浅谈太阳能塔式光热发电定日镜

浅谈太阳能塔式光热发电定日镜（场）浅谈太阳能塔式光热发电定日镜（场） 1.定日镜的原理及特点 定日镜原理如图 1 所示，由于太阳在天空中的位臵是不断移动 的，阳光的照射角度也时刻都在变化， 定日镜则通过反射镜的旋转对 太阳进行跟踪，使阳光经过反射后能以一定的方向出射， 这样就能实 现太阳能的大量聚集，改变太阳辐射能流密度低的缺点。 一般的定日镜是由反射镜、镜架及基座、跟踪传动系统、控制系 统等组成。单台定日镜的反射面一般为球面或抛物面， 这就使得定日 镜可以在将阳光反射定位的同时进行聚焦。 图 1：定日镜聚光示意图 2.定日镜组成 定日镜是由反射镜、镜架及基座、跟踪传动系统、控制系统等组 成的聚光装臵， 用于跟踪接收并聚集反射太阳光线进入位于接收塔顶 部的集热器内,是塔式太阳能热发电站的主要装臵之一。 为确保塔式太阳能热发电站的正常、 稳定、 安全和高效运行, 定 日镜的总体性能应达到如下基本要求: 镜面反射率高、 平整度误差小; 整体结构机械强度高、能够抵御 8 级台风袭击; 运行稳定、聚光定位 精度高; 操控灵活、 紧急情况可快速撤离;可全天候工作;可大批量生 产; 易于安装和维护, 工作寿命长等。 反射镜 反射镜是定日镜的核心组件。 从镜表面形状上分, 主要有平凹面镜、曲面镜等几种。在塔式太 阳能热发电站中, 由于定日镜距位于接收塔顶部的太阳能接收器较 远, 为了使阳光经定日镜反射后不致产生过大的散焦, 把95%以上的 反射阳光聚集到集热器内 , 目前国内外采用的定日镜大多是镜表面 具有微小弧度的平凹面镜。 从镜面材料上分, 主要有张力金属膜反射镜、玻璃反射镜等几 种。张力金属膜反射镜造价相对较低，但是反射率较低、结构复杂。 故目前已建成投产的塔式热电站的定日镜以及待建、 拟建的塔式热电 项目等均采用玻璃反射镜。 玻璃反射镜结构如图 2、3 所示，最上层由 4～5mm 的超白低铁玻 璃作为基体（降低铁的含量是为了提高玻璃的透光率） ，镀一层银层 （银反射率可达 97%以上）作为反射层。最后加一层铜层作为保护层 及过渡层， 。有时还会把银层封夹在两层玻璃之间或喷涂上多层漆保 护层使其保护性能更好。 图 2：玻璃反射镜结构 图 3：玻璃反射镜结构 制作玻璃曲面最常用的方法是采用模具法让玻璃热弯成型， 国内 一般采用机械变形的手段形成所需曲面， 大大节约了成本，但同时降 低了镜面的机械强度。 为了加强涂层的抗风沙能力和反射镜的机械强度， 通常需对基层 玻璃进行钢化。测试强度要求为 40g 铁球于 6m 高度自由落体，反射 镜镜面不破裂。 镜架及基座 定日镜架主要有两种, 一种是钢板结构镜架, 其抗风沙强度较 好, 对镜面有保护作用, 因此镜本身可以做得很薄 , 有利于平整曲 面的实现; 另一种是钢框架结构镜架, 这种结构减小了镜面的重量, 即减小了定日镜运行时的能耗, 使之更经济。 但这种钢框架结构也带 来一个新问题, 即镜面支架与镜面之间的连接 , 既要考虑不破坏镜 面涂层, 又要考虑镜子与支架之间结合的牢固性 , 还要有利于雨水 顺利排出, 以避免雨水浸泡对镜子的破坏。 （如图 4 所示）目前, 对 此主要可采取以下三种方法 : 在镜面最外层防护漆上粘结上陶瓷垫 片, 用于与支撑物的连接; 用胶粘结; 用铆钉固定。 图 4：雨水对反射镜的腐蚀 定日镜基座主流分为独柱式和圆形底座式。独臂支架式（如图6 所示）定日镜具有结构简单、体积小、较易密封等优点 , 但其抗风性 也较差, 为了达到足够的防风效果， 一方面需要单台定日镜的面积在 合理范围之内, 否则在技术上是不合理甚至是不可行的。 另一方面必 须消耗大量的钢材和水泥材料为其建镜架和基座 , 其建造费用相当 惊人; 圆形底座式（如图 7 所示）定日镜稳定性较好, 机械结构强度 高, 且运行能耗少, 但其结构比独臂支架式复杂 , 而且其底座轨道 的密封防沙问题也有待进一步解决。 图 6：独柱式 图 7：圆形底座式 图 8：金属结构基座 跟踪传动系统 一般进行双轴跟踪的定日镜采用的大都是方位角+仰角的跟踪方 式， 现中国科学技术大学特聘教授陈应天提出了一种新的太阳跟踪聚 光理论，称为自旋+仰角跟踪方式，也叫“陈氏跟踪方法” 。两种方法 如图9所示： 图 9：方位角+仰角跟踪（a）和自旋+仰角跟踪（b） 陈应天教授的新的跟踪聚光理论对于提高单台定日镜聚光性能 有很大的指导意义，模拟计算表明，采用自旋+仰角跟踪加上特殊曲 面的定日镜和采用方位角+ 仰角加旋转抛物面的定日镜，自旋+仰角 跟踪方式比方位角+ 仰角跟踪方式的反射聚光光斑面积要小五倍多。 定日镜的传动方式多采用齿轮传动、 液压传动或两者相结合的方 式。 由于平面镜位臵的微小变化都将造成反射光在较大范围的明显偏 差, 因此目前采用的多是无间隙齿轮传动或液压传动机构。 在定日镜 的设计研制中, 传动部件的密封防沙和防润滑油外泄等也是重要环 节。传动系统选择的主要依据是: 消耗功率最小、跟踪精确性好、制 造成本最低、能满足沙漠环境要求、具有模块化生产可能性, 密封符 合美国IP54标准等。 表：IP防护等级意义 第一个数字 数字 0 1 2 3 4 5 6 意义 无防护 防止直径大于50mm的固体外物侵入 防止直径大于12mm的固体外物侵入 防止大于直径2.5mm的固体外物侵入 防止大于直径1.0mm的固体外物侵入 防止外物 防止外物及灰尘 数字 0 1 2 3 4 5 6 7 8 第二个数字 意义 无防护 防止水滴侵入 倾斜15度时，仍可防止水滴侵入 防止喷洒的水侵入 防止飞溅的水侵入 防止喷射的水侵入 防止大浪侵入 防止浸水时水的侵入 防止沉没时水的侵入 控制系统 定日镜的控制系统, 使得定日镜实现将不同时刻的太阳直射辐 射全部反射到同一个位臵的目标。 从实现跟踪的方式上将， 控制系统 划为：闭环、开环以及混合控制方式。 闭环控制原理图如下， 是由传感器实时测出入射太阳辐射的方向, 以此控制跟踪机构的运动, 实现对太阳高度角和方位角的追踪。 它的 缺点是在多云的条件下难以找到反射镜面正确定位的方向。 图 10：闭环控制原理图 开环控制原理图如下， 根据现有时间及位臵， 计算出跟踪装臵所 需的位臵， 以此控制跟踪机构的运动, 实现对太阳高度角和方位角的 追踪。 图 11：开环控制原理图 目前，采用 GPS 定位跟踪和 PLC 控制数据库管理优化跟踪是主 流。 。而以程序控制为主, 采用传感器瞬时测量值作反馈的混合控制 方式, 虽然在任何气候条件下都能得到稳定而可靠的跟踪控制 , 但 由于成本和可靠性等问题, 一直没有被规模化正式使用。 3.影响定日镜关键参数 目前, 定日镜的研究开发以提高工作效率、 控制精度、 运行稳定 性和安全可靠性以及降低建造成本为总体目标。 除去一般要求的机械 强度、稳定性外，我们还应对定日镜以下关键参数进行了解 光斑质量 对地球来说，太阳并非一个点光源，而是一个日轮；对地球上任 一点来说，入射的太阳光并非是完全的平行光， 而有一个很小的夹角 2，称为太阳张角。由于太阳张角的作用，使得任何一个光学系统 产生的太阳像总有一个有限的尺寸， 理论上太阳像的大小是由光学