研究所发展规划(太阳能部分)(2)

2019-05-27 17:34

预计于今年五六月开始。

即将于今年五六月间在内蒙古公开招标的50兆瓦槽式太阳能热发电电站,则是目前国内规模最大的太阳能热发电。根据内蒙古当地相关部门的估算,该项目总投资16亿元人民币。项目建成后,每年可发电1.2亿度,实现产值1.8亿元和税收1530万元。

早在三年前,该项目就作为全国示范项目获得了国家发改委下达的《关于同意内蒙古自治区太阳能热发电示范项目开展前期工作的复函》。随后,德国太阳千年公司与内蒙古绿能新能源有限公司共同建立了内蒙古施德普太阳能开发有限公司,专门从事中国首个太阳能槽式热发电的可行性研究报告和实施工作。

根据2009年2月内蒙古水利厅批复的该项目水土保持方案资料,项目位于鄂尔多斯杭锦旗巴拉贡镇境内,占地一百多公顷。

该项目规划年总发电量为1.2亿度,如果含税上网电价达到每度电2.26元,当资本金内部收益率达到8.86%时,资本金投资回收期接近16年,而项目可以运行25年。

然而,聚焦式太阳能技术要实现大规模商业化还有很多问题需要进一步完善和解决。除了电站基础设施建设(包括新技术和新设备的开发)问题外,作为槽型抛物面聚焦式太阳能系统的核心部件-接收器本身的研发现状,在制造成本、使用寿命、可靠性以及效率等方面都有待提高,这些都在不同程度上制约了该项技术的推广。为了解决上述问题,涉及材料、机械、流体、传热、光学等领域的相关基础研究成为紧迫的课题。

2.2.市场前景及产业化后经济、社会效益预期结果

聚焦式太阳能光热技术的市场前景和预期经济、社会效益是相当乐观的。 2.2.1. 国家和山东省政策导向的推动作用

为了应对能源短缺和气候变化,我国政府已经作出了转变经济发展方式的战略决策,并已向世界作出承诺——到2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%-45%,并作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划,制定可行的统计、监测和考核办法。

我国已颁布了《可再生能源法》,实施细则也在逐步完善中,中高温太阳能项目将得到贷款及补贴,获批项目的实际投资风险将大大降低。

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山东省已确定了发展半岛蓝色经济区的发展规划,并上升到国家层面,新能源相关产业是蓝色经济的重要支撑点。聚焦式太阳能光热技术作为技术含量较高的应用技术,有望带动相关产业的快速发展。

2.2.2.该项技术的适宜性

聚焦式太阳能光热技术除了可以实现大规模的并网发电之外,还能以较高的工作温度实现热能的产出,其应用领域包括吸收式制冷、化工、工业过程供热、海水淡化、水处理乃至制冷、供热和发电的联合系统。宽广的应用领域决定了它在我国和我省的发展潜力。

从技术进步和社会发展的角度来说,大力发展高端新能源技术也符合世界潮流。

2.2.3.经济和社会效益

聚焦式太阳能光热应用本身就是一项高产出的技术。以聚焦式热发电为例,美国加州的9座电站总投资超过12亿美元,年并网发电量在8*108KWh以上。该项目不仅经受住了多次外部冲击,而且带动了装备业等相关产业的发展和技术进步。

作为高端的新能源技术,投资过高是槽型抛物面太阳能光热技术商业化的主要障碍,通过科研机构、运营商和政府的努力,情况已大有改观。仍以加州电站为例,通过改进接收器设计以及完善操作维护程序,近5年来电站运营成本已经降低30%。加上政府补贴,该项技术已可以在成本上与传统火力发电竞争,如果考虑到对环保的贡献其优势将更加明显。

从长远来看,由于石油和煤炭等化石能源逐渐枯竭,传统的发电(也包括制冷、供热、水处理等)成本必将不断上升,聚焦式太阳能光热具有优于传统方式的潜力。

2.3 聚焦式太阳能集热技术的研究规划和主要内容

以山东省自然科学基金——考虑能流不均匀性的槽型抛物面太阳能光热系统接收管的传热研究(ZR2011EL018)为平台,完善现有技术,并开发新的核心技术,生产具有自有知识产权的高新技术产品。

要实现槽型抛物面太阳能技术的大规模应用,除了基础设施建设(包括新技术和新设备的开发)问题外,作为系统的核心部件-接收器本身的研发现状,在制

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造成本、使用寿命、可靠性以及效率等方面都有待提高,这些都在不同程度上制约了PTS技术的推广。为了解决上述问题,涉及材料、机械、流体、传热、光学等领域的相关基础研究成为紧迫的课题(提高光热转化效率,降低生产成本,延长使用寿命等)。对这一点,各国的官产学研各方具有共识。

有鉴于此,在未来3年的研究中,将在理论上力求突破,通过对模拟槽型抛物面太阳能集热器的接收器内的传热过程,研究各种相关因素对接收器效率的影响机理,对聚焦式太阳能光热系统中接收器的结构设计提出建议。

除了理论方面,将完成能够满足聚光光学特性和单轴跟踪精度要求的槽型抛物面太阳能光热系统样机的试制,通过对制造工艺的比较优化和形位公差的控制,保证反射镜支架及反射板的尺寸和分布基本不变,通过PLC控制的手段保证追踪误差,保证研究结果的正确性和有效性;建立槽型抛物面太阳能光热系统的实验系统,精确稳定地控制微小的流体流量和载热体温度等指标,实现稳定的流动工况。观察和记录周向以及纵向范围内的传热特性及其变化特征;针对不同的气象条件和流动条件下接收器内能流分布的特征及其变化特征进行测量和评估。具体拟评估的影响参数有:(a)直射辐射强度; (b)风速;(c)环境温度; (d)接收器的结构参数;(e) 载热体的循环温度; (f) 循环流量。

在研发过程中,采用实验研究和理论分析相结合的研究方法。理论分析采取由浅入深,循序渐进的技术路线,而样机开发考虑多方面因素的影响重点放在条件设定和控制上,以保证结果的准确性和适用性。

(1)槽型抛物面太阳能集热器(Parabolic Trough Solar Concentrator, PTSC)的制作。

本课题的研究目的之一是评价不均匀太阳辐射能流对于接收器传热特性的影响,PTC的结构和精度十分关键,需要自行制作。申请者在天津大学从事博士研究时曾从事过类似的工作,了解所用材料和相关工艺,相信经过一些必要的准备过程能够制作出满足试验要求的设备。集热器长度初定5m,采光口宽度1.5m,抛物线最大边缘角根据与采集因子的关系确定。通过测量集热器的反射率以及控制形位误差等指标,准确掌握相关光学和物理性质,保证实验结果的准确性。

样机的另一个关键是太阳跟踪装置。跟踪装置的硬件部分拟由带刹车装置的交流变频电机以及大减速比的齿轮箱组成;控制部分采用PLC。通过软件硬件有

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机的结合和适时修正实现跟踪精度。

样机的开发将着眼于工程应用中的关键问题。在实际工程的集热器阵列中,往往会出现接收器外层玻璃管与内层金属管之间环形空间真空度降低乃至完全缺失的情况,此类研究对于工程应用具有一定的理论价值和实际意义,这也是样机开发需要解决的问题之一。

聚焦式太阳能集热系统的研究在国际上具有一定的创新性和理论价值,可为聚焦式太阳能系统的结构设计和性能改进提供依据。 2.4 聚焦式太阳能集热技术的预期研究成果

未来3年内,经过槽型抛物面反射镜进入接收器的不均匀能流所导致的变化的传热特性的分析;通过多种工况下不均匀能流对接收器内流动影响和光热转化效率的数学模拟和实验评估。发表SCI或EI检索论文3-5篇。

完成槽型抛物面光热转化系统样机的开发和制作,通过这一过程以及对样机的性能评价,取得相关国家专利1-2项,形成自有知识产权。

3.太阳能海水淡化

3.1 海水淡化简介

淡水是人类赖以生存和发展的基本物质。然而,海水占地球总水量的97%以上,仅剩的不到3%的淡水,其分布也极其不均,存在于河流、湖泊和可供人类直接利用的地下淡水不足0.36%。就人均占有量来说,中国的水资源相当匮乏,只居世界的第108位。

常规的海水淡化方法,如蒸馏法、离子交换法、渗析法、反渗透膜法以及冷冻法等,都要消耗大量的燃料或电力。在中国能源较紧张的条件下,利用太阳能从海水(苦咸水)中制取淡水,是解决淡水缺乏的重要途径之一,有广泛的应用前景。

中高温太阳能集热技术的发展,使得太阳能几乎可以与所有传统的海水淡化系统相结合,符合当今节能减排,可持续发展的潮流,具有广阔的发展前景。在利用太阳能光热转化进行海水淡化方面,对太阳能集热器和相应海水淡化装置的改进是今后的发展方向。槽形抛物面集热器是国际上中高温集热器中科研投入的重点,其可靠性和经济效益早已被美国加州总装机容量354MW的9座槽形抛物

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面太阳能电站的长期运行所证实。将此种集热器与露点蒸发海水淡化技术相结合,由于其较高的工作温度,可以达到较高的效率,符合太阳能海水淡化技术的趋势。

与槽形抛物面太阳能集热技术相耦合的露点蒸发海水淡化技术,通过槽形抛物面太阳能集热器这一中温集热器,以较高的工作温度实现太阳能的光热转化和利用,基于载气增湿和去湿的原理进行海水和苦咸水的淡化,同时回收冷凝去湿的热量,为蒸发盐水提供汽化潜热,使整个过程的热效率得到有效提高。

课题组前期已进行了相关科研基础工作,包括山东省自然科学基金“考虑能流不均匀性的槽型抛物面太阳能光热系统接收管的传热研究”(ZR2011EL018),并已经获得了一些槽型抛物面太阳能集热系统以及换热器的优化设计经验与实验数据,有良好的研究基础。近年来在Renewable and Sustainable Energy ,中国电机工程学报,太阳能学报等权威学术期刊上发表了10余篇与课题直接相关的科研论文,其中被3大索引收录9篇。在太阳能光热应用领域具有一定的国内影响。在产品制造方面,拥有海水淡化系统中用作为去湿装置的壳管式换热器的生产技术。 3.2 市场需求和产业化前景

到2007年底,中国已建海水淡化工程的产水能力已达到16万吨/日,天津、青岛、河北等沿海地区多个日处理10-20万吨的大型海水淡化项目相继启动。很多沿海的大型电力、石化、化工企业,开始大量利用海水,年利用海水作为工业冷却水量约420亿立方米,其中电力行业利用海水作冷却水量占90%。

经过多年的科技攻关,中国在海水淡化、海水直接利用等海水利用关键技术方面取得重大突破,技术经济日趋合理。部分技术如低温多效海水淡化技术、海水循环冷却技术已跻身国际先进水平。目前中国海水淡化已基本具备了产业化发展条件,但与国外先进水平还有很大差距。

当务之急是尽快形成中国海水淡化设备市场的完整产业链条。围绕制约海水淡化成本降低的关键问题,发展关键装备和核心技术,研发具有自主知识产权的海水淡化新技术、新工艺、新装备和新产品,提高关键材料和关键设备的国产化率,增强自主建设符合节能环保要求的海水淡化工程的能力。

未来20年内国际海水淡化市场将有近700亿美元的商机。中国未来会有几十亿美元的市场。过去海水淡化产业关注的热点在中东地区和欧洲西班牙等地,但现在英国、法国、新加坡、丹麦、日本等国家的海水淡化企业纷纷来到中国,从

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