太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理

1、淺談太陽(yáng)能塔式光熱發(fā)電定日鏡場(chǎng)1 .定日鏡的原理及特點(diǎn)定日鏡原理如圖1所示,由于太陽(yáng)在天空中的位置是不斷移動(dòng)的,陽(yáng)光的照射角度也時(shí)刻都在變化,定日鏡那么通過(guò)反射鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤,使陽(yáng)光經(jīng)過(guò)反射后能以一定的方向出射,這樣就能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的大量聚集,改變太陽(yáng)輻射能流密度低的缺點(diǎn).一般的定日鏡是由反射鏡、鏡架及基座、跟蹤傳動(dòng)系統(tǒng)、限制系統(tǒng)等組成.單臺(tái)定日鏡的反射面一般為球面或拋物面,這就使得定日鏡可以在將陽(yáng)光反射定位的同時(shí)進(jìn)行聚焦.圖1:定日鏡聚光示意圖2 .定日鏡組成定日鏡是由反射鏡、鏡架及基座、跟蹤傳動(dòng)系統(tǒng)、限制系統(tǒng)等組成的聚光裝置,用于跟蹤接收并聚集反射太陽(yáng)光線進(jìn)入位于接收塔頂部的集熱器內(nèi)

2、,是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的主要裝置之一.為保證塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的正常、穩(wěn)定、平安和高效運(yùn)行,定日鏡的總體性能應(yīng)到達(dá)如下根本要求：鏡面反射率高、平整度誤差?。徽w結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度高、能夠抵御8級(jí)臺(tái)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(zhǎng)等.2.1 反射鏡反射鏡是定日鏡的核心組件.從鏡外表形狀上分,主要有平凹面鏡、曲面鏡等幾種.在塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中,由于定日鏡距位于接收塔頂部的太陽(yáng)能接收器較遠(yuǎn),為了使陽(yáng)光經(jīng)定日鏡反射后不致產(chǎn)生過(guò)大的散焦,把95%以上的反射陽(yáng)光聚集到集熱器內(nèi),目前國(guó)內(nèi)外采用的定日鏡大多是鏡表面具有微小弧度的

3、平凹面鏡.從鏡面材料上分,主要有張力金屬膜反射鏡、玻璃反射鏡等幾種.張力金屬膜反射鏡造價(jià)相對(duì)較低,但是反射率較低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜.故目前已建成投產(chǎn)的塔式熱電站的定日鏡以及待建、擬建的塔式熱電工程等均采用玻璃反射鏡.玻璃反射鏡結(jié)構(gòu)如圖2、3所示,最上層由45mm的超白低鐵玻璃作為基體降低鐵的含量是為了提升玻璃的透光率,鍍一層銀層銀反射率可達(dá)97%以上作為反射層.最后加一層銅層作為保護(hù)層及過(guò)渡層,.有時(shí)還會(huì)把銀層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.圖2:玻璃反射鏡結(jié)構(gòu)圖3:玻璃反射鏡結(jié)構(gòu)超白玻璃銀膜增強(qiáng)層背板玻璃制作玻璃曲面最常用的方法是采用模具法讓玻璃熱彎成型,國(guó)內(nèi)一般采用機(jī)械變形

4、的手段形成所需曲面,大大節(jié)約了本錢(qián),但同時(shí)降低了鏡面的機(jī)械強(qiáng)度.為了增強(qiáng)涂層的抗風(fēng)沙水平和反射鏡的機(jī)械強(qiáng)度,通常需對(duì)基層玻璃進(jìn)行鋼化.測(cè)試強(qiáng)度要求為40g鐵球于6m高度自由落體,反射鏡鏡面不破裂.2.2 鏡架及基座定日鏡架主要有兩種,一種是鋼板結(jié)構(gòu)鏡架,具抗風(fēng)沙強(qiáng)度較好,對(duì)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,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(shí)的能耗,使之更經(jīng)濟(jì).但這種鋼框架結(jié)構(gòu)也帶來(lái)一個(gè)新問(wèn)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,以預(yù)防雨水浸泡對(duì)鏡子的破壞.

5、如圖4所示目前,對(duì)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)；用鐘釘固定.圖4:雨水對(duì)反射鏡的腐蝕定日鏡基座主流分為獨(dú)柱式和圓形底座式獨(dú)臂支架式如圖6所示定日鏡具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、較易密封等優(yōu)點(diǎn),但其抗風(fēng)性也較差,為了到達(dá)足夠的防風(fēng)效果,一方面需要單臺(tái)定日鏡的面積在合理范圍之內(nèi),否那么在技術(shù)上是不合理甚至是不可行的.另一方面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；圓形底座式如圖7所示定日鏡穩(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(wèn)題也有待進(jìn)一步解決.圖6:獨(dú)柱式圖7:

6、圓形底座式圖8:金屬結(jié)構(gòu)基座2.3 跟蹤傳動(dòng)系統(tǒng)一般進(jìn)行雙軸跟蹤的定日鏡采用的大都是方位角+仰角的跟蹤方式,現(xiàn)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)特聘教授陳應(yīng)天提出了一種新的太陽(yáng)跟蹤聚光理論,稱(chēng)為自旋+仰角跟蹤方式,也叫“陳氏跟蹤方法.兩種方法如圖9所示：3h圖9：方位角M卬角跟蹤a和自旋+仰角跟蹤b陳應(yīng)天教授的新的跟蹤聚光理論對(duì)于提升單臺(tái)定日鏡聚光性能有很大的指導(dǎo)意義,模擬計(jì)算說(shuō)明,采用自旋+仰角跟蹤加上特殊曲面的定日鏡和采用方位角+仰角加旋轉(zhuǎn)拋物面的定日鏡,自旋+仰角跟蹤方式比方位角+仰角跟蹤方式的反射聚光光斑面積要小五倍多.定日鏡的傳動(dòng)方式多采用齒輪傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)或兩者相結(jié)合的方式.由于平面鏡位置的微小變化

7、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(wú)間隙齒輪傳動(dòng)或液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu).在定日鏡的設(shè)計(jì)研制中,傳動(dòng)部件的密封防沙和防潤(rùn)滑油外泄等也是重要環(huán)節(jié).傳動(dòng)系統(tǒng)選擇的主要依據(jù)是：消耗功率最小、跟蹤精確性好、制造本錢(qián)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(guó)IP54標(biāo)準(zhǔn)等.表：ip防護(hù)等級(jí)意義第一個(gè)數(shù)字第二個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)字意義數(shù)字意義0無(wú)防護(hù)0無(wú)防護(hù)1預(yù)防直徑大于50mm的固體外物侵入1預(yù)防水滴侵入2預(yù)防直徑大于12mm的固體外物侵入2傾斜15度時(shí),仍可預(yù)防水滴侵入3預(yù)防大于直徑2.5mm的固體外物侵入3預(yù)防噴灑的水侵入4預(yù)防大于直徑1.0mm的固體外物侵入4預(yù)防飛濺的水侵入5預(yù)防

8、外物5預(yù)防噴射的水侵入6預(yù)防外物及灰塵6預(yù)防大浪侵入7預(yù)防浸水時(shí)水的侵入8預(yù)防漂浮時(shí)水的侵入2.4 限制系統(tǒng)定日鏡的限制系統(tǒng),使得定日鏡實(shí)現(xiàn)將不同時(shí)刻的太陽(yáng)直射輻射全部反射到同一個(gè)位置的目標(biāo).從實(shí)現(xiàn)跟蹤的方式上將,限制系統(tǒng)劃為：閉環(huán)、開(kāi)環(huán)以及混合限制方式.閉環(huán)限制原理圖如下,是由傳感器實(shí)時(shí)測(cè)出入射太陽(yáng)輻射的方向以此限制跟蹤機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高度角和方位角的追蹤.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.太陽(yáng)實(shí)際位置鬟北器實(shí)際位置太陽(yáng)傳感器圖10:閉環(huán)限制原理圖開(kāi)環(huán)限制原理圖如下,根據(jù)現(xiàn)有時(shí)間及位置,計(jì)算出跟蹤裝置所需的位置,以此限制跟蹤機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)高度角和方位角的追

9、蹤.圖11:開(kāi)環(huán)限制原理圖目前,采用GPS定位跟蹤和PLC限制數(shù)據(jù)庫(kù)治理優(yōu)化跟蹤是主流.而以程序限制為主,采用傳感器瞬時(shí)測(cè)量值作反應(yīng)的混合控制方式,雖然在任何氣候條件下都能得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤限制,但由于本錢(qián)和可靠性等問(wèn)題,一直沒(méi)有被規(guī)模化正式使用.3 .影響定日鏡關(guān)鍵參數(shù)目前,定日鏡的研究開(kāi)發(fā)以提升工作效率、限制精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和平安可靠性以及降低建造本錢(qián)為總體目標(biāo).除去一般要求的機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性外,我們還應(yīng)對(duì)定日鏡以下關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了解3.1 光斑質(zhì)量對(duì)地球來(lái)說(shuō),太陽(yáng)并非一個(gè)點(diǎn)光源,而是一個(gè)日輪；對(duì)地球上任一點(diǎn)來(lái)說(shuō),入射的太陽(yáng)光并非是完全的平行光,而有一個(gè)很小的夾角2仃,稱(chēng)為太陽(yáng)張角.由于太

10、陽(yáng)張角的作用,使得任何一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的太陽(yáng)像總有一個(gè)有限的尺寸,理論上太陽(yáng)像的大小是由光學(xué)系統(tǒng)的焦距f決定的.公式如下：d=f2-其中：d為太陽(yáng)像斑f為焦距仃為太陽(yáng)張角而二=arcsin卜四1.,故焦距為100米時(shí),理論上的太陽(yáng)像斑為930mm.由于各種因素的影響,實(shí)際上的像斑大小比理論大小要大的多.塔式發(fā)電所需的定日鏡,需圍繞著集熱器按一定規(guī)律排列,并具有各自特定的焦距,以便在72540m2美國(guó)SolarOne塔式光熱發(fā)電廠定日鏡場(chǎng)面積的范圍內(nèi)準(zhǔn)確將陽(yáng)光聚焦至集熱器上.這對(duì)于國(guó)內(nèi)的反射鏡廠家,無(wú)論工藝還是加工難度,都提出了巨大的挑戰(zhàn).3.2 反射率反射鏡的反射率是太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)效率的重中之

11、重.要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的太陽(yáng)能玻璃,提升玻璃的透光率,以便進(jìn)一步提升反射鏡的反射率,就必須要降低玻璃的鐵含量.目前,國(guó)內(nèi)已能生產(chǎn)透光率超過(guò)92%的超白玻璃,但1.1mm的超白超薄玻璃暫無(wú).國(guó)內(nèi)廠家仍需要解決反射鏡不同層面熱膨脹匹配的問(wèn)題以及解決反射鏡的高本錢(qián)問(wèn)題.反射率測(cè)量方法如圖12所示SpectrometerLightSource圖12:鏡面反射率測(cè)量方法3.3追蹤精度表：定日鏡總體效率反射鏡192%玻璃銀鏡的最高反射率光散射3%鏡面與焦點(diǎn)距離越遠(yuǎn),散射越多.3%-8%之間跟蹤喪失率18%跟蹤精度和可靠性決定的因素b82.1%合計(jì)是相乘而不是相加提升反射效率所要解決的問(wèn)題有兩個(gè),一個(gè)是反射鏡跟蹤精度,一個(gè)是跟蹤喪失率即跟蹤可靠性.根據(jù)上表,由反射鏡定日鏡反射到目標(biāo)焦點(diǎn)上的聚光率只有82.1%.以上數(shù)據(jù)由實(shí)驗(yàn)得到.其中反射鏡的反射率是不可改變的,光散射也是不可改變的.所以只能在跟蹤精度和跟蹤可靠性上下功夫.跟蹤技術(shù)就成為塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵核心定日鏡在電站中不僅數(shù)量最多、占據(jù)場(chǎng)地最大,而且是工程投資的重頭.美國(guó)SolarTwo