奥尔堡 CSP研制非对称吸热器,将管道成本削减42%,镜场面积减少30%

时间:2020-10-23 11:57来源:国家光热联盟
  作为PHOTON项目的一部分,奥尔堡CSP的工程师已经开发、设计和优化了不对称太阳能吸热器,与西班牙Tewer Engineering公司的新型定日镜配合使用,该项目旨在获得更具竞争力的配置,并简化塔式太阳能光热发电中熔盐吸热器的组装和调试时设备的操作。
位于南半球一个50MWe光热电站中,吸热器接收到太阳能辐射通量的不对称性示意图。图片来源:Tewer Flux
  非对称吸热器的设计思路
  目前,塔式太阳能光热电站中使用熔融盐作为传热介质的外部吸热器是圆柱形的,所有的小管子组成了圆柱体(高约20米),其整个长度都相同。但太阳并不能将同样数量的太阳能辐射通量均匀的传送给吸热塔。太阳辐射强的一侧取决于其位于北半球还是南半球。在上图Tewer与奥尔堡CSP共享的资源图中,显示了南半球光热电站中的每日和季节性太阳能辐射变化。
  此我奥尔堡CSP还分析了非对称吸热器与镜场的非对称太阳辐射配对是否能降低成本。他们研究发现,采用不对称设计的吸热器可有效减少产生相同电能所需要的的热量,从而减小镜场的大小。
非对称吸热器将具有不同长度的管板,以更好地匹配吸热塔。图片来源Aalborg CSP 
  在近期韩国举办的SolarPACES大会上,奥尔堡CSP热能和工艺工程师Stephanie Sigvert Sørensen,在进行题为《与PV混合自治定日镜协同作用的高性能光热电站不对称吸热器设计的优化》(注:PV是指内置到每个定日镜中以为其运动供电的笔记本电脑大小的PV和电池单元。)报告中对此进行了阐述。她表示,这项创新的思路是基于来自太阳岛镜场的辐射水平的不对称。 “那我们为什么不使吸热器也变得不对称,以更好地适应入射太阳能光通量呢?”她解释。
  她在报告中表示,我们提出光热电站吸热器优化或集成方案,是基于我们当从太阳镜场检测发现,将用于反射阳光至吸热器顶部和底部的一些定日镜去掉,可以有效缩小传热系统。即主要利用中间部分的太阳能能流密度高的区域,而切断能量密度较低的区域(低于100kW/㎡)。同时对于吸热器制造商来说,这样做意味着需要更少的材料。
  降低成本
  她说:“当我们切掉能流密度低的区域后,其优势在于降低了成本,需要的材料更少。我们对这个设计非常有兴趣进行测试实验,也希望得到理想的结果。”
  据了解,Stephanie Sigvert Sørensen研究团队的设计是作为欧洲PHOTON项目合作的一部分而开发的,该项目获得了欧洲之星计划的资金支持,以及丹麦创新基金的资助。
  除了与Tewer在太阳能镜场/吸热器关系上进行合作外,还有其他三个项目合作伙伴旨在提高生产/成本比和整体工厂效率。与PROTECH进行无线通讯合作,与Metsolar在传感器领域合作,与Acciona进行电源模块合作等。
  奥尔堡CSP在完整系统设计方面拥有大量商业经验。如,在澳大利亚创新的Sundrop Farms海水温室项目,为Acciona提供了蒸汽发生系统等。
  PHOTON项目整体目标
  在PHOTON整体项目中,五个合作伙伴的目标是将成本降低25%,将年发电量提高5%,或等效地提高光热电站的整体效率
  奥尔堡CSP在该项目中的一部分涉及与TEWER定日镜配对使用的吸热器(正在申请专利的#EP1938236“非对称太阳能吸热器”)的开发,设计和优化;该吸热器旨在与TEWER定日镜配对。
  Stephanie Sigvert Sørensen表示:与很多项目一样,目前PHOTON计划由于疫情大流行而被搁置,该项研究正在等待最后的定日镜测试。此前TEWER研发的定日镜原型(见下图)已经在马德里进行了初步测试,现在测试仍在进行中,研究人员计划在西班牙PSA平台重新开放后进行进一步测试。
使用小型光伏电池和电池驱动Tewer定日镜原型的运动。 图片来源:Tewer
  奥尔堡CSP的合作者兼项目经理、机械工程师JensJørgenFalsig则表示,非对称性吸热器实际上只是修改了吸热器管道长度问题,如果是这样,就无需进行测试,因为制作吸热器的实际技术不会改变。“我们仅优化管道长度,因此我们相信它会起作用。 吸热器内的各个面板的长度不同。代替每个面板都基本都是20米长的管道,其中一些面板可能只需要14米长的管道,因此制造起来并不困难。”
  此外,奥尔堡CSP还进一步分析了100 MW和座50 MW塔式光热电站非对称吸热器的制造区别,是管道高度会有所不同。对于100 MW光热电站,有些管高约14或16米,而不是全部都是20米的高度;而对于50 MW光热电站,管的高度是6或12米,而不是全部高15米。
  太阳能镜场面积减少了30%,管道成本削减了42%
  研究发现,所有合作伙伴都降低了总体成本——EPC成本将降低14%以上,光热电站总效率提高近3%LCOE将减少13%以上。这意味着发电量相同将需要更少的太阳能,而100MW塔式光热电站的太阳能镜场面积需求减少了约30%。
  与优化对称吸热器的基础案例相比,优化的非对称吸热器中的熔融盐吸热器效率在两种规模光热电站中均将提高约1%。
  非对称吸热器最大的成本降低来自材料。在规模较小的塔式光热电站中,其太阳能镜场较小且具有较高的光学质量,在钢支撑结构、绝缘材料,描图等方面,吸热器的总体成本将大大降低,并且更为明显。在100MW光热电站中,这些吸热器的总体成本降低了13%以上,而在50MW光热电站中则降低了20%以上。
  就直接材料成本(仅是管道本身)而言,就直接材料(管材)成本而言,100MW电站采用非对称吸热器可节省高达29%的材料成本,而50MW电站则可节省高达42%。

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