理、方法及实验验证、系统集成方面开展了相关基础及应用研究,形成了特色鲜明的研究方向。近5年,该研究团队在太阳能热利用及热发电方面发表相关论文近200篇,授权和申请的相关专利近30项。 

  更为喜人的是,太阳能热发电方面的研究作为重要科研成果之一,曾荣获国家自然科学二等奖。该研究团队还与国际太阳能研究院所建立了良好的合作关系。2012年,项目组邀请国际太阳能著名专家,澳大利亚国立大学太阳能热发电研究组组长Keith Lovegrove教授来访研究所,开展了太阳能热发电的专题研讨会。金红光研究员作为国内唯一受邀者参编了英文专著“Concentratin Solar Power Technology: Principles, Developments and Applications”,该专著已由英国伍德海德出版社于2012年出版。洪慧研究员作为项目负责人主持项目7项,包括国家自然科学基金2项,国家863技术探索导向项目1项,国家863重大项目子课题1项,国家973项目子课题1项,中国科学院知识工程创新“太阳能行动计划”重要方向性项目课题1项、所长基金1项。其研究成果荣获2007年第3International Conference on Green Energy最佳论文奖,和ECOS 2007 青年科学家奖。2010年、2013洪慧研究员在三亚“太阳能热发电技术国际论坛”做了特邀报告,并于2013年应邀在著名国际会议SolarPACE上做了专题报告。 

  本年度该项目主要从200kW变辐照主动调控的聚光集热场研制、串并混联流程调控方法及设计技术、典型330MW光煤互补电站全工况系统集成方案等方面开展研究,具体研究进展及阶段性成果如下所述: 

  (1)200kW变辐照主动调控的聚光集热场研制 

  由于太阳入射角的影响,传统南北轴布置东西跟踪聚光器的冬季余弦损失达到近55%,集热效率只有30%左右,比夏季低约40%,是年均聚光集热效率低的主要原因。目前国际上研究的双轴跟踪槽式太阳能聚光器,能够实现太阳垂直入射,从而消除余弦损失造成的负面影响。但是,双轴跟踪槽式聚光聚光器机械传动系统复杂,刚度较低,运行维护成本高。目前这种技术还处于实验研究阶段(美国Sandia实验室和德国DLR),无法在太阳能规模化发电中得到广泛应用。 

  鉴于此,该项目团队原创性地提出了一种线性跟踪轴部分可调的聚光集热方法,研制了跟踪轴部分可调的槽式太阳能聚光集热器。其结构包括槽式太阳能聚光镜,吸热管,旋转钢架,跟踪可调伺服器和支架。太阳能聚光镜的支架固定在旋转钢架上,旋转钢架下装有转盘和滚轮,通过电控装置能调节转盘和滚轮,同时带动聚光镜和吸热管一起水平旋转,从而改变聚光镜方位角,减小太阳入射角的余弦效应带来的聚光能量损失。与实时跟踪不同,跟踪轴部分可调的聚光器每天仅需在方位角0度和30度之间切换两次,从而避免了实时跟踪带来的装置复杂性。例如,该聚光器可以实现南北轴布置东西跟踪,在中午之前太阳高度角偏小时,可以通过电控装置调节转盘和滚轮,使聚光镜水平旋转30度,从而迎向太阳进行跟踪;在下午之前太阳高度角较大时,再次通过电控装置调节,使聚光镜重新调回到南北轴布置东西跟踪的位置,以保证聚光器的高效聚光性。目前该实验平台正处于紧张的研发和建设阶段。 

  2)串并混联流程调控方法及设计技术 

  吸热管的散热损失是除聚光镜余弦损失外的另一项重要的能量损失。传统的太阳能热发电系统采用导热油一次通过的聚光集热场流程结构,造成变辐照时吸热管散热损失大,使光热转化性能下降,导致变工况聚光集热效率严重偏离设计工况。 

  鉴于此,科研人员根据“温度对口,梯级利用”原理,以变辐照聚光集热场效率最优为目标,打破传统太阳能热发电系统“一次通过式”集热场流程结构,原创性地提出了一种串并混联流程调控方法。即根据当地太阳辐照强度的变化,通过两个吸热管回路之间的截流阀调节导热油流量和流程,实现两排吸热管并联和串联流程之间的调变功能,从而改变聚光器的Loop长度和导热油流量,减小由散热带来的能量损失,以保证聚光器的高效光热转换性能。 

  3)完成典型330MW光煤互补示范电站预可研报告 

  863重点项目的支持下,在所长基金关键部件研制的基础上,该项目团队已经开展了新疆昌吉330MW光煤互补示范电站的预可研研究。针对该330MW亚临界火电机组提出了太阳热替代除氧器前的高压给水回热器的热力系统,并根据全年汽机负荷的变化特性曲线,以年均聚光集热效率最优为目标,初步形成了互补电站热力系统设计方法。 

  为了提高示范电站变辐照变工况性能,科研人员首先从理论上探究了变辐照聚光集热场的变工况特性规律。目前重点研究了辐照强度和太阳入射角的变化对聚光集热性能的影响。 

  随着太阳辐照强度的增加,不同汽机负荷工况下聚光集热效率出现先上升后下降的现象,存在最优值。这是因为当辐照强度增大,聚光集热量正好完全替代汽轮机回热抽汽焓时,聚光集热量与给水焓升匹配,集热效率达到峰值。若辐照强度进一步增大时,多余的聚光能量没有被利用,造成集热效率下降。另一方面,随着汽机负荷的增加,峰值集热量也相应增加,较高的辐照强度存在较高的峰值集热效率。值得注意的是,随着太阳入射角的增加,集热效率出现了先恒定后下降的变化规律。这是因为当太阳入射角较小时,余弦损失较小,聚光集热量达到恒定(达到设计值),因此集热效率保持恒定。随着入射角的进一步增加,聚光集热量不再恒定,低于设计值时,此时集热效率随着汽机负荷的降低而下降。 

  为了指导示范电站变辐照变工况调控,科研人员研究了聚光集热岛与动力岛运行参数相互协同的调控方法,目前依据昌吉地区辐照强度的客观变化规律与该电站2011年实际汽机负荷曲线,揭示了集热岛与动力岛耦合对系统整体的作用机制。 

  在春、夏、秋三季典型日,50%负荷与75%负荷工况几乎可以实现对抽汽的完全取代,系统运行较稳定,设计工况75%负荷集热效率与100%负荷相当,日均集热效率能达到40%以上。从全年运行来看,3月到10月系统性能较优,月均净发电效率在12%以上,6月份达到峰值,约为17%。全年互补运行时数可占总日照时数的80%以上,有961个小时可以实现太阳能对汽轮机抽汽的完全取代,系统运行稳定。太阳能年均净发电效率为能达到18%,优于现有太阳能独立热发电5个百分点。 

  本项目的实施将为高效利用太阳热能大规模发电提供新的方法,为研究所太阳能与燃煤互补发电原创技术奠定基础,为后续10MW光煤互补示范电站提供技术支撑,使我国的光煤互补技术研究跻身于国际先进行列。 

 
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