周振捷 上海電氣集團(tuán)股份有限公司 (200233）

廖文俊 上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院 (200070）

周振捷 (1982年～), 男, 工學(xué)碩士, 畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。主要從事燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)電、太陽(yáng)能、分布式能源和自動(dòng)化領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)研究工作。

0 引 言

隨著《國(guó)家能源科技“十二五”規(guī)劃》等文件的陸續(xù)出臺(tái)，有關(guān)太陽(yáng)能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)研究和商業(yè)化工作正全面展開(kāi)?？傮w而言，在已有的槽式、塔式、碟式和線(xiàn)性菲涅爾式為代表的太陽(yáng)能光熱技術(shù)路線(xiàn)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(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)而成為光熱產(chǎn)業(yè)未來(lái)大規(guī)模應(yīng)用的主要方向。以此同時(shí)，塔式光熱電站也因其定日鏡場(chǎng)的設(shè)置布局和跟蹤控制較為復(fù)雜，目前尚有待相關(guān)技術(shù)的突破。

1 塔式定日鏡場(chǎng)概述

塔式定日鏡場(chǎng)是由多臺(tái)定日鏡組成用于聚集太陽(yáng)輻射的聚光系統(tǒng)。每臺(tái)定日鏡通過(guò)各自獨(dú)立的跟蹤控制裝置連續(xù)跟蹤太陽(yáng)，把太陽(yáng)光聚集到位于塔頂?shù)奈鼰崞魃?。目前塔式定日鏡場(chǎng)的布置方式一般分為環(huán)形交錯(cuò)布置、環(huán)形非交錯(cuò)布置，扇形交錯(cuò)布置，扇形非交錯(cuò)布置，平行交錯(cuò)布置和平行非交錯(cuò)布置等方式。圖1是幾種典型的鏡場(chǎng)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(guó)家能源技術(shù)研究中心CSIRO采用平行布置方式，中國(guó)科學(xué)院電工研究所八達(dá)嶺太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)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(chǎng)布置方式

定日鏡場(chǎng)成本一般占整個(gè)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(shè)定的目標(biāo)成本600～700元/m2。

2 塔式定日鏡場(chǎng)的主要構(gòu)成

定日鏡場(chǎng)主要由反射鏡單元、傳動(dòng)裝置、支撐結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)等組成。其中，反射鏡單元和傳動(dòng)裝置在鏡場(chǎng)成本中所占比例較大，約占整個(gè)定日鏡成本的50%～60%（反射鏡單元占鏡場(chǎng)成本的25%～30%、傳動(dòng)裝置占30%～35%）、控制系統(tǒng)約占5%～10%、支撐結(jié)構(gòu)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(chēng)為子鏡）和背面的駁接爪組成，通過(guò)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(hù)漆制成。每面反射鏡通過(guò)硅膠粘到一個(gè)由縱橫交錯(cuò)的鋼結(jié)構(gòu)橫梁組成的底盤(pán)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)給出，通過(guò)調(diào)節(jié)子鏡背后的螺栓實(shí)現(xiàn)。

為了分?jǐn)倐鲃?dòng)裝置的成本，一些技術(shù)供應(yīng)商將定日鏡的反射面積盡量設(shè)計(jì)地很大（一般超過(guò)100m2）不過(guò)也有一些技術(shù)供應(yīng)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(jiǎn)化傳動(dòng)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低傳動(dòng)裝置的成本。各主要技術(shù)供應(yīng)商的定日鏡反射面積見(jiàn)表1。

表1 定日鏡反射面積

2.2 傳動(dòng)裝置

在塔式電站中，鏡場(chǎng)中每臺(tái)定日鏡距離太陽(yáng)塔上的吸熱器都很遠(yuǎn)，為使收集的太陽(yáng)光都反射到只有很小開(kāi)口面積的吸熱器內(nèi)，定日鏡需要通過(guò)二維跟蹤裝置對(duì)太陽(yáng)的高度角和方位角進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。在根據(jù)天文公式計(jì)算出太陽(yáng)的當(dāng)前位置后，結(jié)合定日鏡旋轉(zhuǎn)中心與吸熱器中心的相對(duì)位置，計(jì)算出每臺(tái)定日鏡的目標(biāo)位置，從而控制定日鏡將太陽(yáng)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(dòng)裝置具有較好的跟蹤精確性、能滿(mǎn)足荒漠等惡劣環(huán)境要求。由于傳動(dòng)裝置在整個(gè)定日鏡成本中所占的比例最大，因此考慮到經(jīng)濟(jì)性，傳動(dòng)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(jié)構(gòu)

定日鏡的支撐結(jié)構(gòu)主要由立柱、支架和螺栓連接件組成。其中，支架的設(shè)計(jì)要求一般為能夠適應(yīng)不同規(guī)格尺寸的定日鏡、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用鋼量少。目前定日鏡的支撐結(jié)構(gòu)（立柱、支架）的用鋼量約60～70kg/m2，產(chǎn)業(yè)研發(fā)的目標(biāo)是將用鋼量降到40～45kg/m2。

3 塔式定日鏡場(chǎng)的應(yīng)用狀況

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

3.1 Solar One光熱電站

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

3.2 CESA-I試驗(yàn)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(yáng)能塔式示范工程。其定日鏡場(chǎng)由300面單臺(tái)39.6m2定日鏡組成。鏡場(chǎng)方向?yàn)槟舷?，扇形交錯(cuò)分布，共計(jì)16排，雖然CESA-I不是一個(gè)發(fā)電電站，但迄今為止仍在運(yùn)行中并承擔(dān)各種試驗(yàn)任務(wù)。

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(yùn)行功率為11MW，是世界上第一座商業(yè)運(yùn)行的太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電站，其鏡場(chǎng)由624面單臺(tái)120m2的定日鏡組成，后者在技術(shù)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(tái)。圖2是S10、PS20 定日鏡場(chǎng)。

圖2 PS10、PS20 定日鏡場(chǎng)

3.4 Gemasolar光熱電站

Gemasolar電站是Sener公司推動(dòng)的第一座商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的熔融鹽太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電站，建立在西班牙的Fuentes de Andalucía。Gemasolar 的定日鏡場(chǎng)也是世界上第一座環(huán)形布置的商業(yè)化運(yùn)行的定日鏡場(chǎng)。Gemasolar發(fā)電站擁有2650面定日鏡，單臺(tái)定日鏡反射面積115.7m2，鏡場(chǎng)總面積3萬(wàn)余m2。系統(tǒng)塔頂中央接收器的溫度可達(dá)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(dá)500多攝氏度，相比槽式聚光技術(shù)，能夠向燃?xì)廨啓C(jī)傳輸溫度更高，數(shù)量更多的高壓蒸汽，大幅提升整個(gè)發(fā)電站的功效。

圖3 GemaSolar電站環(huán)形鏡場(chǎng)

4 國(guó)內(nèi)外主要鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)及制造企業(yè)情況

4.1 SENER 公司

SENER公司廣泛涉足于太陽(yáng)能熱發(fā)電行業(yè)里面的各種發(fā)電技術(shù)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(jī)精度高(重復(fù)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(jié)構(gòu)，定日鏡的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為交流異步電機(jī)。

4.2 e-solar 公司

e-solar公司生產(chǎn)的1.1m2定日鏡為世界上應(yīng)用在塔式太陽(yáng)能示范電站中單臺(tái)反射面積最小的定日鏡，其定日鏡場(chǎng)的分布方式為平行交錯(cuò)排列。圖4是e-solar 公司生產(chǎn)的定日鏡。e-solar 定日鏡的基礎(chǔ)為混凝土塊，每個(gè)混凝土塊都用鋼架連接成為一個(gè)整體，以保證基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)支架用膠粘接而成。其方位角傳動(dòng)方式和高度角高度角傳動(dòng)方式均為齒輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。

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(yáng)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(dòng)方式為蝸桿蝸輪傳動(dòng)，高度角傳動(dòng)方式為電動(dòng)缸傳動(dòng)。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(dòng)方式仍然是方位角傳動(dòng)為蝸桿蝸輪傳動(dòng)，方位角傳動(dòng)為電動(dòng)缸傳動(dòng)，但是方位角和高度角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的連接方式有所改變。

4.4 中國(guó)科學(xué)院電工所與皇明公司

中國(guó)科學(xué)院電工研究所與皇明公司成立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，在定日鏡的設(shè)計(jì)和制造方面具有多年經(jīng)驗(yàn)，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(tái)反射面積為100m2的大定日鏡成功應(yīng)用于北京八達(dá)嶺1MW太陽(yáng)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(dòng)系統(tǒng)的支撐基座，高度角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為電動(dòng)缸，方位角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為減速機(jī)，其末端傳動(dòng)為齒輪、齒條結(jié)構(gòu)。采用伺服電機(jī)作為動(dòng)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(jié)構(gòu)作為玻璃反射鏡的支撐結(jié)構(gòu)，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(lèi)似的方案，2011年研制了反射面積為2m2的定日鏡。其特點(diǎn)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(lái)，作為定日鏡和定日鏡場(chǎng)的基礎(chǔ)，鏡場(chǎng)布置方式為平行排布。

5 塔式定日鏡的研發(fā)難點(diǎn)

塔式定日鏡的研發(fā)工作主要是圍繞以下幾個(gè)方面展開(kāi)：

（1）鏡場(chǎng)總體設(shè)計(jì)；

（2）支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

（3）鍍銀反射鏡的耐候性研究；

（4）支架與反射鏡的結(jié)合研究；

（5）高精度傳動(dòng)系統(tǒng)等。

5.1 定日鏡的總體設(shè)計(jì)

定日鏡場(chǎng)所涉及的反射鏡單元、傳動(dòng)裝置、支撐結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)四個(gè)部分能否協(xié)調(diào)工作是確保定日鏡在設(shè)計(jì)要求的氣象條件下高精度、穩(wěn)定可靠地完成將太陽(yáng)直射輻射定位反射任務(wù)的關(guān)鍵。

當(dāng)前，定日鏡總體設(shè)計(jì)主要涉及到以下五個(gè)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(qiáng)度剛度的設(shè)計(jì)；

（4）定日鏡現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試方法及規(guī)范；

（5）定日鏡設(shè)備質(zhì)量與性能試驗(yàn)方法。

5.2 定日鏡支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

定日鏡支架結(jié)構(gòu)組成既要滿(mǎn)足力學(xué)性能要求又要滿(mǎn)足簡(jiǎn)化生產(chǎn)和方便運(yùn)輸?shù)囊蟆Ｄ壳耙呀?jīng)建成的太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電站和在建的電站，定日鏡的設(shè)計(jì)均采用“金屬框架+玻璃反射鏡”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是重量輕、抗扭能力強(qiáng)、反射表面沒(méi)有框架遮擋。

定日鏡支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中既采用合理的鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加支架整體剛性，同時(shí)要采取合理的構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，盡可能減少應(yīng)力集中，另外還需進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，利用附加阻尼處理及其他振動(dòng)控制設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)水平特別是局部振動(dòng)水平。

因此，定日鏡支架結(jié)構(gòu)的研究主要涉及以下5個(gè)方面：

（1）支架的角度設(shè)計(jì)；

（2）支架整體結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性；

（3）支架結(jié)構(gòu)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(fēng)載荷疲勞強(qiáng)度計(jì)算；

（5）支架與定日鏡傳動(dòng)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(duì)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(hù)銀層免受腐蝕的方法是提高反射鏡壽命的關(guān)鍵。玻璃鏡在室外使用時(shí)還要求保護(hù)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(duì)此還需開(kāi)發(fā)適用于室外的防護(hù)材料和工藝。

反射鏡的耐候性研究主要涉及兩個(gè)方面：

（1）太陽(yáng)光銀反射鏡復(fù)合膜系的確定和制作；

（2）鍍膜層室外使用保護(hù)漆的成份和制作工藝。

5.4 支架與玻璃反射鏡的結(jié)合方式研究

為防止熱應(yīng)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(huì)影響聚光效果，因此需要對(duì)反光鏡的水平角度和軸向距離進(jìn)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(yīng)力靜載荷以及由風(fēng)力引起拉應(yīng)力動(dòng)載荷，同時(shí)還特別要求粘接材料具有高的耐疲勞強(qiáng)度特性。

當(dāng)前，支架與反射鏡的結(jié)合方式研究涉及到以下三個(gè)方面：

（1）可三維調(diào)節(jié)的機(jī)械點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)；

（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(dòng)系統(tǒng)

定日鏡的傳動(dòng)一般分為機(jī)械和液壓兩種傳動(dòng)方式。機(jī)械傳動(dòng)方式是目前定日鏡上普遍采用的方式。液壓由于維護(hù)及油的可壓縮性帶來(lái)的動(dòng)態(tài)定位精度不準(zhǔn)等問(wèn)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(dāng)前，傳動(dòng)電機(jī)大都采用異步電動(dòng)機(jī)和永磁伺服電機(jī)，個(gè)別的還采用了直流電機(jī)、永磁無(wú)刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，甚至直線(xiàn)電機(jī)等其他類(lèi)型的電機(jī)。從控制精度和性能的角度考慮，永磁伺服電機(jī)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(dòng)機(jī)?？刂婆c傳動(dòng)方式研究主要涉及以下5個(gè)問(wèn)題：

（1）電機(jī)的選擇；

（2）太陽(yáng)定位的數(shù)學(xué)模型和定日鏡定位控制方法；

（3）定日鏡姿態(tài)與風(fēng)速和風(fēng)向的關(guān)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(chǎng)的技術(shù)創(chuàng)新趨勢(shì)

定日鏡場(chǎng)的技術(shù)創(chuàng)新趨勢(shì)主要在定日鏡場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上，定日鏡場(chǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)在于盡可能的提高鏡場(chǎng)效率，降低鏡場(chǎng)密度。提高效率可以提高太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電站的光-電轉(zhuǎn)換效率，降低鏡場(chǎng)密度可以節(jié)約土地成本。

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

式中 η—鏡場(chǎng)效率

qreceiver—吸熱器采光口功率

qheliostat_field—定日鏡場(chǎng)采光口功率Is—太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度

Ah—定日鏡場(chǎng)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(chǎng)密度是指定日鏡場(chǎng)中所有定日鏡的反射面積之和與定日鏡場(chǎng)總面積的比值。

當(dāng)前業(yè)界主要是基于幾何光學(xué)和概率論的鏡場(chǎng)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(chǎng)的設(shè)計(jì)軟件在國(guó)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(duì)于扇形交錯(cuò)分布、扇形非交錯(cuò)分布、平行交錯(cuò)分布和平行非交錯(cuò)分布的幾種定日鏡場(chǎng)布置方案進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化，并可以獲得定日鏡場(chǎng)的效率。