塔式太阳能热发电定日镜的优化设计

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随着新能源被重视和全球性的太阳能投资热潮涌动，太阳能聚光热发电CSP慢慢的浮出水面。槽式线聚焦系统，碟式点聚焦系统，菲涅尔线聚焦系统和塔式固定目标聚焦系统都展示了各自的优点。国际上塔式系统在美国Solar Two 之后又出现了西班牙的PS10和PS20，2008年美国又一个新建项目esolar开始建设。但是现阶段的塔式热发电技术仍然还没有成熟，每一个系统都在不断的改变设计，采用新的设计方案。还没有一个被公认的最佳方案。
　　我们早在2005年就将目标制定在塔式热发电研究上，2007年在北京注册公司，并在2008年8月建造塔式测试系统，到现在运行一年。取得了大量的研究成果，十几种反射镜方案的测试，传感器跟踪的历史性突破，定日镜结构优化的多种方案设计。经重复论证和长期测试，进一步的优化设计。放弃了追求大型化高塔设计，简化定日镜结构设计。使定日镜成本降低的同时简化了施工建设流程。对后期系统运行和运行维护的成本降低有更完善的思考。
　　在与国际同行的交流过程中，采用GPS定位跟踪和PLC控制数据库管理优化跟踪是主流。都认为传感器跟踪是不可行的。各家公司也在传感器跟踪上都作了大量实验，都以失败告终。但是不可否认的事实是采用传感器跟踪的成本最低。我们坚持不懈的研究解决传感器跟踪的技术关键，一次又一次的突破技术瓶颈。长达五年的研发和无数次的测试。最终解决了传感器跟踪的技术难题。跟踪精度高于GPS跟踪，更重要的是跟踪稳定性和可靠性有了保证。
　　设计思想
　　一. 聚光式太阳能热发电首先要解决反射效率低的问题。提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）。

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）

　　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。那我们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。
　　我们采用的是“相差放大”型的传感器结构，此传感器已经获得国家发明专利授权。已经申请多个国家的专利。在国际PCT检索报告中检索结果非常理想，属于原创性发明。在此传感器基础上我们采用嵌入式微处理器对传感器数据进行分析。并构建了双环路思想，即开环和闭环自动切换功能。即好于开环的GPS及PLC的固定跟踪，又好于传统传感器闭环控制。采用GPS和PLC都是开环控制的跟踪技术，其缺点是精度不足。传统传感器的精度高，但是可靠性不好，容易受环境干扰。我们的闭环控制跟踪精度已经达到0.005度。
　　二. 利用优化设计降低成本。
　　降低成本包括，制造成本和施工成本两部分。定日镜的大型化在电厂建设施工时安装成本高，要求施工设备大型化和重型化。我们考虑的是分解定日镜，适合安装人员操作，比如反射镜小型化，考虑施工人员所能负担的重量。工厂批量化制造流程也会降低成本。小尺寸反射镜平整度更好，能降低聚光的光斑变形率。
　　机械传动机构的简化降低了驱动机构的成本，过去的定日镜设计追求大型化是为了分担机械部分的成本，但是系统成本却被抬高。我们简化传动机构设计，使单位定日镜面积的制造成本降到更低。多片镜小型化的设计使抗风稳定性更好。
我们设计了一种测试系统，这里是测试系统的参数。
1.反射镜：3.2mm厚的超白玻利，尺寸是0.6m X 0.6m 。
2.定日镜：反射镜数量是80片，总面积是 （0.6m X 0.6m） X  62片 = 28.8 m2 。
3.镜片排列：横向9列，竖向9行 。80片镜片。有一片的位置留给光伏电池。
4.水平旋转角度：120度（90度就可以满足系统需要）
5.俯仰角度：75度。向上达到水平，向下75度。
6.驱动功耗：4安培小时/日。12V自备直流光伏电池，配6AH蓄电池。
7.驱动机构：两套步进电机结合涡轮蜗杆减速机。步进电机采用42型，驱动电流1A。
8.有效跟踪时间：不低于6.5小时/日
系统测试时间2008年8月至2009年10月
　　三.  降低定日镜驱动的能耗。
　　定日镜独立，每一台定日镜都是一个的独立的跟踪机器人，定日镜本身配备20W光伏供电系统。取消了镜场的中央控制系统，这直接减少了系统的成本。定日镜和定日镜之间没有连线，地下埋管和电缆布线被彻底放弃。
　　四. 反射镜对塔式系统成本的影响
　　跟踪精度的提高又减小了塔上接收器的接收面积，塔的负重减轻进一步降低塔的建造成本，焦点能量密度高，散热面积减小，散热损失也减小。
　　我们2008年8月建立20米高的测试塔。测试塔参数如下表：

定日镜距离 焦点光斑直径 定日镜型号 光斑偏移量 安装时间 25米 0.8米 I型（8m2）、II型（12m2） 无 2007年底 70米 1.0米 III型（28.8平方米） 10mm 2008年7月 100米 1.25米 II型（12m2） 24mm 2008年2月

(注：测试条件（光斑偏移量）---- 中午连续运行两小时，无风条件下。)
　　接收器采用屏式接收器350号导热油传输，0.1t/h导热油交换蒸汽发生器。测试最高蒸汽输出温度195℃, 塔上接收屏最高温度220℃。蒸汽输出表压力1MPa。
　　以上数据可以看出。高精度高可靠性的跟踪驱动，可以使定日镜的聚光效率大幅度提升。定日镜分散镜片，可以提高抗风性能。但是又给单镜片调整增加工作量。我们实测结果是，一个熟练工人，每天可以调校两台28.8平方米的定日镜（80个镜片）。也就是100台定日镜10个工人要调五天。
　　塔式系统综合效率分析：
　　按照我公司新开发并取得试验成功的屏式接收器为分析依据。日照条件按照1000w/m2 聚光面积70平方米，聚光倍数250。
1. 接收器的吸收率 92%
2. 热损失 12%  （包括接收屏的热对流损失和保温损失）
3. 屏式接收器表面反光损失 8%
屏式接收器实际接收效率为：74.48%
定日镜成本分析
新的定日镜设计方案：
　　每台定日镜反射镜采用62片，加上一片光伏电池。排列结构是：横向9列，竖向7行。最大垂直高度5米。回转体立柱高度2.8米。降低高度有利于安装施工，也有利于未来镜场的清洗维护。
　　1. 反光镜片：采用0.6m X 0.6m 的尺寸分切镜片，浪费最小。一般原厂玻璃尺寸是1830mm X 2440mm 。每张分切出12片。超白玻璃镀银镜，加背玻璃保护（可抗风沙，30年不脱膜）。每平方米造价仅166元。合计60元（一块0.6m X 0.6m）。每台定日镜需要62片镜片。镜片总造价3720元。
　　2. 绗架梁：每台定日镜所需绗架总重量：150Kg。全部采用热度锌工艺。加工成本800元。
　　3. 立柱回转支撑结构：6500元。
　　4. 跟踪及驱动：6000元。
　　包括： a.步进电机2台，42型   
　　b.步进电机驱动器2个     
　　c.涡轮蜗杆减速机2台     
　　d.精密传动机械2套      
　　e.跟踪控制器2套
　　5. 光伏电池及充电控制，400元。
　　合计：  每台定日镜17420.00元。 每台定日镜22.32平方米。
　　生产造价：780元/m 2  （以上计算均以我公司设计，并委托工厂加工所统计的结果。实际生产造价会有材料价格因素的变化。）
　　如果年产量百兆瓦规模以上，专业化的工厂生产，成本可以降到600元/平方米。带动整个产业链，可解决10万人的就业。发电成本低到可以在没有政府补贴的条件下实现盈利。
　　另外，我公司在聚光接收塔上的实验也取得了惊人的成功。一个完全自主知识产权的热发电技术体系已经形成。