塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡的研發(fā)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡的研發(fā)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)

定日鏡是由鏡子（反射鏡）、鏡子框架（支撐結(jié)構(gòu)）、跟蹤機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成的聚光裝置。它用于跟蹤和收集反射的太陽光線，并將其接收到接收塔的中間。這是塔式太陽能熱發(fā)電站的主要設(shè)備之一，如圖1和圖2所示。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；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。根據(jù)上述基本要求可知，單臺定日鏡的面積不宜過大，否則在技術(shù)上是不合理甚至是不可行的。因此，塔式太陽能熱發(fā)電站常設(shè)有大量臺數(shù)的定日鏡，并構(gòu)成龐大的定日鏡陣列（或稱鏡場）。例如：SolarOne中有40m2定日鏡1818臺，鏡面總反射面積72540m2;SolarTwo共有定日鏡1926臺，其中40m2定日鏡1818臺，95m2定日鏡108臺，鏡面總面積82980m2;Eurelios的鏡場中共有182臺32m2定日鏡，鏡面總面積為6200m2;SolarTres共有96m2定日鏡2493臺，鏡面總面積達(dá)239328m2;PS10電站有624臺121m2大型定日鏡，鏡面總面積75504m2。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SolarTwo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，定日鏡建造費(fèi)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，對于降低整個電站工程投資是至關(guān)重要的，仍是今后的一個重要研發(fā)方向。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)?，F(xiàn)分別針對定日鏡各組成部分，綜述其研發(fā)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)問題。1玻璃反射鏡面反射鏡是定日鏡的核心組件。從鏡表面形狀上講，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（16′）的平凹面鏡。為了更好地克服由于太陽運(yùn)動而產(chǎn)生的像差，中國科技大學(xué)陳應(yīng)天教授發(fā)明了“陳氏曲面鏡”，其鏡表面是高次曲面。這種曲面鏡采用了同時聚光與跟蹤的設(shè)計思路，能夠有效地消除太陽光斑的像差，而且比傳統(tǒng)幾何鏡面（球面或拋物面等）的聚光倍數(shù)大幅提高。但這種鏡面的加工技術(shù)要求和成本較高，大型化的難度較大，主要適用于小型碟式太陽能熱發(fā)電站。此外，中國科學(xué)院電工研究所與皇明太陽能公司等單位合作，通過采用復(fù)合蜂窩技術(shù)，研制出了超輕型結(jié)構(gòu)的反射面，解決了使用平面玻璃制作曲面鏡的問題。從鏡面材料上看，主要有兩種反射鏡,（1）是張力金屬膜（stretchedmetalmembrane）反射鏡（如圖3），其鏡面是用0.2～0.5mm厚的不銹鋼等金屬材料制作而成，可以通過調(diào)節(jié)反射鏡內(nèi)部壓力來調(diào)整張力金屬膜的曲度。這種定日鏡的優(yōu)點(diǎn)是其鏡面由一整面連續(xù)的金屬膜構(gòu)成，可以僅僅通過調(diào)節(jié)定日鏡的內(nèi)部壓力調(diào)整定日鏡的焦點(diǎn)，而不像玻璃定日鏡那樣由多塊拼接而成。這種定日鏡自身難以逾越的缺點(diǎn)是反射率較低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（2）玻璃反射鏡。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。它的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，抗變形能力強(qiáng)，反射率高，易清潔等。目前，玻璃反射鏡采用的大多是玻璃背面反射鏡。由于銀的太陽吸收比低，反射率可達(dá)97%，所以銀是最適合用于太陽能反射的材料之一，但由于它在戶外環(huán)境會迅速退化，因此必須予以保護(hù)。目前應(yīng)用在日光反射系統(tǒng)中的鍍銀玻璃鏡多是用濕化學(xué)法或磁控濺射法制備的帶有四層結(jié)構(gòu)的第二表面鏡。用3～6mm厚的玻璃作為沉積鏡子的基體，同時也提供了一個清潔的硬表面。在玻璃上鍍70nm厚的銀層作為反射層。銀的上層覆蓋一層銅（厚度為30nm），它能夠起到保護(hù)金屬銀的作用，同時作為過渡層，用于降低銀和保護(hù)漆之間的內(nèi)應(yīng)力，改善保護(hù)漆與金屬之間的粘結(jié)。在銅層外涂兩層保護(hù)漆，使外層的保護(hù)漆在金屬表面形成一個保護(hù)膜。有時還會把銀鏡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。另外，反射鏡面要有很好的平整度；整體鏡面的型線要具有很高的精度，一般加工誤差不要超過0.1；而且整個鏡面與鏡體要有很高的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。由于反射鏡面是長期暴露在大氣條件下工作的，不斷有塵土沉積在表面，從而大大影響反射面的性能。因此，如何保持鏡面經(jīng)常清潔，目前仍是所有聚光集熱技術(shù)中面臨的難題之一。一種方法是在反光鏡表面覆蓋一層低表面張力的涂層，使其具有抗污垢的作用。但已有的經(jīng)驗(yàn)表明，在目前技術(shù)條件下，唯一有效可行的方法還是采用機(jī)械清洗設(shè)備的方法，定期對鏡面進(jìn)行清洗。2定日鏡鋼框架結(jié)構(gòu)考慮到定日鏡的耐候性、機(jī)械強(qiáng)度等原因，國際上現(xiàn)有的絕大多數(shù)塔式太陽能熱發(fā)電站都采用了金屬定日鏡架。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(shí)現(xiàn)；另一種是鋼框架結(jié)構(gòu)鏡架（如圖4），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。目前，對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。定日鏡的基座有獨(dú)臂支架式的（如圖2），也有圓形底座式的（如圖3、圖6）。獨(dú)臂支架式定日鏡的基座有金屬結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)兩種；而圓形底座式定日鏡的基座一般均為金屬結(jié)構(gòu)。獨(dú)臂支架式定日鏡具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、較易密封等優(yōu)點(diǎn)，但其穩(wěn)定性、抗風(fēng)性也較差，為了達(dá)到足夠的機(jī)械強(qiáng)度，防止被大風(fēng)吹倒，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；圓形底座式定日鏡穩(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。3旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)行跟蹤的方式方法，即將旋轉(zhuǎn)-仰角跟蹤目前，定日鏡跟蹤太陽的方式主要有以下兩種：方位角-仰角跟蹤方式以及自旋-仰角跟蹤方式。方位角-仰角跟蹤方式是指定日鏡運(yùn)行時采用轉(zhuǎn)動基座（圓形底座式）或轉(zhuǎn)動基座上部轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)（獨(dú)臂支架式）來調(diào)整定日鏡方位變化，同時調(diào)整鏡面仰角的方式。自旋-仰角跟蹤方式是指采用鏡面自旋，同時調(diào)整鏡面仰角的方式來實(shí)現(xiàn)定日鏡的運(yùn)行跟蹤，這是由新的聚光跟蹤理論推導(dǎo)出的一種新的跟蹤方法，也叫“陳氏跟蹤方法”。陳氏跟蹤法比傳統(tǒng)的聚光跟蹤方法能更有效的接收太陽能。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。4跟蹤機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程定日鏡的控制系統(tǒng)，使得定日鏡實(shí)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)。太陽光定點(diǎn)投射的含義即：定日鏡入射光線的方位角和高度角均是變化的，但目標(biāo)點(diǎn)的位置不變。從實(shí)現(xiàn)跟蹤的方式上講，有程序控制、傳感器控制以及程序、傳感器混合控制三種方式。程序控制方式，就是按計算的太陽運(yùn)動規(guī)律來控制跟蹤機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，它的缺點(diǎn)是存在累積誤差。傳感器控制方式，是由傳感器實(shí)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，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。程序、傳感器混合控制方式實(shí)際上就是以程序控制為主，采用傳感器實(shí)時監(jiān)測作反饋的“閉環(huán)”控制方式，這種控制方式對程序進(jìn)行了累積誤差修正，使之在任何氣候條件下都能得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制。圖5即為“閉環(huán)”控制方式的原理流程框圖。目前廣泛采用的跟蹤控制方式是“開環(huán)”方式，即利用時鐘來控制定日鏡的轉(zhuǎn)動角度。從上世紀(jì)80年代美國的SolarOne到2005年西班牙的PS10均采用了這種控制方式。而以程序控制為主，采用傳感器瞬時測量值作反饋的“閉環(huán)”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?。但“閉環(huán)”跟蹤控制方式是定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，應(yīng)對其作進(jìn)一步的研究。5定日鏡組成和原理南京江寧塔式太陽能熱發(fā)電站的定日鏡是張耀明院士及其團(tuán)隊自行研發(fā)的。創(chuàng)造性地解決塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件定日鏡技術(shù)方案不盡合理的難題，有望大幅度降低定日鏡價格實(shí)現(xiàn)電站投資的大幅降低，從而加快塔式發(fā)電商業(yè)化的步伐。如圖6所示，該定日鏡采用的是圓形底座式的“玻