太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理

1、淺談太陽能塔式光熱發(fā)電定日鏡（場(chǎng)）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(dòng) 的，陽光的照射角度也時(shí)刻都在變化，定日鏡則通過反射鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì) 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(shí) 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(dòng)系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)等組成。單臺(tái)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(shí)進(jìn)行聚焦。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(dòng)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

2、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(jí)臺(tái)風(fēng)襲擊; 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(zhǎng)等。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

3、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。張力金屬膜反射鏡造價(jià)相對(duì)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(xiàng)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45mm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(shí)還會(huì)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。圖 2 ：玻璃反射鏡結(jié)構(gòu)膜銀増強(qiáng)層超白玻璃背梔玻

4、璃圖 膜銀増強(qiáng)層超白玻璃背梔玻璃圖 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(shí)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(duì)基層 玻璃進(jìn)行鋼化。測(cè)試強(qiáng)度要求為40g鐵球于6m高度自由落體，反射 鏡鏡面不破裂。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(duì)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(shí)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(shí)的能耗, 使之更經(jīng)濟(jì)。但這種鋼框架結(jié)構(gòu)也帶

5、來 一個(gè)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(duì)鏡子的破壞。（如圖4所示）目前, 對(duì)此主要可 采取以下三種方法: 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(duì)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(jiǎn)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(tái)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

6、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 圖 7 ：圓形底座式圖 8 ：金屬結(jié)構(gòu)基座一般進(jìn)行雙軸跟蹤的定日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：ft71ft7777577777777777估、（bl圖9：方位角+仰角跟蹤（a）和自旋+仰角跟蹤

7、（b）陳應(yīng)天教授的新的跟蹤聚光理論對(duì)于提高單臺(tái)定日鏡聚光性能有很大的指導(dǎo)意義，模擬計(jì)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(dòng)方式多采用齒輪傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)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(dòng)或液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在定日鏡 的設(shè)計(jì)研制中 , 傳動(dòng)部件的密封防沙和防潤(rùn)滑油外泄等也是重要環(huán) 節(jié)。傳動(dòng)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

8、化生產(chǎn)可能性, 密封符 合美國IP5 4標(biāo)準(zhǔn)等。表：ip防護(hù)等級(jí)意義第一個(gè)數(shù)字第二個(gè)數(shù)字?jǐn)?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(shí)，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(shí)水的侵入8防止沉沒時(shí)水的侵入2.4 控制系統(tǒng)定日鏡的控制系統(tǒng) , 使得定日鏡實(shí)現(xiàn)將不同時(shí)刻的太陽直射輻 射全部反射到同一個(gè)位置的目標(biāo)。從實(shí)現(xiàn)跟蹤的方式上將，控制系統(tǒng) 劃為：閉環(huán)、開

9、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(shí)時(shí)測(cè)出入射太陽輻射的方向,以此控制跟蹤機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng), 實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)間及位置，計(jì)算出跟蹤裝置所 需的位置，以此控制跟蹤機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng), 實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽高度角和方位角的 追蹤。日期和時(shí)間公式日期和時(shí)間公式圖 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(shí)測(cè)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

10、和可靠性等問題, 一直沒有被規(guī)模化正式使用。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)。除去一般要求的機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性外，我們還應(yīng)對(duì)定日鏡以下關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了解3.1 光斑質(zhì)量對(duì)地球來說，太陽并非一個(gè)點(diǎn)光源，而是一個(gè)日輪；對(duì)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(gè)很小的夾角 2a，稱為太陽張角。由于太陽張角的作用，使得任何一個(gè)光學(xué)系統(tǒng) 產(chǎn)生的太陽像總有一個(gè)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 2a其中：d為太陽像斑 f為焦距 a為太陽張角而 a 二 arc

11、sin太陽半徑、=4.65x 10-3radI日地平面距離丿故焦距為100米時(shí)，理論上的太陽像斑為930mm。由于各種因 素的影響，實(shí)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72540m2 （美國Solar One塔式光熱發(fā)電廠定日鏡場(chǎng)面積） 的范圍內(nèi)準(zhǔn)確將陽光聚焦至集熱器上。這對(duì)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， 就必須要降低玻璃的鐵含量。目前，國內(nèi)已能

12、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(cè)量方法如圖 12 所示Light SourceSpectrormeterFiberMirror SampleVariableAperture PinholeCollection OpticsFiberBeing developedCollimating LensLight SourceSpectrormeterFiberMirror SampleVariableAperture PinholeCollection OpticsFiberBe

13、ing developedCollimating Lens圖 12：鏡面反射率測(cè)量方法追蹤精度表：定日鏡總體效率反射鏡92%（玻璃銀鏡的最高反射率）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(jì)82.1%（合計(jì)是相乘而不是相加）提高反射效率所要解決的問題有兩個(gè)，一個(gè)是反射鏡跟蹤精度， 一個(gè)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(shí)驗(yàn)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。定日鏡在電站中不僅數(shù)量最多、占據(jù)場(chǎng)地最大 ,而且是工程投資 的重