当前位置:首页 新闻 产品知识

光热储能与温度传感器

特普生科技 特普生科技 2022-11-14 12 78
一、光热储能电站概述

1、原理:以热能为核心

光热储能的路径:  光能→热能→机械能→电能

 原理是通过反射镜、聚光镜等聚热器将采集的太阳辐射热能汇聚到集热装置以加热装置内的导热油、熔融盐等传热介质;传热介质经过换热装置将水加热到高温高压蒸汽, 进而驱动汽轮机带动发电机发电。

除发电所用热源不同,其后端技术路径与火力发电并无较大差异;  光热电站产生交流电, 亦可直接实现并网。另外,光热储能电站可直接为工商业企业提供工业蒸汽、供暖等。

2、作为清洁能源,可扮演火电在电网中稳定器的角色

3、产业链梳理

光热储能电站主要可分为聚光、吸热、发电、储换热四大系统。

聚光:超白玻璃、支架、定日镜/反射镜、跟踪装置;

吸热:吸热管、管道连接、熔融盐、导热油、吸热钢管;

储换热系统:熔融盐、熔盐泵、 熔盐储罐、熔盐阀、化盐设备、加热器/电伴热、保温材料、换热器等。

除发电外,其余均为光热电站的核心,三者成本占比超 70%。随着光热储能的规模增大及储能时间延长,定日镜与熔融盐的用量会增加。

4、光热储能电站迎来快速发展

在新能源装机大幅增长的背景下,应用场景已经不仅限于电力场景,例如工商业提供工业蒸汽、供暖等。随着风光大基地的持续推进,以及双碳约束下北方采暖路径的变化,光热储能市场有较大扩容潜力。


二、 光热储能原理:以热能为核心

1、光伏和光热,太阳能发电最主要的两种形式

图片

(光伏发电)
图片
(塔式光热发电)

光伏发电:

光伏效应,光能直接转化为直流电。光伏组件是光伏发电系统的核心,由多个单晶、多晶硅成分的光伏电池片串联构成。当太阳光照射在高纯硅上,使电子跃迁形成电位差,光能直接转变为直流电,并在逆变器、升压系统的作用下转变成高压交流电,最终实现用电、并网功能。

光热发电:  

经过“光能-热能-机械能- 电能”转化过程,产生交流电。通过反射镜、聚光镜等聚热器将采集的太阳辐射热能汇聚到集热装置,加热装置内的导热油、熔融盐等传热介质,传热介质经过换热装置将水加热到高温高压蒸汽,进而驱动汽轮机带动发电机发电。除发电所用热源不同,其后端技术路径与火力发电并无较大差异,且产生电流为交流电,可直接实现并网。             

  2021年,我国光伏发电累计装机容量达 306.4GW,同比+21%;光热发电累计装机容量仅 538MW,同比持平。从装机总量还是装机增速来看,光伏发电均远高于光热发电, 其主要原因是光热度电成本远高于光伏,在市场化的条件下不具备竞争优势,相较于光伏,我国光热发展相对滞后。

图片

(2012-2021 年中国光伏累计装机量及同比增速)

图片

(2012-2021 年中国光热发电累计装机量及同比增速)

图片

(光伏、光热发电对比一览)

2、 光热储能电站的四大系统组成

光热发电可分为:集热、热传输、蓄热与热交换以及发电系统。

热  (聚光)  系统: 

集热系统是光热系统的核心,主要由聚光装置、 跟踪机构、接收器等部件构成。其中集热系统的核心组件是聚光装置,其在中央控制系统操控下可追踪太阳位置,收集并向接收器反射最大量的阳光。

聚光装置中的聚光镜、焦点偏差、定日镜的反射率等均能影响发电效率,对设计、生产、安装技术要求较高。过去被海外厂家垄断,而目前国产聚光镜效率可以达 94%,与进口产品差距较小,  具备国产替代潜力。

吸热系统:

吸热系统的功能为收集集热装置产生的热能,并利用导热介质将热能 传送给蓄热系统。

储换热系统:

蓄热装置通常由绝热材料包覆的蓄热器及价格低廉、比热容高的储热介质构成,其主要作用是白天将光热能储存,夜间通过热交换系统将热能释放,并通过发电机最终转化为电能,实现光伏电站的夜间发电及调峰调频。

发电系统:  

光热发电系统与火力发电系统技术具有一致性,市场成熟度较高,二者均通过高质量过热蒸气推动汽轮机做功,从而将机械能转化为电能。

图片

(光热储能电站原理图)

图片

(光热储能电站主要结构展示)

3、光热系统:槽式现为主流,塔式前景广阔

按光能聚集方式,光热发电系统可分为塔式光热、碟式光热、槽式光热和线性菲涅尔式光热四类。

图片

(光热发电系统分类及其原理)

图片

(各类光热发电系统对比一览)

4、 我国光热储能电站发展历程

1) 初次尝试,蹒跚起步 

初次尝试于十多年前的内蒙古鄂尔多斯,拟筹划在当地建设50MW级光热示范电站,并于06年召开的中德科技论坛上升级为中德合作项目,但受制于技术水 平和发电成本等因素项目被搁置。

2)  焰火重燃,入快车道

 2016年国家能源局发布《关于建设太阳能热发电示范项目的通知》,确定了首批20个太阳能热发电示范项目,后续中控青海德令哈项目10MW塔式、首航敦煌10MW塔式等一系列项目拉动光热发展进入快车道。  

3)  再陷低谷,再陷停滞

 随18年底示范电价退坡机制的启动,19-20年光热项目建设再陷停滞。

4)  峰回路转,再次发展

2021年,国家“双碳”战略逐步深入,光热储能具备优势,行业关注度逐渐回升,有望迎再次发展。

图片

(我国已投运光热发电项目一览)


三、光热储能电站将进入发展快车

1、 政策鼓励光热储能

2、光热储能电站成本已有显著下降

技术成熟+国产替代=光热度电成本不断下降。 

近年来,可再生能源发电成本不断下降,部分低于传统化石能源发电成本,据IRENA(国际可再生能源机构)报告显示:2010-2020年全球光伏电站发电平均成本降幅达85%。

图片

(光热发电设备购置部分成本下降途径)

根据国际经验,技术进步对光热储能电站成本降低的贡献率约 42%,规模化的 贡献率约 37%,批量生产的贡献率约 21%。

3、 光热储能电站“稳定发电为其核心优势”

新能源发电痛点在于波动较大,对电网负荷造成冲击:

在火力发电主导的传统电力系统中,  电能的供应曲线相对稳定,但用电曲线在年 内、日内存在多次峰谷波动。近年可再生能源发电装机比例的提升给发电侧增添了诸多不可控因素。风电、 光伏发电受制于自然条件因素,具有波动性、随机性、反调峰性等特点。

据国家电网测算,2035 年前,我国风电、光伏装机规模将分别达7亿、6.5 亿千瓦,而所带来的日最大 波动率预计分别达1.56 亿、4.16 亿千瓦,大大超出电网调节能力。我国电网迫切需要重新构建调峰体系,以具备应对新能源 5 亿千瓦左右的日功率波动的调节能力。

储能系统具备削峰填谷、平滑波动的能力,是新能源发电的重要稳定器,能提高并网风电、光电系统的稳定性和电能质量,改善发电波动性等短板。

在电网侧、用户侧,储能技术可很好地解决电能供需错配问题,减少电网短时承压过高或峰时用电不足带来的稳定性、安全性问题,并有效消纳可再生能源。

图片

(储能系统的“削峰填谷”作用)

图片

(储能设备降低火电装机容量原理图(以孤岛电站为例)

储发一体带来的稳定发电为光热储能电站的最大优势:

光热电站集风电-抽水蓄能、光伏发电-蓄电池蓄电二者于一身,像传统火力发电厂一样生产出电网友好型的可调度电力, 以满足尖峰时段等情景下的用电需求;通过人为设置储能时长及发电机的负载功率,可实现24h连续、稳定供电。

*清华大学能源互联网研究院研究结果显示:

如果安装 22GW 光伏和 7GW 风电, 青海电网在丰水期可连续3 日全清洁能源供电(包括省内负荷及特高压外送河南);如果在此基础上配置 4GW 光热储能电站,  青海省在丰水期可实现创纪录的连续 30 日全清洁能源供电。

西北风光大基地场景,光热储能电站与之匹配度最高:

熔融盐,是光热储能的首选传热储热介质。

传热蓄热技术是光热发电关键技术之一,而传热介质的工作性能直接影响系统的效率和应用前景。据 CSPPLAZA 光热发电网统计,在国内首批 20 个光热发电示范项目中,  18 个采用熔盐储能;已备案新增92 个光热发电站清单中,86 个将采用熔盐储能。

相比于其他储能方式,熔融盐储能既能满足储能容量大、储时长的要求,又具备经济性,并能在严酷的自然条件下安全平稳运行25-30 年;其腐蚀性的劣势,则通过提高熔盐品质、使用防腐蚀材料等得到明显改善。

图片

(部分主流储能方式对比一览)

4、应用于供暖及工业蒸汽等场景

 工业蒸汽通常是由燃烧煤炭、天然气加热液态水产生过热蒸汽制得,下游主要用于满足工业企业生产的加热需要,  其一典型应用是在稠油开采领域的应用。

以光供暖、以光助农,光热发电不断开发新型应用场景。以光热大循环为主体, 将产生的热能储存起来并在温度较低时释放,便可用于绿色小镇的清洁供暖及恒 温蔬菜大棚冬日的温度保持,可大幅降低菜农冬日种植蔬菜成本。


四、光热储能产业链梳理

1、产业链梳理

图片

(光热发电产业链及相关企业)

2、不同形式、容量的造价结构不一

光热电站各部分、各原材料成本占比并不恒定,但是聚光、吸热、储热子系统为光热电站的核心,三者合计成本占比超 70%。

图片

(7h储热 50MW VS 12h储热 100MW塔式光热储能电站投资组成)

图片

(我国光热储能电站示范项目概况)

图片

(我国已并网发电的8座商业化光热储能电站关键设备使用情况)

3、光热储能市场空间分析

图片

(我国当前在建光热电站项目情况一览)


五、与温度传感器

(一) 温度传感器在光伏中上游应用

光伏产业链包括硅料、铸锭、切片、电池片、电池组件、应用系统等6个环节,上游为硅料、硅片环节,中游为电池片和组件环节,下游为发电系统。

在上游产业中,因单晶电池片转换效率高,市场上硅片主要是单晶硅片。在硅片和电池片生产这一环节中,如单晶炉、切片机、扩散炉等设备,这些设备需要稳定的冷却水系统,以满足设备的降温冷却需求。

“针对单晶硅生产中冷却水的流量和温度如何可靠检测的问题,就应用到了热电偶等温度监测产品。例如生产单晶硅的单晶炉设备,内部结构复杂,而单晶硅的生产环境要求极为苛刻,如炉体温度,如果冷却水供应不及时就可能导致炉体变形,造成硅晶体产品的不合格以及设备的损伤,所以需要在冷却水的主管路和支管路上对水进行可靠实时的流量监测。”石冢、芝浦、大泉、华工高理与特普生温度传感器领域的专家告诉温度传感器研究院的研究员。

(二) 温度传感器在光伏中游应用

1、汇流箱用温度传感器

光伏发电是一种清洁、低碳的发电方式,深受大家重视,且在偏远地区独立构成小型电网,结合了地面电站与分布式光伏发电后的储能设备,实现良好供电。

因此,光伏发电发展迅速,光伏汇流箱是将光伏电池串列汇流装置开始被广泛使用到实际系统,其通过先汇流再逆变的过程,光伏发电电能可以直接输入交流电网或者给负载进行利用。

图片

(光伏汇流箱)

光伏汇流箱包括熔断器、与直流母线相连用以防止雷电冲击的避雷器、直流断路器、与光伏电池串列相连采集电流值以及电压值检测模块、采集光伏汇流箱运行状态信息数据采集模块、测量光伏汇流箱本体内温度的NTC温度传感器、处理光伏汇流箱运行状态信息及其内部温度信息主控制器、与光伏电池串列相连的DC/DC变换装置、连接所述DC/DC变换装置输入端的PWM控制模块、以及与负载输入端相连用以采集电流值的电流采样电路。

光伏汇流箱用NTC温度传感器,主要用于采集其运行状态信息及其内部温度信息发送给上位机,实现对光伏汇流箱运行状态监控。

“光伏汇流箱用NTC温度传感器,是采用高精度单端玻封热敏电阻封装成金属环状外壳,连接高导热性强导线,形成耐高温高防水NTC温度传感器。具有高精度,高灵敏,高可靠,且采用双层密封工艺,有良好的绝缘密封性和抗机械碰撞,抗折弯能力,稳定性好等特点。”

2、锂电池用温度传感器

蓄电池,即铅蓄电池,与锂电池、液流电池一起,都是电化学储能,是指各种二次电池储能。“与铅蓄电池相比,现在我们更研用锂电池,锂电池,要用到电池BMS.温度传感器。该传感器往往具备测温精准、防潮性能佳、产品结构定制化等基础特点。”

“锂电池,要用到电池芯(芯内)温度传感器。这个传感器要求适合用于电池内芯与芯之间等空间狭小区域,就是尺寸要求很小,国内特普生,国外也有一些厂家实现了这点。另外, 耐压要求高,响应速度快。另外, 产品柔性化、可弯曲,便于安装。”

图片

(电池芯(芯内)温度传感器)

“锂电池,要用到电池芯(外围)温度传感器。这个传感器产品结构要求简单、产品表面要求容易粘贴,防水防潮。”

图片

(电池芯(外围)温度传感器)

“最后,要说的是:不同厂家与型号的锂电池、锂电池,都用温度传感器,都是储能用温度温度传感器,但是存在”测温点”数量、温度传感器结构的不同!”

(三) 光伏下游(气象站)应用温度传感器

光伏气象站集成了一组气象传感器及其备件、支架、供电设备、本地的数采集器用于处理及存储测量的数据。这些传感器以指定方式安装,并且电站监控系统可读取它们的坐标和配置。

“其实,在光伏系统气象站中,只需要少量的气象传感器,如温度传感器、倾角传感器等等,就能够充分覆盖气象站的评估需求。”

图片

(气象站)

拿光伏气象站温度传感器来说,气象数据的准确性是电站绩效评估的关键。而在电站绩效评估中,像湿度传感器、气压传感器等与发电量有一定关联的传感器,则一般不会使用。通常使用较多的是温度传感器。例如:在组件背板上,通常会将温度传感器直接安装在光伏组件的背面,以测量组件中电池片的温度,这种测温方法,叫“光伏背板温度传感器”,是利用一个热交换模型,把组件背板温度换算到组件内部电池片的温度。在换算过程中,还需要输入环境温度以及风速、风向进行修正。

“光伏背板温度传感器,采用高精度温度传感器作为敏感元件,采样算法精度高、稳定性好。防过压、防过流、防反接。轻巧、紧凑、防水的设计。专门应用于组件温度监测。标准MODBUSRTU通讯协议,可指令改变变送器地址、通讯波特率、恢复出厂设置、远程软复位等,便于二次开发,适合OEM配套。”此外,气象站还会安装环境温度传感器,用于监测实际运行阵列周围的空气温度。

(四)温度传感器在光伏下游应用

光伏下游对温度传感器的应用,主要是商用光伏电站、家用光伏电站、大型储能及微网。

“我们所理解的商用、家用光伏电站,主要指一种光储站(光伏储能站),即把光伏储存起来,以便为大功率的商用、普通功率的家用调配使用,这是一种家庭及工商业储能。我们所理解的大型储能,主要电网级箱式储能。我们所理解的微网,主要是通信储能。也就是说,温度传感器在光伏下游应用,主要有家庭及工商业储能、通信储能、电网级箱式储能。我们目前还没介入这块业务。”华工高理说,“这块业务单体需求量少,无法满足我们规模化的要求。”

图片

特普生箱式储能CCS-螺丝固定方案)

“我们特普生温度传感器,用在家庭及工商业储能、通信储能、电网级箱式储能的比较多。”特普生说,“我们2022年推出来储能CCS电池模组温度/电压采集方案,用家庭/工商业储能CCS、通信储能CCS、箱式储能CCS来解决对应不同储能温度采集问题。CCS(Cells Contacting System), 即线束板集成件、采集集成件、总成或线束隔离板。储能CCS,安装在电池包上,形成一套电池模组。

图片

(特普生家庭/工商业储能CCS-FPC方案)

“我们储能CCS,通过铜铝巴,实现电芯串并联,输出电流;采集电芯电压;采集电芯温度。我们有螺丝固定方案、激光焊接方案、超声焊接方案、FPC方案。”

图片
(特普生通信储能CCS-激光焊接方案)

特普生主营温度传感器NTC热敏电阻传感器模块及一体化解决方案,特普生拥有发明专利5项,实用新型27项,保留不公开技术2项,是国内唯一拥有全尺寸全自动单端玻封机、单端热敏电阻测试机的具有芯片设计能力的源头实业,特普生温度传感器,特别好的温度传感器。

文章链接:https://www.temp-sen.com/knowledge/500.html,部分素材来源于网络,若有不适,请及时联系我们删除。

返回
上一篇:储能温度管理:CCS电池模组的温度/电压采集方案之家庭及工商业储能
下一篇:一篇读懂温度传感器
回到顶部