塔式光熱電站定日鏡場的發(fā)展現(xiàn)狀及技術創(chuàng)新趨勢

周振捷 上海電氣集團股份有限公司 (200233）

廖文俊 上海電氣集團股份有限公司中央研究院 (200070）

周振捷 (1982年～), 男, 工學碩士, 畢業(yè)于同濟大學機械制造及自動化專業(yè)。主要從事燃氣輪機、風電、太陽能、分布式能源和自動化領域的產(chǎn)業(yè)研究工作。

0 引 言

隨著《國家能源科技“十二五”規(guī)劃》等文件的陸續(xù)出臺，有關太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的技術研究和商業(yè)化工作正全面展開?？傮w而言，在已有的槽式、塔式、碟式和線性菲涅爾式為代表的太陽能光熱技術路線中，塔式電站以其集熱效率高、熱工轉(zhuǎn)換效率高，系統(tǒng)綜合效率高，成本降低空間大，適合大規(guī)模應用等優(yōu)點而成為光熱產(chǎn)業(yè)未來大規(guī)模應用的主要方向。以此同時，塔式光熱電站也因其定日鏡場的設置布局和跟蹤控制較為復雜，目前尚有待相關技術的突破。

1 塔式定日鏡場概述

塔式定日鏡場是由多臺定日鏡組成用于聚集太陽輻射的聚光系統(tǒng)。每臺定日鏡通過各自獨立的跟蹤控制裝置連續(xù)跟蹤太陽，把太陽光聚集到位于塔頂?shù)奈鼰崞魃?。目前塔式定日鏡場的布置方式一般分為環(huán)形交錯布置、環(huán)形非交錯布置，扇形交錯布置，扇形非交錯布置，平行交錯布置和平行非交錯布置等方式。圖1是幾種典型的鏡場布置方式。

西班牙Gemasolar 電站采用了環(huán)形布置方案、澳大利亞國家能源技術研究中心CSIRO采用平行布置方式，中國科學院電工研究所八達嶺太陽能實驗電站、西班牙PS10 和PS20電站均采用扇形固執(zhí)方式。

圖1 幾種典型的定日鏡場布置方式

定日鏡場成本一般占整個塔式光熱電站投資成本的40%～50%。目前定日鏡成本約1 800～2 000元/m2，產(chǎn)業(yè)設定的目標成本600～700元/m2。

2 塔式定日鏡場的主要構成

定日鏡場主要由反射鏡單元、傳動裝置、支撐結構和控制系統(tǒng)等組成。其中，反射鏡單元和傳動裝置在鏡場成本中所占比例較大，約占整個定日鏡成本的50%～60%（反射鏡單元占鏡場成本的25%～30%、傳動裝置占30%～35%）、控制系統(tǒng)約占5%～10%、支撐結構約占15%～20%。

2.1 平面反射鏡

定日鏡反射鏡單元主要由平面反射鏡（也被稱為子鏡）和背面的駁接爪組成，通過在低鐵浮法玻璃基板上沉積金屬銀鍍層、金屬銅鍍層和保護漆制成。每面反射鏡通過硅膠粘到一個由縱橫交錯的鋼結構橫梁組成的底盤結構上，幾十面反射鏡組裝成定日鏡的反射面。定日鏡反射面的曲率是由支撐子鏡的支撐結構給出，通過調(diào)節(jié)子鏡背后的螺栓實現(xiàn)。

為了分攤傳動裝置的成本，一些技術供應商將定日鏡的反射面積盡量設計地很大（一般超過100m2）不過也有一些技術供應商，例如eSloar、BrightSource和浙江中控等，將定日鏡的反射面積控制在十幾平米以下，目的是簡化傳動裝置的機械結構，降低傳動裝置的成本。各主要技術供應商的定日鏡反射面積見表1。

表1 定日鏡反射面積

2.2 傳動裝置

在塔式電站中，鏡場中每臺定日鏡距離太陽塔上的吸熱器都很遠，為使收集的太陽光都反射到只有很小開口面積的吸熱器內(nèi)，定日鏡需要通過二維跟蹤裝置對太陽的高度角和方位角進行實時跟蹤。在根據(jù)天文公式計算出太陽的當前位置后，結合定日鏡旋轉(zhuǎn)中心與吸熱器中心的相對位置，計算出每臺定日鏡的目標位置，從而控制定日鏡將太陽光集中反射到吸熱器的中心。由于反射鏡的微小變化都將造成反射光在較大范圍的明顯偏差，因此要求傳動裝置具有較好的跟蹤精確性、能滿足荒漠等惡劣環(huán)境要求。由于傳動裝置在整個定日鏡成本中所占的比例最大，因此考慮到經(jīng)濟性，傳動裝置還需較小的功率消耗、較低的制造成本，并可批量生產(chǎn)。

2.3 支撐結構

定日鏡的支撐結構主要由立柱、支架和螺栓連接件組成。其中，支架的設計要求一般為能夠適應不同規(guī)格尺寸的定日鏡、結構簡單、用鋼量少。目前定日鏡的支撐結構（立柱、支架）的用鋼量約60～70kg/m2，產(chǎn)業(yè)研發(fā)的目標是將用鋼量降到40～45kg/m2。

3 塔式定日鏡場的應用狀況

20世紀80年代以來，國際上已有多個國家建造了多個塔式光熱電站，盡管成功商業(yè)化運行的占比不高，但卻為即將到來的以清潔能源和新能源技術為代表的第四次工業(yè)革命中的太陽能利用積累了一定的試驗和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗。

3.1 Solar One光熱電站

Solar One電站是1981年由美國建成的第一座太陽能塔式熱發(fā)電電站。其定日鏡場采用Martin Marietta公司生產(chǎn)的1800面單臺反射面積為39.1m2的定日鏡。1992年在Solar One 基礎上建立的Solar Two電站，其定日鏡場除了Martin定日鏡以外，還增加了108 面單臺反射面積為95m2的Lugo定日鏡。

3.2 CESA-I試驗電站

西班牙的CESA-I工程是由西班牙工業(yè)與能源部資助，于1983年5月建成的太陽能塔式示范工程。其定日鏡場由300面單臺39.6m2定日鏡組成。鏡場方向為南向，扇形交錯分布，共計16排，雖然CESA-I不是一個發(fā)電電站，但迄今為止仍在運行中并承擔各種試驗任務。

3.3 PS10和PS20光熱電站

PS10和PS20兩座商業(yè)電站由Abengoa公司在西班牙建立。前者運行功率為11MW，是世界上第一座商業(yè)運行的太陽能塔式熱發(fā)電站，其鏡場由624面單臺120m2的定日鏡組成，后者在技術上和前者基本一致，但是功率增加近一倍，定日鏡數(shù)量也增加到1 255臺。圖2是S10、PS20 定日鏡場。

圖2 PS10、PS20 定日鏡場

3.4 Gemasolar光熱電站

Gemasolar電站是Sener公司推動的第一座商業(yè)化運營的熔融鹽太陽能塔式熱發(fā)電站，建立在西班牙的Fuentes de Andalucía。Gemasolar 的定日鏡場也是世界上第一座環(huán)形布置的商業(yè)化運行的定日鏡場。Gemasolar發(fā)電站擁有2650面定日鏡，單臺定日鏡反射面積115.7m2，鏡場總面積3萬余m2。系統(tǒng)塔頂中央接收器的溫度可達900多攝氏度。塔式接收器采用熔鹽作為傳熱介質(zhì)，溫度可達500多攝氏度，相比槽式聚光技術，能夠向燃氣輪機傳輸溫度更高，數(shù)量更多的高壓蒸汽，大幅提升整個發(fā)電站的功效。

圖3 GemaSolar電站環(huán)形鏡場

4 國內(nèi)外主要鏡場設計及制造企業(yè)情況

4.1 SENER 公司

SENER公司廣泛涉足于太陽能熱發(fā)電行業(yè)里面的各種發(fā)電技術形式。公司生產(chǎn)的115.7m2定日鏡已經(jīng)被用在Gemasolar 塔式電站中。公司生產(chǎn)的減速機精度高(重復精度0.002mrad)，齒隙小(<1mrad)，效率高(>40%)，輸出扭矩大(最大扭矩>40000Nm)。SENER公司研制的定日鏡由35 塊反射單元玻璃鏡組成，玻璃鏡厚度為3mm，采用沖壓成型的鋼板作為支撐結構，定日鏡的驅(qū)動電機為交流異步電機。

4.2 e-solar 公司

e-solar公司生產(chǎn)的1.1m2定日鏡為世界上應用在塔式太陽能示范電站中單臺反射面積最小的定日鏡，其定日鏡場的分布方式為平行交錯排列。圖4是e-solar 公司生產(chǎn)的定日鏡。e-solar 定日鏡的基礎為混凝土塊，每個混凝土塊都用鋼架連接成為一個整體，以保證基礎的穩(wěn)定性。定日鏡的反射鏡由一整塊玻璃鏡組成，反射鏡為平面鏡，與后面的鋼結構支架用膠粘接而成。其方位角傳動方式和高度角高度角傳動方式均為齒輪傳動，驅(qū)動電機為步進電機。

4.3 Brightsource Energy 公司

Brightsource Energy公司在以色列建立Negev沙漠建立的4MW 熱功率太陽能塔式熱發(fā)電站采用7.2m2定日鏡，反射鏡由一整塊玻璃鏡組成。方位角傳動方式為蝸桿蝸輪傳動，高度角傳動方式為電動缸傳動。隨后，公司研發(fā)的新一代定日鏡反射面積為14.4m2，由兩塊7.2m2的玻璃鏡組成，傳動方式仍然是方位角傳動為蝸桿蝸輪傳動，方位角傳動為電動缸傳動，但是方位角和高度角傳動機構的連接方式有所改變。

4.4 中國科學院電工所與皇明公司

中國科學院電工研究所與皇明公司成立了聯(lián)合實驗室，在定日鏡的設計和制造方面具有多年經(jīng)驗，生產(chǎn)的定日鏡產(chǎn)品已經(jīng)歷4代，其中第4代產(chǎn)品，單臺反射面積為100m2的大定日鏡成功應用于北京八達嶺1MW太陽能塔式熱發(fā)電站。圖5是安裝中的定日鏡。定日鏡采用但立柱作為傳動系統(tǒng)的支撐基座，高度角傳動機構為電動缸，方位角傳動機構為減速機，其末端傳動為齒輪、齒條結構。采用伺服電機作為動力源，采用PLC 作為就地控制系統(tǒng)的基本控制元件，采用鋼結構作為玻璃反射鏡的支撐結構，采用鋼化玻璃-PVB薄膜-超白玻璃鏡作為定日鏡的反射鏡。

圖4 e-solar公司的定日鏡

圖5 電工所-皇明的反射鏡面

4.5 浙大中控公司

浙大中控公司采用與esolar 公司類似的方案，2011年研制了反射面積為2m2的定日鏡。其特點是控制系統(tǒng)的芯片為公司自己研發(fā)，成本低。用鋼架將混凝土塊列陣連接起來，作為定日鏡和定日鏡場的基礎，鏡場布置方式為平行排布。

5 塔式定日鏡的研發(fā)難點

塔式定日鏡的研發(fā)工作主要是圍繞以下幾個方面展開：

（1）鏡場總體設計；

（2）支架結構設計；

（3）鍍銀反射鏡的耐候性研究；

（4）支架與反射鏡的結合研究；

（5）高精度傳動系統(tǒng)等。

5.1 定日鏡的總體設計

定日鏡場所涉及的反射鏡單元、傳動裝置、支撐結構和控制系統(tǒng)四個部分能否協(xié)調(diào)工作是確保定日鏡在設計要求的氣象條件下高精度、穩(wěn)定可靠地完成將太陽直射輻射定位反射任務的關鍵。

當前，定日鏡總體設計主要涉及到以下五個方面：

（1）定日鏡工作環(huán)境參數(shù)的確定；

（2）定日鏡的總體誤差范圍及定日鏡誤差在各單元間的分配；

（3）定日鏡支架強度剛度的設計；

（4）定日鏡現(xiàn)場安裝與調(diào)試方法及規(guī)范；

（5）定日鏡設備質(zhì)量與性能試驗方法。

5.2 定日鏡支架結構設計與力學分析

定日鏡支架結構組成既要滿足力學性能要求又要滿足簡化生產(chǎn)和方便運輸?shù)囊蟆Ｄ壳耙呀?jīng)建成的太陽能塔式熱發(fā)電站和在建的電站，定日鏡的設計均采用“金屬框架+玻璃反射鏡”結構。這種結構的優(yōu)點是重量輕、抗扭能力強、反射表面沒有框架遮擋。

定日鏡支架結構的設計要求還包括具有較高的整體剛度和抗疲勞性能。這需要在支架結構的設計中既采用合理的鋼架結構設計增加支架整體剛性，同時要采取合理的構造細節(jié)設計，盡可能減少應力集中，另外還需進行結構動力學設計，利用附加阻尼處理及其他振動控制設計技術來降低結構振動水平特別是局部振動水平。

因此，定日鏡支架結構的研究主要涉及以下5個方面：

（1）支架的角度設計；

（2）支架整體結構剛度和穩(wěn)定性；

（3）支架結構模塊單元以及單元之間的連接方式；

（4）支架的溫度交變載荷和風載荷疲勞強度計算；

（5）支架與定日鏡傳動箱的連接方式。

5.3 鍍銀反射鏡的耐候性研究

由于定日鏡對反射率的要求較高，因此通常采用鍍銀玻璃鏡作為定日鏡的反射鏡材料。由于銀的抗氧化性能較差，暴露在空氣中易被腐蝕，因此保護銀層免受腐蝕的方法是提高反射鏡壽命的關鍵。玻璃鏡在室外使用時還要求保護層具有抗紫外輻射、抗冷熱交變、干濕交變、沙塵、鹽霧、酸雨和雨雪冰雹等性能，對此還需開發(fā)適用于室外的防護材料和工藝。

反射鏡的耐候性研究主要涉及兩個方面：

（1）太陽光銀反射鏡復合膜系的確定和制作；

（2）鍍膜層室外使用保護漆的成份和制作工藝。

5.4 支架與玻璃反射鏡的結合方式研究

為防止熱應力引起的玻璃破損，在保證定位精度的條件下，支架與玻璃鏡之間在高溫和低溫下的連接要保持一定的彈性。由于定日鏡支架的加工和組裝存在誤差，反光鏡安裝在支架上的位置及其角度可能不是最理想，這會影響聚光效果，因此需要對反光鏡的水平角度和軸向距離進行三維調(diào)節(jié)。定日鏡的反射玻璃鏡與金屬支架的連接還需要承受由于玻璃重力引起的切應力靜載荷以及由風力引起拉應力動載荷，同時還特別要求粘接材料具有高的耐疲勞強度特性。

當前，支架與反射鏡的結合方式研究涉及到以下三個方面：

（1）可三維調(diào)節(jié)的機械點支撐結構分析與設計；

（2）金屬與玻璃連接材料的選擇；

（3）玻璃反射鏡的更換方法。

5.5 高精度傳動系統(tǒng)

定日鏡的傳動一般分為機械和液壓兩種傳動方式。機械傳動方式是目前定日鏡上普遍采用的方式。液壓由于維護及油的可壓縮性帶來的動態(tài)定位精度不準等問題，目前較少在位于沙漠環(huán)境及需要高精度的定日鏡系統(tǒng)采用。

當前，傳動電機大都采用異步電動機和永磁伺服電機，個別的還采用了直流電機、永磁無刷直流電機、步進電機，甚至直線電機等其他類型的電機。從控制精度和性能的角度考慮，永磁伺服電機是最佳選擇，但從降低成本的角度考慮，宜優(yōu)先選擇異步電動機?？刂婆c傳動方式研究主要涉及以下5個問題：

（1）電機的選擇；

（2）太陽定位的數(shù)學模型和定日鏡定位控制方法；

（3）定日鏡姿態(tài)與風速和風向的關系及控制方法；

（4）定日鏡的安裝誤差糾正；

（5）控制系統(tǒng)的軟硬件制作。

7 塔式定日鏡場的技術創(chuàng)新趨勢

定日鏡場的技術創(chuàng)新趨勢主要在定日鏡場的優(yōu)化設計上，定日鏡場的設計目標在于盡可能的提高鏡場效率，降低鏡場密度。提高效率可以提高太陽能塔式熱發(fā)電站的光-電轉(zhuǎn)換效率，降低鏡場密度可以節(jié)約土地成本。

定日鏡場效率是指經(jīng)定日鏡場反射進入吸熱器采光口的太陽輻射功率與投射到定日鏡場采光面積上總法向直射太陽輻射功率之比，由公式表示：

式中 η—鏡場效率

qreceiver—吸熱器采光口功率

qheliostat_field—定日鏡場采光口功率Is—太陽直射輻照強度

Ah—定日鏡場采光口面積

Ir—吸熱器采光口的能流密度

Ar—吸熱器采光口面積

鏡場密度是指定日鏡場中所有定日鏡的反射面積之和與定日鏡場總面積的比值。

當前業(yè)界主要是基于幾何光學和概率論的鏡場優(yōu)化理論，尋求定日鏡布置方法的突破和優(yōu)化理論的突破。定日鏡場的設計軟件在國外已經(jīng)發(fā)展多年，主要包括HELIOS、ASPOC、HFLCAL、RCELL、DELSOL、MIRVAL、SOLERGY、SOLTRACE等。軟件基本功能可以做到對于扇形交錯分布、扇形非交錯分布、平行交錯分布和平行非交錯分布的幾種定日鏡場布置方案進行計算和優(yōu)化，并可以獲得定日鏡場的效率。