中国人独创的新型光热技术体系通过商业化验证 http://www.terasolar.com.cn
CSPPLAZA光热发电网报道：从北京向西北方驱车约260公里，在河北省张家口市张北县境内，冬日的阳光下，一座独特的光热电站闪耀在荒原之上。
17万平方米的类菲涅耳式聚光集热镜场，720MWh（th）的固态混凝土储热系统，15MWe的汽轮机发电系统，当这一切第一次完整地呈现在眼前的时候，任何人可能都会被其无处不在的创新设计所震撼。
这是由北京兆阳光热技术有限公司（以下简称兆阳光热）总承包建设的华强兆阳张家口一号太阳能热发电站。2017岁末之际，这一项目终于基本建成，完成了兆阳光热技术体系从理论到商业化验证的里程碑式发展。
据悉，目前，该项目聚光集热、储热岛和发电岛三大系统联调及系统试运行工作已经展开，各聚光回路正逐条进入连续运行，储热岛升温正在持续进行中，现已稳步升温至150℃，直至升温至正常运行温度约450℃。
兆阳光热相关负责人对CSPPLAZA记者表示，“各分系统测试现已持续进行了近一年时间，各项技术指标均达到或超过设计标准。预计该项目的建设工作将在2018年1月底前全部结束，到2018年5月可进入稳定运行阶段，实现长期连续每天24小时发电。一号电站的建设获得了华强集团的大力支持以及多家重量级合作伙伴的高度关注，力争成为中国创造在光热发电产业的成功案例。”
光热电站实现每天24小时持续发电并不是什么新鲜事，但这个项目的不同之处在于，这是世界上首个全面采用中国独创的完整创新型技术体系建设的太阳能热发电站，拥有完整知识产权，在全球范围内，目前，没有第二。
图：华强兆阳张家口一号光热电站鸟瞰
传统光热发电技术的一次彻底革新
1980年代，美国首次成功开启了光热电站的商业化，至今30余年过去了，光热发电技术的主流路线仍在很大程度上局限于槽式和塔式集热+熔盐储热两种，工作介质仍受限于导热油和熔盐两种，在此基础上进行革新且正在进行商业化尝试的创新型技术也并未在整体系统上进行彻底革新，而超临界二氧化碳循环等革命性技术仍在理论试验阶段。
穿梭于张家口一号电站其间，在约1900亩的土地上，置身于整齐排列的镜场阵列中，可以深切感受到的是，这个由中国人完全自主研发的创新型类菲涅耳光热发电技术体系已由蓝图变为现实，并实现了对传统光热发电技术的一次彻底革新。
该电站集热系统采用直接蒸汽发生（DSG）技术体系，以水作为循环工质，直接产生高温高压蒸汽，既可实现对汽轮机的直接推动高效发电，也可利用其高效混凝土储热系统进行储热发电，系统极为简单，无燃烧爆炸、环境污染等安全隐患，运行成熟可靠，且建设运行成本低廉。
据了解，这一创新型技术体系包括兆阳光热独创的双玻璃冷弯曲面镜结构、倾斜类菲涅耳高倍聚光系统设计、低成本大规模配方混凝土储热系统、土地综合利用技术、雨水自动收集系统、镜面高频次全自动清洗等多种实用化独创技术。
而这一技术体系的建立全部都基于可实现平价上网的最终设计目标，将传统光热发电技术在中国特殊自然环境下开发可能遇到的问题几乎全部考虑在内，并给出了独特的解决方案，在技术可靠性和投资经济性上具有强大竞争力。
集多种优点于一身的HLIACS镜场集热系统
17万平方米的聚光集热镜场在阳光的照射下蔚为壮观，其独特的结构设计抢人眼球，与槽式不同，与传统菲涅耳有异，这种东西轴倾斜阵列式类菲涅耳集热系统被兆阳光热命名为“HLIACS”。
HLIACS采用东西轴倾斜向阳布置方式，克服了南北轴水平线性聚光体系季节性余弦效应突出，冬夏光照差异大的重大缺陷，特别适合我国DNI资源富集在高纬度酷寒地区的国情。
以张北地区为例，参照8年的卫星数据及２年多的当地实测数据，兆阳光热总结整理出当地典型年光资源数据（1750kWh/m2.a），在此基础上对HLIACS、南北轴槽式及南北轴菲涅耳式聚光集热系统全年各月单位镜面累计集热管得热量进行了半小时间隔平均的积分测算，结果如下图所示：
图：不同技术路线集热场单位镜面各月累计集热管得热量的分布图
据兆阳光热提供的数据显示，在考虑集热管散热损失的情况下，南北轴槽式单位镜面全年累计集热管得热量约为794kWh/m2，HLIACS单位镜面全年累计集热管得热量约为786kWh/m2，两者相差约为1%，基本相当，但HLIACS各月的得热量分布相对均匀，特别是在冬季的几个月明显超过其它两种技术路线，非常有利于电站的安全稳定运行。
而南北轴水平菲涅耳单位镜面全年累计集热管得热量仅约为608kWh/m2，与前两者相差较大，特别是在深冬季节几个月的得热量未达到HLIACS的一半。
需要说明的是，由于处于北半球季风气候区的原因，张北地区6到8月份处于雨季（当地年均降水量近400毫米），夏季DNI累计较低，导致各种技术路线在该时段内集热管的得热量都较低，实际监测及运行结果也印证了这一结论。但此原因对各技术路线的单位镜面得热量月度分布差异趋势没有太大影响。
图：聚光集热场支撑结构
在整体结构设计方面，HLIACS仅需对集热场四周边缘区域的架空金属支撑结构进行一定的增强处理，由于集热场周边区域对内部区域形成挡风效果，经过权威检测机构的比例模型风洞试验和实际镜场的实地检测，占镜场面积绝大部分的内部镜场区域风速显著降低，从而可以在实现架空安装的同时大幅度减少内部镜场支撑结构的用钢量，显著降低建设成本。同时对于降低地面风速、保湿降尘、雨水收集、恢复植被及实现土地综合利用方面效果明显。
另外，HLIACS集热系统采用的跟踪传动装置为纯机械式构造，简单可靠，跟踪精度高，抗风沙，维护简单；其双玻璃冷弯微曲面镜片经济可靠，精度高，寿命长，配合小夹角二次高倍聚光设计，在实现综合聚光倍率高达150到200倍的情况下仍有较好的光学容差角度。高倍率时聚光集热效率明显提高，可有效利用低DNI强度的光照资源，弥补光照不足，特别适合我国进行大规模光热电站开发的地域、气候及光照资源特点。
在中国光热电站开发多风沙粉尘的自然环境中，镜面清洗尤为重要，多地的实测结果表明，在清洗间隔三周左右的情况下，镜面直射光反射率平均下降超过8%，对发电量影响巨大，清洗车的高频次高效率低成本运行成为电站正常运行和高效发电的必然需求。HLIACS聚光集热系统在结构设计中已经配套了全自动干式清洗车，无人操作、无需耗费水资源，清洗频率为隔日清洗，经过折算30年的清洗寿命测试，镜面无损伤，可实现镜面反射率平均下降值不超过1%。但平均全年清洗耗电量仅占电站年发电量的0.18%，几乎可忽略不计。
图：兆阳光热全自动清洗车
混凝土储热在全球范围内的首次商业化应用
长期以来，着眼于更低成本、更安全可靠的储能技术发展目标，全球范围内多家科研机构和企业都对固态混凝土储热这一技术进行了研发试验，但却未能有一个固态混凝土储热系统投入商业化运行。
远远望去，这个储热系统就像一座大楼，但却是一座“实心”建筑，系统整体由兆阳光热研发的配方混凝土逐层浇铸而成，外部采用整体保温方式保温。
该储热系统的最高有效储热容量达720MWh（th），设计压力为16MPa，长期运行条件下最高可耐550℃高温，设计工作温度450℃。
据介绍，该固态混凝土储热系统具有储热介质材料性能环保、总体造价低廉、结构稳固可靠、无冻堵分解隐患、热力学性能稳定、运行管理简单安全等优点，可实现24小时连续发电，对气候和光照条件依赖性低，在热量存满后如果出现长期连续阴雨雪天的极端情况，在不需要外部加热保温的情况下，还能够实现低负荷连续发电7天以上，确保电站的连续稳定运行。
图：已完工的配方混凝土储热系统
该混凝土储热系统的专利研发、总体设计及施工管理均由兆阳光热自行完成，系统综合换热储热和蒸汽发生功能于一体，集热系统产出的高温蒸汽直接进入该储热系统换热以存储热量，或由水直接通入该储热系统产生高温蒸汽以释放热量。
其专有技术专利的配方混凝土具有成本低，导热性能良好，比热容高，密度高，膨胀系数匹配性好，高温强度高，常年反复热循环使用条件下寿命长，可泵送，便于高效连续施工等特点，经过多年实验验证及第三方权威检测机构验证，完全可以满足光热电站储热系统的设计要求，并可推广至更多热能存储应用领域，发展前景广阔。相比传统熔盐储热系统对维温防凝的严格要求，该混凝土储热系统具有显著优势。
行业内的一般观点认为，混凝土储热技术的最大问题在于换热效率较低，而据了解，兆阳光热经过多年反复试验开发的专有增强换热结构可靠、经济、寿命长，适合大规模生产应用，成功解决了这个难题。
为验证此储热系统中最关键的综合换热系数指标，以已蒸干游离水的混凝土储热系统作为测试对象，兆阳光热已经进行了系统性的换热能力测试试验，结果表明，其实测换热性能指标与设计计算结果一致，完全能够满足各种工况条件下的储热、放热工艺需求，标志着兆阳光热混凝土储热技术体系已具备大规模推广条件。
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在光热行业普遍将水这种传热工质“弃之不用”的大环境下，兆阳光热选择了水；在光热行业对熔盐储热青睐有加的大背景下，兆阳光热选择了混凝土。水和混凝土，两种极其易得且廉价的材料，却成为了兆阳光热体系的关键工质选择，并在此基础上构建了兆阳光热的独特技术体系。
一切看起来都是那么地与众不同，但和众多悬于空中楼阁的创新技术不同的是，这一切的不同都源自兆阳光热十多年来对光热技术的持续研究和全方位的分项系统性能验证。自2006年至今，这一技术体系经历了从理论到小试、再到中试，再到今天的15MWe商业化示范电站的稳健发展，并最终成功商业化。
这也是近些年来，在全球范围内唯一一个由中国人独创的真正实现商业化“落地”的完整的创新型光热技术体系。其彻底革新了传统的光热技术，也将对现有的光热技术和行业发展产生重大影响。
今天，通过华强兆阳张家口一号15MW示范电站的成功建设，兆阳光热技术体系的可行性已经获得初步验证。但，我们的问题还有很多，兆阳光热技术体系为何独辟蹊径？HLIACS镜场集热系统到底是一个什么样的设计？水蒸汽工质如何实现传热储热？混凝土储热系统如何实现高效储放热？如何保证电站系统长期连续可靠运行？雨水收集及综合应用的意义何在？兆阳光热技术体系的经济性究竟如何？CSPPLAZA将在近期予以连续深度报道，敬请关注。
关于兆阳光热：北京兆阳光热技术有限公司依托其十多年来的技术研发，经过数年的小试中试，最终形成了一套完整独特的专利技术体系，并具备了电站设计、建设、调试和运行能力。兆阳光热目前获得国内专利授权100项，获得国际专利授权12项，并已具备电力行业新能源发电、变电工程、送电工程、火力发电（含核电站常规岛设计）和建筑行业（建筑工程）等工程设计资质，以及工程勘察工程测量、电力工程施工总承包、建筑工程施工总承包等系列资质。
在首批光热示范项目中，目前采用兆阳光热类菲涅耳技术体系的项目有两个，包括华强兆阳能源有限公司张家口水工质类菲涅耳式5万千瓦光热发电项目和中信张北新能源开发有限公司水工质类菲涅耳式5万千瓦光热发电项目。该15MW项目的成功建设为这两大示范项目的开发奠定了坚实基础，预计未来将有更多光热项目采用兆阳光热技术体系。
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