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1、 淺談太陽能塔式光熱發(fā)電定日鏡（場） 1. 定日鏡的原理及特點(diǎn) 定日鏡原理如圖 1 所示，由于太陽在天空中的位置是不斷移動 的，陽光的照射角度也時刻都在變化， 定日鏡則通過反射鏡的旋轉(zhuǎn)對 太陽進(jìn)行跟蹤， 使陽光經(jīng)過反射后能以一定的方向出射， 這樣就能實 現(xiàn)太陽能的大量聚集，改變太陽輻射能流密度低的缺點(diǎn)。 一般的定日鏡是由反射鏡、鏡架及基座、跟蹤傳動系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)等組成。單臺定日鏡的反射面一般為球面或拋物面， 這就使得定日 鏡可以在將陽光反射定位的同時進(jìn)行聚焦。

2、 圖 1：定日鏡聚光示意圖 2. 定日鏡組成 定日鏡是由反射鏡、 鏡架及基座、 跟蹤傳動系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)等組成的聚光裝置，用于跟蹤接收并聚集反射太陽光線進(jìn)入位于接收塔頂部的集熱器內(nèi) ,是塔式太陽能熱發(fā)電站的主要裝置之一。 為確保塔式太陽能熱發(fā)電站的正常、 穩(wěn)定、安全和高效運(yùn)行 , 定日鏡的總體性能應(yīng)達(dá)到如下基本要求 : 鏡面反射率高、平整度誤差小 ; 整體結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度高、能夠抵御 8 級臺風(fēng)襲擊

3、; 運(yùn)行穩(wěn)定、聚光定位精度高 ; 操控靈活、緊急情況可快速撤離 ;可全天候工作 ;可大批量生 產(chǎn); 易于安裝和維護(hù) , 工作壽命長等。 2.1 反射鏡 反射鏡是定日鏡的核心組件。 從鏡表面形狀上分 , 主要有平凹面鏡、曲面鏡等幾種。在塔式太陽能熱發(fā)電站中 , 由于定日鏡距位于接收塔頂部的太陽能接收器較 遠(yuǎn), 為了使陽光經(jīng)定日鏡反射后不致產(chǎn)生過大的散焦 , 把 95% 以上的反射陽光聚集到集熱器內(nèi) , 目前國內(nèi)外采用的定日鏡大多是鏡表面具有微小弧度的平凹面鏡。 從鏡面材料上分 , 主要有張力金屬膜反射鏡、玻璃反射鏡等幾種。張力金屬膜

4、反射鏡造價相對較低，但是反射率較低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。故目前已建成投產(chǎn)的塔式熱電站的定日鏡以及待建、 擬建的塔式熱電項目等均采用玻璃反射鏡。 玻璃反射鏡結(jié)構(gòu)如圖 2、3 所示，最上層由 4～5mm 的超白低鐵玻璃作為基體（降低鐵的含量是為了提高玻璃的透光率） ，鍍一層銀 層（銀反射率可達(dá) 97% 以上）作為反射層。最后加一層銅層作為保 護(hù)層及過渡層，。有時還會把銀層封夾在兩層玻璃之間或噴涂上多層 漆保護(hù)層使其保護(hù)性能更好。

5、 圖 2：玻璃反射鏡結(jié)構(gòu) 圖 3：玻璃反射鏡結(jié)構(gòu) 制作玻璃曲面最常用的方法是采用模具法讓玻璃熱彎成型， 國內(nèi)一般采用機(jī)械變形的手段形成所需曲面， 大大節(jié)約了成本， 但同時降低了鏡面的機(jī)械強(qiáng)度。 為了加強(qiáng)涂層的抗風(fēng)沙能力和反射鏡的機(jī)械強(qiáng)度， 通常需對基層玻璃進(jìn)行鋼化。 測試強(qiáng)度要求為 40g 鐵球于 6

6、m 高度自由落體， 反射鏡鏡面不破裂。 2.2 鏡架及基座 定日鏡架主要有兩種 , 一種是鋼板結(jié)構(gòu)鏡架 , 其抗風(fēng)沙強(qiáng)度較 好, 對鏡面有保護(hù)作用 , 因此鏡本身可以做得很薄 , 有利于平整曲面的實現(xiàn) ; 另一種是鋼框架結(jié)構(gòu)鏡架 , 這種結(jié)構(gòu)減小了鏡面的重量 , 即減小了定日鏡運(yùn)行時的能耗 , 使之更經(jīng)濟(jì)。但這種鋼框架結(jié)構(gòu)也帶來一個新問題 , 即鏡面支架與鏡面之間的連接 , 既要考慮不破壞鏡面涂 層, 又要考慮鏡子與支架之間結(jié)合的牢固性 , 還要有利于雨水順利排出, 以避免雨水浸泡對鏡子的破壞。（如圖 4 所示）目前 , 對此主要可采取以下三種方法 :

7、在鏡面最外層防護(hù)漆上粘結(jié)上陶瓷墊片 , 用于與支撐物的連接 ; 用膠粘結(jié) ; 用鉚釘固定。 圖 4：雨水對反射鏡的腐蝕 定日鏡基座主流分為獨(dú)柱式和圓形底座式。 獨(dú)臂支架式（如圖 6 所示）定日鏡具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、較易密封等優(yōu)點(diǎn) , 但其抗風(fēng)性 也較差 , 為了達(dá)到足夠的防風(fēng)效果，一方面需要單臺定日鏡的面積在 合理范圍之內(nèi) , 否則在技術(shù)上是不合理甚至是不可行的。另一方面必 須消耗大量的鋼材和水泥材料為其建鏡架和基座 , 其建造費(fèi)用相當(dāng) 驚人 ; 圓形

8、底座式（如圖 7 所示）定日鏡穩(wěn)定性較好 , 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 高, 且運(yùn)行能耗少 , 但其結(jié)構(gòu)比獨(dú)臂支架式復(fù)雜 , 而且其底座軌道的密封防沙問題也有待進(jìn)一步解決。 圖 6：獨(dú)柱式 圖 7：圓形底座式 圖 8：金屬結(jié)構(gòu)基座 2.3 跟蹤傳動系統(tǒng) 一般進(jìn)行雙軸跟蹤的定日

9、鏡采用的大都是方位角 +仰角的跟蹤方 式，現(xiàn)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)特聘教授陳應(yīng)天提出了一種新的太陽跟蹤聚 光理論，稱為自旋 +仰角跟蹤方式，也叫“陳氏跟蹤方法”。兩種方法如 圖9所示： 圖 9：方位角 +仰角跟蹤（ a）和自旋 +仰角跟蹤（ b） 陳應(yīng)天教授的新的跟蹤聚光理論對于提高單臺定日鏡聚光性能 有很大的指導(dǎo)意義，模擬計算表明，采用自旋 +仰角跟蹤加上特殊曲 面的定日鏡和采用方位角 + 仰角加旋轉(zhuǎn)拋

10、物面的定日鏡，自旋 +仰角 跟蹤方式比方位角 + 仰角跟蹤方式的反射聚光光斑面積要小五倍多。 定日鏡的傳動方式多采用齒輪傳動、 液壓傳動或兩者相結(jié)合的方 式。由于平面鏡位置的微小變化都將造成反射光在較大范圍的明顯偏 差, 因此目前采用的多是無間隙齒輪傳動或液壓傳動機(jī)構(gòu)。在定日鏡的設(shè)計研制中 , 傳動部件的密封防沙和防潤滑油外泄等也是重要環(huán)節(jié)。傳動系統(tǒng)選擇的主要依據(jù)是 : 消耗功率最小、跟蹤精確性好、制 造成本最低、能滿足沙漠環(huán)境要求、具有模塊化生產(chǎn)可能性 , 密封符 合美國 IP54 標(biāo)準(zhǔn)等。 表： IP 防護(hù)等級意義

11、 第一個數(shù)字 第二個數(shù)字 數(shù)字 意義 數(shù)字 意義 0 無防護(hù) 0 無防護(hù) 1 防止直徑大于 50mm 的固體外物侵入 1 防止水滴侵入 2 防止直徑大于 12mm 的固體外物侵入 2 傾斜 15 度時，仍可防止水滴侵入 3 防止大于直徑 2.5mm 的固體外物侵入 3 防止噴灑的水侵入 4 防止大于直徑 1.0mm 的固體外物侵入 4 防止飛濺的水侵入 5 防止外物 5 防止噴射的水侵入 6 防止外物及灰塵 6 防止大浪侵入 7 防止浸水時水的侵入 8 防止沉沒時水的侵入 2.4 控制系

12、統(tǒng) 定日鏡的控制系統(tǒng) , 使得定日鏡實現(xiàn)將不同時刻的太陽直射輻 射全部反射到同一個位置的目標(biāo)。 從實現(xiàn)跟蹤的方式上將， 控制系統(tǒng) 劃為：閉環(huán)、開環(huán)以及混合控制方式。 閉環(huán)控制原理圖如下，是由傳感器實時測出入射太陽輻射的方向 , 以此控制跟蹤機(jī)構(gòu)的運(yùn)動 , 實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的追蹤。它的 缺點(diǎn)是在多云的條件下難以找到反射鏡面正確定位的方向。 圖 10：閉環(huán)控制原理圖 開環(huán)控制原理圖如下， 根據(jù)現(xiàn)有時間及位置， 計算出跟蹤裝置所需的位置，以此

13、控制跟蹤機(jī)構(gòu)的運(yùn)動 , 實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的追蹤。 圖 11：開環(huán)控制原理圖 目前，采用 GPS 定位跟蹤和 PLC 控制數(shù)據(jù)庫管理優(yōu)化跟蹤是主流。。而以程序控制為主 , 采用傳感器瞬時測量值作反饋的混合控制方式 , 雖然在任何氣候條件下都能得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制 , 但由于成本和可靠性等問題 , 一直沒有被規(guī)?；绞褂?。 3. 影響定日鏡關(guān)鍵參數(shù) 目前 , 定日鏡的研究開發(fā)以提高工作效率、控制精度、運(yùn)行穩(wěn)定 性和安全可靠性以及降低建造成本為總體目標(biāo)。 除

14、去一般要求的機(jī)械 強(qiáng)度、穩(wěn)定性外，我們還應(yīng)對定日鏡以下關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了解 3.1 光斑質(zhì)量 對地球來說，太陽并非一個點(diǎn)光源， 而是一個日輪； 對地球上任 一點(diǎn)來說，入射的太陽光并非是完全的平行光， 而有一個很小的夾角 2 ，稱為太陽張角。由于太陽張角的作用，使得任何一個光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的太陽像總有一個有限的尺寸， 理論上太陽像的大小是由光學(xué)系 統(tǒng)的焦距 f 決定的。公式如下： d f 2 其中： d 為太陽像斑 f 為焦距 為太陽張角 而 太陽半徑 -3 rad arcsin

15、 =4.65 10 日地平面距離 故焦距為 100 米時，理論上的太陽像斑為 930mm 。由于各種因素的影響，實際上的像斑大小比理論大小要大的多。 塔式發(fā)電所需的定日鏡，需圍繞著集熱器按一定規(guī)律排列，并具有各自特定的焦距，以便在 72540m 2（美國 Solar One 塔式光熱發(fā)電廠定日鏡場面積）的范圍內(nèi)準(zhǔn)確將陽光聚焦至集熱器上。 這對于國內(nèi)的反射鏡廠家， 無論工藝還是加工難度，都提出了巨大的挑戰(zhàn)。 3.2 反射率 反射鏡的反射率是太陽能光熱系統(tǒng)效率的重中之重。 要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的太陽能玻璃，提高玻璃的透光率，以便進(jìn)一步提高反射鏡的反射率， 就必須

16、要降低玻璃的鐵含量。目前，國內(nèi)已能生產(chǎn)透光率超過 92% 的超白玻璃，但 1.1mm 的超白超薄玻璃暫無。國內(nèi)廠家仍需要解決 反射鏡不同層面熱膨脹匹配的問題以及解決反射鏡的高成本問題。 反射率測量方法如圖 12 所示 圖 12：鏡面反射率測量方法 3.3 追蹤精度 表：定日鏡總體效率 反射鏡 92% （玻璃銀鏡的最高反射率）

17、 光散射 3% （鏡面與焦點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，散射越多。 3%---8% 之間） 跟蹤丟失率 8% （跟蹤精度和可靠性決定的因素） 合計 82.1% （合計是相乘而不是相加） 提高反射效率所要解決的問題有兩個，一個是反射鏡跟蹤精度， 一個是跟蹤丟失率（即跟蹤可靠性） 。根據(jù)上表，由反射鏡（定日鏡） 反射到目標(biāo)焦點(diǎn)上的聚光率只有 82.1% 。以上數(shù)據(jù)由實驗得到。其 中反射鏡的反射率是不可改變的， 光散射也是不可改變的。 所以只能 在跟蹤精度和跟蹤可靠性上下功夫。 跟蹤技術(shù)就成為塔式熱發(fā)電系統(tǒng) 的關(guān)鍵核心。

18、 定日鏡在電站中不僅數(shù)量最多、占據(jù)場地最大 ,而且是工程投資的重頭。美國 Solar Two 電站的定日鏡建造費(fèi)用占整個電站造價的 50% 以上。雖然近年來定日鏡成本已經(jīng)不斷降低 ,但在 2004 年建成的 SolarTres 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中 , 定日鏡建造用仍是構(gòu)成工程總成本的最大部分 ,達(dá) 43% 。因此 ,降低定日鏡建造費(fèi)用 ,同時提高反射率、提高追蹤精度，對于降低整個電站工程投資、提高發(fā)電效率是至 關(guān)重要的 , 仍是今后的一個重要研發(fā)方向。 二〇一二年三月二十九日 王鵬 劉紀(jì)榮