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、安全和高效運行，定日鏡的總體性能應(yīng)達到如下基本要求：鏡面反射率高、平整度誤差??；整體結(jié)構(gòu)機械強度高、能夠抵御8級臺風襲擊；運行穩(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，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，定日鏡建造費用仍是構(gòu)成工程總成本的最大部分，達43%。因此，降低定日鏡建造費用，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、運行穩(wěn)定性和安全可靠性以及降低建造成本為總體目標。現(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，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，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、擬建的塔式熱電項目等均采用玻璃反射鏡。它的優(yōu)點是重量輕，抗變形能力強，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。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），它能夠起到保護金屬銀的作用，同時作為過渡層，用于降低銀和保護漆之間的內(nèi)應(yīng)力，改善保護漆與金屬之間的粘結(jié)。在銅層外涂兩層保護漆，使外層的保護漆在金屬表面形成一個保護膜。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層使其保護性能更好。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械強度和穩(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械清洗設(shè)備的方法，定期對鏡面進行清洗。2定日鏡鋼框架結(jié)構(gòu)考慮到定日鏡的耐候性、機械強度等原因，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，其抗風沙強度較好，對鏡面有保護作用，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（如圖4），這種結(jié)構(gòu)減小了鏡面的重量，即減小了定日鏡運行時的能耗，使之更經(jīng)濟。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。定日鏡的基座有獨臂支架式的（如圖2），也有圓形底座式的（如圖3、圖6）。獨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，但其穩(wěn)定性、抗風性也較差，為了達到足夠的機械強度，防止被大風吹倒，必須消耗大量的鋼材和水泥材料為其建鏡架和基座，其建造費用相當驚人；圓形底座式定日鏡穩(wěn)定性較好，機械結(jié)構(gòu)強度高，且運行能耗少，但其結(jié)構(gòu)比獨臂支架式復(fù)雜，而且其底座軌道的密封防沙問題也有待進一步解決。3旋轉(zhuǎn)軸運行跟蹤的方式方法，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)動機構(gòu)（獨臂支架式）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現(xiàn)定日鏡的運行跟蹤，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標準等。4跟蹤機構(gòu)的運動過程定日鏡的控制系統(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。太陽光定點投射的含義即：定日鏡入射光線的方位角和高度角均是變化的，但目標點的位置不變。從實現(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動規(guī)律來控制跟蹤機構(gòu)的運動，它的缺點是存在累積誤差。傳感器控制方式，是由傳感器實時測出入射太陽輻射的方向，以此控制跟蹤機構(gòu)的運動，它的缺點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際上就是以程序控制為主，采用傳感器實時監(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