熱發(fā)電定日鏡

1、塔式太陽能熱發(fā)電的定日鏡當(dāng)今能源緊缺問題和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重我國能源生產(chǎn)近年來快速增長，2005年一次能源生產(chǎn)總量達(dá)18.64億噸標(biāo) 準(zhǔn)煤，增長15.2%。其中，發(fā)電量達(dá)2 1 8 7 0億千瓦時，增長14.5%； 煤炭生產(chǎn)超速增長，產(chǎn)量達(dá)19. 5 6億噸，漲幅17. 3%；原油產(chǎn)量增長2. 9%。 但電力供應(yīng)仍有較大缺口，煤炭供不應(yīng)求，天然氣供應(yīng)仍將出現(xiàn)季節(jié)性短缺。對于 我國能源的短缺有兩種辦法。一是尋找資源加大對外進(jìn)口。二是開發(fā)新能源，尤其 是可再生能源。而解決問題的根本方法是第二個。大氣污染程度在加劇，北京成了世界上塵污染最嚴(yán)重的城市之一。水環(huán)境污染 也日益突出。環(huán)境污染從城市向農(nóng)村擴(kuò)展

2、。某些物種滅絕、植被破壞、土地退化， 以及全球性的環(huán)境問題不容忽視，各地為了提高空氣質(zhì)量，大批的燃煤鍋爐將被淘 汰，而要改成燃油或燃?xì)忮仩t，這不僅極大地增加企業(yè)的運(yùn)營資本，而且更加劇了 我國目前石油資源的短缺，使我國更加依賴于世界石油市場，這對我國經(jīng)濟(jì)的長期 穩(wěn)定運(yùn)行十分不利。據(jù)我國專家偏保守的估計，每年由于環(huán)境污染和生態(tài)破壞所造 成的經(jīng)濟(jì)損失占我國國民生產(chǎn)總值 （GNP）的9%左右中科院院士何祚麻在北京科協(xié)舉行人類發(fā)展研討會上說：“大力開發(fā)太陽能資 源，是解決人類能源危機(jī)的重要舉措。沙漠地區(qū)將能集中地提供豐富的太陽能。我國現(xiàn)有沙漠約52萬平方公里，有沙 漠化土地17.6萬平方公里，潛在沙漠化

3、土地 15.8萬平方公里，三者共計為 85.4 萬平方公里。大部分集中在內(nèi)蒙古地區(qū)和新疆地區(qū)。如果太陽能轉(zhuǎn)化為電的效率是 15%，每平方米的面積將能提供約 0.036千瓦的電 能，其日平均將能提供約0.41千瓦小時的電能。如果沙漠地區(qū)每年有360天的日照 時間，那么每平方米面積的沙漠，將能年提供約360 X 0.41=150千瓦小時的電能。85.4萬平方公里的沙漠將能年提供 85.4 X 150 X 1010=1.28 X 1014度電。以火力發(fā) 電的年運(yùn)轉(zhuǎn)時為6400小時來計算，上述太陽能供電將等價于 2 X 1010千瓦的電力裝 機(jī)。因此，僅由沙漠地區(qū)的12.5%的面積，亦即約為10萬平方

4、公里的面積，就能提 供所需要的電力。作為可再生能源的太陽能有以下優(yōu)點(diǎn)：它沒有一般煤炭，石油等礦物燃料產(chǎn)生 的有害氣體和廢渣，因而不污染環(huán)境，被稱作“干凈能源”；到處都可以得到太陽能， 使用方便，安全；成本低廉，可以再生.而利用太陽能的各種方式中塔式太陽能熱發(fā)電又有其明顯的優(yōu)勢：聚光倍數(shù)高，容易達(dá)到較高的工作溫度，陣列中的定日鏡數(shù)目越多，其聚光比越大，接收器的集 熱溫度也就越高；能量集中過程是靠反射光線一次完成的，方法簡捷有效；接收器 散熱面積相對較小，因而可得到較高的光熱轉(zhuǎn)換效率。塔式太陽能熱發(fā)電的參數(shù)可與高溫、高壓火電站一致，這樣不僅使太陽能電站 有較高的熱效率，而且也容易獲得配套設(shè)備。雖然

5、這種電站的建設(shè)費(fèi)用十分昂貴， 但隨著制鏡技術(shù)的提高和規(guī)模的增大，定日鏡成本將大幅度降低Sunlab基 于8.7GW規(guī)模預(yù)計到2 0 2 0年塔式太陽能熱發(fā)電的成本最終可達(dá)到約3 0 4 0$ MWh，即每度電34美分；Sargent&L undy基于2.6 GW規(guī)模預(yù)計到2 0 2 0年塔式太陽能熱發(fā)電的成本最終可達(dá)到5 06 0$ M Wh，即每度電56美分。與常規(guī)化石能源發(fā)電相比，如果算上環(huán)境污染的成本， 那么塔式太陽能熱發(fā)電的前景將更加廣闊。美國能源部主持的研究結(jié)果表明；在大 規(guī)模發(fā)電方面，塔式太陽能熱發(fā)電將是所有太陽能發(fā)電技術(shù)中成本最低的一種方式。定日鏡是塔式太陽能熱發(fā)電站的關(guān)鍵部件之

6、一，也是電站的主要投資部分，它 占據(jù)電站的主要場地，據(jù)Power Engineering1996年第6期報道介紹，美國的 SolarOne電站初次投資為1.42億美元，成本比例為：定日鏡52%、 發(fā)電機(jī)組、電氣設(shè)備18%、蓄熱裝置10%、接收器5%、塔3%、管道及換熱 器8%、其它設(shè)備4%。美國 Solar Two在定日鏡上的投資相當(dāng)于化石燃料發(fā)電 30 年所需購買的燃料的價值，其建造費(fèi)用占整個電站造價的一半以上。創(chuàng)新出具有自 主知識產(chǎn)權(quán)的定日鏡技術(shù)，大幅降低其造價，對于推動塔式發(fā)電技術(shù)走向成熟、走 向商業(yè)化具有舉足輕重的地位。定日鏡是一種由鏡面（反射鏡）、鏡架（支撐結(jié)構(gòu)）、跟蹤傳動機(jī)構(gòu)及其控

7、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進(jìn)入位于接收塔頂部的集熱 器內(nèi)，是太陽能熱發(fā)電的主要裝置之一。為確保塔式太陽能熱發(fā)電電站的正常、穩(wěn) 定、安全和高效運(yùn)行，定日鏡的整體性能應(yīng)達(dá)到如下基本要求：定日鏡反射率高、 平整度誤差小；整體結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度高、能夠抵御八級臺風(fēng)襲擊；運(yùn)行穩(wěn)定、聚光定 位精度高；操縱靈活、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 以下就各組成部件對定日鏡加以研究一、反射鏡鏡表面形狀由于定日鏡距位于接收塔頂部的太陽能接受器較遠(yuǎn)要求i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)ii克服由于太陽運(yùn)動而產(chǎn)

8、生的象差 竟面材料要求：質(zhì)量輕，耐風(fēng)沙，機(jī)械強(qiáng)度高。主要有以下兩種，張力金屬膜反射鏡：優(yōu)點(diǎn)由于鏡面是用0.2 0.5mm厚的不銹鋼等金屬材料制作而成，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)。缺點(diǎn)為反射率低，結(jié) 構(gòu)復(fù)雜玻璃反射鏡：優(yōu)點(diǎn)是量輕，抗變形能力強(qiáng)，反射率高，易清潔通常用濕化學(xué)法或磁控濺射法制備玻璃反射鏡（四層結(jié)構(gòu)的第二表面鏡）底層是玻 璃作為沉積鏡子的基體；再鍍銀層作為反射層；銅層用來保護(hù)金屬銀同時作為過渡 層，降低銀和保護(hù)漆之間的內(nèi)應(yīng)力；最后漆層形成保護(hù)膜。要求：很好的平整度； 整體鏡面曲線具有很高的精度加工誤差不超過0.1。二、鏡架及基座由于大型的太陽能發(fā)電站大一般建在沙漠

9、里，因此就須有較好的性能以適應(yīng)特 殊的氣候，如機(jī)械強(qiáng)度較高以抵御風(fēng)沙天氣；且遇緊急情況便于轉(zhuǎn)移等 獨(dú)臂支架式具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、較易密封等優(yōu)點(diǎn)，但其穩(wěn)定性差、為了達(dá)到機(jī) 械強(qiáng)度，防止被大風(fēng)吹倒，必須耗大量鋼材和水泥材料為其建鏡架和鏡座其建造費(fèi) 用相當(dāng)驚人 圓形底座式穩(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)雜且其底座軌道的密封防沙問題也有待進(jìn)一步解決三、 跟蹤傳動機(jī)構(gòu)方位一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。自旋一仰角的方式 是指采鏡面自旋，同時調(diào)整鏡面仰角的方來實(shí)現(xiàn)定

10、日的運(yùn)行跟 蹤，這是新的聚光跟蹤理論推倒出的一種新的跟蹤方法，也叫“陳氏跟蹤法”。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。傳動方式：齒輪傳動、液壓傳動或兩者結(jié)合的方式由于：平面鏡的微小變化都將造成反射光在較大范圍的明顯偏差要求： 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，密封符合要求四、控制系統(tǒng)程序控制：就是用計算的太陽的運(yùn)動的規(guī)律來控制跟蹤機(jī)構(gòu)的運(yùn)動；傳感器控制：是由傳感器實(shí)時測出入射太陽輻射的方向，以次控制跟蹤機(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：實(shí)際上就是以程序控制為主，采用傳

11、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)行了積累誤差的修正，使之在任何條件下都能得到穩(wěn)定 而可靠的跟蹤控制?？刂葡到y(tǒng)均采用微機(jī)作上位機(jī)，系統(tǒng)由終端機(jī)和上位機(jī)兩極組成，終端控制器 將采集到的各傳感器數(shù)據(jù)通過串行總線發(fā)到上位機(jī)，或執(zhí)行上位機(jī)發(fā)來的動作指令，通過電機(jī)驅(qū)動聚光器跟蹤太陽。多年來太陽能熱發(fā)電一直困難重重，最大的障礙是太陽的運(yùn)動，技術(shù)要求較高，因而成 本較高，大規(guī)模生產(chǎn)難度大塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化障礙。1、太陽在塔上聚焦的光斑在一天之內(nèi)呈現(xiàn)大幅度變化，導(dǎo)致聚光光強(qiáng)大幅度波動。普通球 面或平面反射鏡無法克服由于太陽運(yùn)動而產(chǎn)生的像差，由于太陽的盤面效應(yīng)，各個反射鏡在

12、中央塔上形成的光斑大小隨著它與中心塔的距離增加而線性增長，塔上最后形成的太陽聚焦 光斑在一天之內(nèi)可以隨定日鏡場的大小從幾米變化到幾十米之大，因此聚光光強(qiáng)出現(xiàn)大幅度 波動，再加上各個定日鏡的不同余弦效應(yīng)，塔式系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率僅為60%左右。盡管 目前在一些比較講究的塔式系統(tǒng)的設(shè)計中，對不同的定日鏡開始采用不同曲率半徑的球面， 以減小太陽在塔上光斑的尺寸，但光學(xué)設(shè)計復(fù)雜性大大增加導(dǎo)致制造成本也跟著大幅增長。2、眾多的定日鏡圍繞中心塔而建立，占地面積巨大。中央塔的建立必須要保證各個 定日鏡之間互相不能阻擋光線，各個定日鏡之間的距離隨著它們與中心塔距離的增 加而大幅度增長，因而塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的占地面

13、積隨著功率等級的增加而呈指數(shù)增 長。3、各個定日鏡需要單獨(dú)進(jìn)行兩維控制，控制系統(tǒng)極其復(fù)雜。在塔式系統(tǒng)中，各個定日鏡相 對于中心塔有著不同的朝向和距離，因此，每個定日鏡的跟蹤都要進(jìn)行單獨(dú)的兩維控制，且 各個定日鏡的控制各不相同，這就極大地增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和安裝調(diào)試特別是光學(xué)調(diào) 整的難度。4、為了減少眾多定日鏡的余弦效應(yīng)，中心塔必須建得足夠高才行。美國已經(jīng)建成的Solar Two (10MW)塔式熱發(fā)電的中心塔高達(dá)100多米。這樣高的塔不僅不可避免地增加塔式系 統(tǒng)的熱發(fā)電成本，而且無法適應(yīng)我國北部多風(fēng)地區(qū)的工作環(huán)境。由于上述這些問題，塔式熱發(fā)電系統(tǒng)盡管可以實(shí)現(xiàn) 1000度的聚焦高溫，但一直

14、面臨著單位裝機(jī)容量投資過大的問題 (目前塔式系統(tǒng)的初投資成本為 3.44.8萬元 /kW)，而且造價降低非常困難，這也是這項(xiàng)技術(shù)一直難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的原因。下面舉一個實(shí)例具體說明：南京江寧塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡南京江寧塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡是張耀明院士及其團(tuán)隊(duì)自行開發(fā)的。創(chuàng)造性解 決塔式太陽能系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件定日鏡技術(shù)方案不盡合理的難題，有望大幅降低定 日鏡價格，實(shí)現(xiàn)投資大幅降低，從而加快塔式發(fā)電商業(yè)的步伐。其采用圓形底座式的“玻璃一金屬框架”結(jié)構(gòu)，長4.85m 寬4.85m，定日鏡反射面積約為20平方米，鏡面中心點(diǎn)高2.0米，鏡面采用反射率大于等于 90%的背面 銀鏡，銀鏡背面有玻璃背板起

15、保護(hù)作用，每面定日鏡由9塊小凹曲面鏡構(gòu)成，整面定日鏡成一定曲度，符合反射光的聚光要求。定日鏡采用閉環(huán)式控制方式，每面定 日鏡裝有兩個傳感器，一個是調(diào)節(jié)光斑精度的光敏傳感器，另一個是調(diào)大范圍位移 的位移傳感器。定日鏡跟蹤定位精度約為2mrad.人類利用太陽的能量來發(fā)電，已經(jīng)取得了一些成果。1980年末，由法國，德國和意大利等 歐洲9個國家聯(lián)合建造的世界首座并網(wǎng)運(yùn)行的塔式太陽能熱電站，在意大利西西里島建成。 這座電站建筑物高50米，占地2萬平方米，由70個面積為50平方米和112個面積為23平 方米的聚光鏡組成。每個聚光鏡部由兩臺電動機(jī)帶動，可繞垂直軸旋轉(zhuǎn),并通過計算機(jī)控制， 使鏡面有能夠跟蹤太陽

16、轉(zhuǎn)動，拋物狀的鏡面去把照射來的陽光聚集成光束射到塔頂使那里 設(shè)置的鍋爐產(chǎn)生高達(dá)500度的水蒸氣，再用這種高溫蒸氣驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電?這座電站 的額定功率為1000千瓦。由于具有良好的儲能設(shè)施，所以，無論是白天，黑夜，陰天下雨都 能保證連續(xù)發(fā)電，從而使這里銀光閃爍，被人們稱作是西西里島的聚寶盆。美國在1982年 也在加利福尼亞州興建了一座大型塔式太陽能熱電站，這座電站占地7萬多平方米.塔高80 米，采用了 1818個聚光鏡,發(fā)電能力達(dá)到1萬千瓦，緊隨其后，中國，俄羅斯，美國又相繼建 造出10萬千瓦，30萬千瓦和100萬千瓦的太陽以能熱電站。進(jìn)入20世紀(jì)90年代這后，日本在進(jìn)行上萬千瓦級太陽能熱

17、電站實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，率先提出 解決整個世界能源危機(jī)的龐大計劃，并把地球赤道附近以瑙魯為中心的太平洋海域作為選址, 建立巨型浮體太陽能熱電站群，通過海底電纜和衛(wèi)星進(jìn)行方式，問加入網(wǎng)絡(luò)的國家輸電，目 前，這一計劃已進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段?，F(xiàn)在，人們又計劃將太陽能熱電站搬到宇宙空間，預(yù)計在不久 的將來，太空電站便會兢兢業(yè)業(yè)地為人類服務(wù)。由于太陽能輻射到地球表面的能量密度比較低，因此，太陽能熱發(fā)電，能否經(jīng)濟(jì)高效利 用太陽能的關(guān)鍵在于太陽聚光和跟蹤水平的優(yōu)劣。上世紀(jì)80年代自適應(yīng)光學(xué)在近代精密光 學(xué)中取得很大成功，但由于控制系統(tǒng)極其復(fù)雜且價格高昂，在太陽能上應(yīng)用一直是個難題。 當(dāng)時在英國劍橋大學(xué)和美國加州理工學(xué)院任

18、高級研究員的陳應(yīng)天博士提出了一種利用行與 列的運(yùn)動來代替點(diǎn)的二維運(yùn)動的新的數(shù)學(xué)控制模式，這樣由子鏡組成的光學(xué)矩陣鏡面的控制 可以由幾何級數(shù)大大減少為代數(shù)級數(shù)。陳應(yīng)天用8年時間完成了這個新的行列控制理論的 完整數(shù)學(xué)模型，并發(fā)展出了將其一般理論應(yīng)用于太陽能的理論與公式。為了將其優(yōu)點(diǎn)在太陽 能聚光應(yīng)用上充分發(fā)揮出來，他打破了傳統(tǒng)的采用方位角-仰角的太陽跟蹤方法，在世界上 第一個提出了采用自旋-仰角的跟蹤公式。這個新的太陽聚光跟蹤理論，被國際著名太陽能 專家一一以色列特拉維夫大學(xué)的Kribus教授評論為“在一個多年幾乎沒有進(jìn)展的定日鏡領(lǐng)域 中的第一個突破”。世界最權(quán)威的太陽能刊物Solar Energ

19、y Engineering圍繞這一新的聚 光跟蹤理論從2001年起連續(xù)發(fā)表了他的八篇論文，在國際學(xué)界引起巨大反響。經(jīng)國際太陽 能權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格地分析比較后證明，根據(jù)新的聚光跟蹤理論推導(dǎo)出的新的聚光曲面和跟 蹤方法（國際上現(xiàn)稱為“陳的曲面”和“陳的跟蹤方法”），比傳統(tǒng)的聚光跟蹤方法更能有效的 接受太陽能。建立在理論突破基礎(chǔ)上的新型定日鏡技術(shù)具有以下三大優(yōu)點(diǎn)：1新的高次曲面比傳統(tǒng)幾何鏡面（球面或拋物面等）的聚光倍數(shù)提高幾倍甚至十幾倍。即 使在入射角變化的情況下，也能夠有效地消除太陽光斑的象差，從而使聚光的倍數(shù)大大增加， 并第一次實(shí)現(xiàn)了聚光與跟蹤同時進(jìn)行的設(shè)計模式。2用更簡單、更可靠的方法實(shí)現(xiàn)目前

20、國外難以做到的固定目標(biāo)下的跟蹤。跟蹤太陽運(yùn)動的 部分只限于聚光鏡，而聚光目標(biāo)不必同聚光鏡一同運(yùn)動，因而整個系統(tǒng)的機(jī)械大大簡化、重 量大大減少，這是新型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的成本能夠大幅度下降的一個重要原因。3各種變型的設(shè)計可用于不同的工作環(huán)境和工作要求，操作系統(tǒng)大大簡化。新的聚光跟蹤理 論可應(yīng)用于地球上任何一點(diǎn)、任何位置、任何朝向的定日鏡，因此可以使用單個集成線路代 替復(fù)雜的計算機(jī)控制系統(tǒng)。基礎(chǔ)理論的突破往往帶來重大的技術(shù)革新。新的聚光跟蹤理論為太陽能的高效經(jīng)濟(jì)利用開辟 了一條全新的途徑。隨著定日鏡關(guān)鍵技術(shù)方案的逐步解決，太陽能熱發(fā)電技術(shù)將可能走出具有戰(zhàn)略 意義的一步。然而，該技術(shù)畢竟是一項(xiàng)涉及多項(xiàng)

21、新材料、新工藝、技術(shù)高度集成化、 投資巨大的項(xiàng)目，靠某個企業(yè)或某地方政府的科技投入來研究不太可能，因此建議 如下：1、適當(dāng)引進(jìn)國外的部分先進(jìn)、成熟技術(shù)，特別是美國、德國、以色列、西 班牙等國家科技成果或商業(yè)化商品，在此基礎(chǔ)上消化吸收。2、通過人才和技術(shù)交流， 實(shí)施“走出去，請進(jìn)來”的策略，派出我國相關(guān)領(lǐng)域的科技人員到國外，如西班牙 的the Plataforma Solar de Almeria(PSA) 研究中心培訓(xùn)、學(xué)習(xí)，并利用其先進(jìn)設(shè) 施進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究和工程實(shí)踐活動，掌握其中的部分技術(shù)，同時邀請國外如西班 牙、以色列的著名專家到我國指導(dǎo)。3、實(shí)施國家攻關(guān)計劃，在國家有關(guān)部門組織下， 相關(guān)大學(xué)和科研院所聯(lián)合起來，共同研究太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。夾膠玻璃又稱夾