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中科院知识创新工程重要方向项目“太阳能与燃煤互补发电技术研究”阶段性成果
发稿时间:2015-06-15         作者:赵雅文 彭烁          来源:分布式供能与可再生能源实验室     【字号:

  多能源互补利用已经成为二十一世纪能源科学研究最重要的领域之一。探索新的能量转换机理和系统集成理论已成为多能源互补的前沿和热点。依托国家863项目和国家自然科学基金重点项目,中科院工程热物理研究所分布式供能与可再生能源研究团队针对光煤互补发电系统关键技术与核心科学问题,开展了太阳能与煤互补发电的能量转化机理、变辐照聚光集热新方法与变工况热力性能、部分旋转跟踪聚光集热实验平台研制等方面的研究。 

  目前对于光煤互补发电系统的研究主要集中在互补系统集成方式、热力性能和经济性能方面的研究,从能量守恒的角度指出了互补系统太阳能净出功增加和太阳能净发电效率提高的现象。但是,对于太阳能净发电效率提高的本质原因并未揭示。分布式供能与可再生能源研究团队从能的品位概念出发,考虑压力火用对热能品位的影响,以高温高压蒸汽为例,给出了基于压力火用的热能品位特征式,发展了热能品位表征。针对光煤互补发电系统,研究了互补火用损失减小与太阳能净出功的相互关系,首次建立了以聚光比、品位匹配为主要特征变量的互补方程;研究了聚光比、集热品位、替代抽汽品位三者间对太阳能互补净发电效率提升的作用,并指出,替代高品位的抽汽并不总是有助于提高互补系统的太阳能净发电效率;同时,给出光煤互补的最佳聚光比。与单一太阳能热发电聚光比表达式不同,光煤互补发电的聚光比不仅与辐照强度、集热温度有关,而且还与集热品位差紧密联系。 

  再者,对于现有太阳能热发电技术,由于太阳辐照的不连续性和不稳定性,一方面造成聚光集热场的聚光集热效率波动幅度大(从30%70%剧烈变化),另一方面造成聚光集热与热力循环不匹配,使动力岛处于变工况状态。这两方面的影响导致现有太阳能热发电系统年均聚光集热效率较低。为了提高变辐照光—热—功转换性能,科研人员研究提出了三种变辐照主动调控的光热转换新方法:对于聚光集热热力过程,从减小不同季节余弦损失思路出发,提出了一种槽式旋转跟踪太阳能聚光集热方法和一种倾斜轴跟踪槽式太阳能聚光集热方法,并对变辐照条件下聚光能量损失的变化规律进行研究;对于光—热—功能量转换过程,从聚光集热品位与热力循环热能品位相结合,提出一种太阳能梯级利用的三重联合循环, 通过不同品位的太阳热驱动不同工质的热力循环,大辐区聚光集热与不同工质的热力循环结合,实现变辐照、变工况聚光太阳热的综合梯级利用。 

  传统的单轴跟踪槽式太阳能聚光集热器的方位角固定,南北布置东西跟踪或者东西布置南北跟踪是最常用的两种方式。这种聚光集热方式在太阳辐照变化时,聚光集热量和聚光集热效率波动很大。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,双轴跟踪槽式聚光集热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。 

  科研人员从减小不同季节余弦损失思路出发,基于上述槽式旋转跟踪太阳能聚光集热方法,研制了槽式旋转跟踪太阳能聚光集热器,研发了300 kW部分旋转跟踪、混联聚光集热实验平台。具有不同季节调变聚光镜方位角的功能,减小余弦效应带来的聚光能量损失,使年均聚光集热场效率接近设计峰值。如图1所示。

  1 槽式旋转跟踪太阳能聚光跟踪结构图 

   该实验平台主要包括:槽式旋转跟踪聚光镜,串并混联流程集热管,太阳能给水加热装置,聚光集热性能测试装置。太阳能聚光镜的支架安装在旋转钢架上,并与其焊接,旋转钢架旋转中心处安装有转盘,周围安装有滚轮,滚轮与地面接触处安装有滑轨。转盘能通过控制和驱动装置带动固定在旋转支架上的聚光镜和集热管水平旋转,从而实现对聚光镜方位角的改变,进而可以减小太阳入射角的余弦效应造成的余弦聚光能量损失,与实时跟踪不同,部分旋转跟踪聚光器每天仅需在方位角0º和30º之间切换两次,从而避免了实时跟踪带来的装置复杂性。在实验中,该聚光器在早上采用南北轴布置东西跟踪,在中午之前太阳高度角偏小时,通过电控装置调节转盘和滚轮,使聚光镜水平旋转30º,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。传热流体(导热油)通过槽式太阳能聚光集热器,吸收太阳能达到300℃左右的温度进行利用。导热油在槽式太阳能聚光集热器中吸收太阳热能后,被油循环泵送入油水换热器用于加热高压水,将热量传递给高压水后,导热油再次流回到储油罐,继续下个循环。高压水被加热后进入冷却塔冷却。通过调节高压水和冷却水流量,控制进入导热油罐中的导热油温度。由于导热油吸收热量后比体积会变大,而且导热油受热后易挥发,因此,在系统的最高点布置了油膨胀罐,从而对系统的油循环回路起到稳压和缓冲的作用。 

  槽式旋转跟踪聚光镜是接收并反射太阳光线的关键部件,包括槽式聚光镜、旋转钢架、支架、自动跟踪控制系统。以旋转钢架子系统为参考系,槽式聚光镜绕单一旋转轴做一维旋转运动实现对太阳的跟踪,其槽型聚光镜的表面是平行于定直线并沿某一抛物线移动的直线形成的轨迹。因此,通过跟踪太阳运动的抛物面槽式聚光镜,太阳直射辐射被持续汇聚到吸热管表面上形成一条焦线,进而使吸热管内的传热流体被加热。以典型330MW燃煤电站第一级高压加热器给水温度为参考,设定导热油经过太阳能聚光集热器温度从249℃变化到271℃。对应设计聚光镜开口面积700m2。聚光镜分为两排,每排长度60米,两排聚光镜之间间隔15米,聚光镜开口5.77米,集热金属管径0.07米,聚光比为82,图2是聚光镜现场图。聚光镜为复合结构,由背板、粘合材料和反射材料组成,背板的作用是形成抛物槽形面的面形,反射材料为玻璃镜。聚光镜规格为:焦距1710mm,镜面厚度4mm,镜面宽度1700mm,镜面弧长1560mm,镜面弧高83mm 

  2 槽式旋转跟踪太阳能聚光集热器的现场结构图 

  传统的单轴跟踪槽式太阳能聚光集热器的方位角固定,这种聚光集热方法可以使聚光镜在跟踪轴周向绕吸热管旋转,从而跟踪太阳光,但在跟踪轴轴向无法进行跟踪,属于被动跟踪,当太阳辐照变化时,会造成运行过程中余弦损失巨大,从而使年均聚光集热效率较低。而根据太阳辐照的变化,通过旋转钢架带动聚光镜水平旋转,改变聚光镜方位角,可以部分实现跟踪轴轴向主动跟踪,从而减小余弦损失,提高变辐照聚光集热效率。旋转钢架子系统包括主梁、翼板与支架、支撑基础、转盘、滑轨和驱动装置等。钢架用于支撑太阳能聚光集热子系统,并将其固定在钢架上。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围绕旋转中心水平旋转。为防止钢架旋转过程中偏离旋转轨道或变形,钢架的滚轮下装有滑轨,用于固定钢架的旋转轨迹。滑轨与滚轮之间装有锁扣,每当钢架旋转到指定位置,锁扣会将滑轨与滚轮锁死,防止滑轨与滚轮之间产生相对滑动。旋转钢架采用液压驱动,驱动精度不小于1mV/º。与实时跟踪不同,部分旋转跟踪的聚光集热器每天仅需在方位角0º和30º之间切换两次,从而避免了实时跟踪带来的装置复杂性。 

  主梁采用圆形钢管和附件焊接制造,抗拉强度为235MPa。螺栓孔相对主梁连接螺栓中心位置精度为0.05mm。翼板与支架采用钢板直接冲压成型制造,采用DP280/440钢材,抗拉强度为280MPa。冲孔位置最大误差为0.5mm。支撑基础承载力为5t,侧翻力矩90000 Nm。工作状态时,在6级风的情况下,即风速不大于50km/h情况下能正常工作。停止工作状态时,在遭遇12级风的情况下,即风速不大于133km/h的情况下不会出现严重变形不能恢复或断裂破坏。支架通过固定件连接聚光镜,用于支撑抛物槽式聚光镜并且保证聚光镜面形稳定的作用。支架固定在承重旋转底座上,在聚光镜支架下安装滚轮和滑轨,使聚光镜能通过电控装置水平旋转30º,前一个集热器回路的出口与后一个集热器回路的入口通过截流阀相连。驱动装置的传动形式为机械齿轮,驱动力矩50000Nm,齿轮模数10个,蜗杆数量2个,蜗轮分度圆直径为720mm,减速比72。驱动精度小于1mrad。工作时由自动控制跟踪系统控制槽式抛物面反射镜跟踪太阳旋转,并将太阳光反射、聚焦在真空集热管上,加热集热管内部导热油。恶劣天气下(大风、冰雹等)集热器可迅速旋转至185º或-5º,以保护集热器元件。 

  该聚光集热实验平台年均聚光集热效率有望达到55%,比现有技术水平约高5个百分点,将为我国首座10MW光煤互补示范电站提供技术支撑。 

 

 

 

 

 
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