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1、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置是不断移动的，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置，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
2、内,是塔式太阳能热发电站的主要装置之一。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。2.1 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
3、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45mm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
4、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。2.2 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
5、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
6、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2.3 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
7、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。由于平面镜位置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第二个数字数字意义数字意义0无防护0无防护1防止直径大于50mm的固体外物侵入1防止水滴侵入2防止直径大于12mm的固体外物侵入2倾斜15度时，仍可防止水滴侵入3防止大于直径2.5m
8、m的固体外物侵入3防止喷洒的水侵入4防止大于直径1.0mm的固体外物侵入4防止飞溅的水侵入5防止外物5防止喷射的水侵入6防止外物及灰尘6防止大浪侵入7防止浸水时水的侵入8防止沉没时水的侵入2.4 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置的目标。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，根据现有时间及位置，计算出跟踪
9、装置所需的位置，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3.1 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
10、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系统的焦距f决定的。公式如下：其中：d为太阳像斑f为焦距为太阳张角而 =4.6510-3rad故焦距为100米时，理论上的太阳像斑为930mm。由于各种因素的影响，实际上的像斑大小比理论大小要大的多。塔式发电所需的定日镜，需围绕着集热器按一定规律排列，并具有各自特定的焦距，以便在72540m2（美国Solar One塔式光热发电厂定日镜场面积）的范围内准确将阳光聚焦至集热器上。这对于国内的反射镜厂家，无论工艺还是加工难度，都
11、提出了巨大的挑战。3.2 反射率反射镜的反射率是太阳能光热系统效率的重中之重。要生产优质的太阳能玻璃，提高玻璃的透光率，以便进一步提高反射镜的反射率，就必须要降低玻璃的铁含量。目前，国内已能生产透光率超过92%的超白玻璃，但1.1mm的超白超薄玻璃暂无。国内厂家仍需要解决反射镜不同层面热膨胀匹配的问题以及解决反射镜的高成本问题。反射率测量方法如图12所示图12：镜面反射率测量方法3.3追踪精度表：定日镜总体效率反射镜92% （玻璃银镜的最高反射率）光散射3% （镜面与焦点距离越远，散射越多。3%-8%之间）跟踪丢失率8% （跟踪精度和可靠性决定的因素）合计82.1% （合计是相乘而不是相加）提
12、高反射效率所要解决的问题有两个，一个是反射镜跟踪精度，一个是跟踪丢失率（即跟踪可靠性）。根据上表，由反射镜（定日镜）反射到目标焦点上的聚光率只有82.1% 。以上数据由实验得到。其中反射镜的反射率是不可改变的，光散射也是不可改变的。所以只能在跟踪精度和跟踪可靠性上下功夫。跟踪技术就成为塔式热发电系统的关键核心。定日镜在电站中不仅数量最多、占据场地最大,而且是工程投资的重头。美国Solar Two电站的定日镜建造费用占整个电站造价的50%以上。虽然近年来定日镜成本已经不断降低,但在2004年建成的SolarTres塔式太阳能热发电系统中, 定日镜建造用仍是构成工程总成本的最大部分,达43%。因此,降低定日镜建造费用,同时提高反射率、提高追踪精度，对于降低整个电站工程投资、提高发电效率是至关重要的, 仍是今后的一个重要研发方向。二一二年三月二十九日王鹏 刘纪荣
