太阳能热发电系统工作原理.docx
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太阳能热发电系统工作原理
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4～5mm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2.5mm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：
df2
其中：
d为太阳像斑
f为焦距
为太阳张角
而
太阳半径
-3
rad
arcsin
=4.6510
日地平面距离
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SolarOne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SolarTwo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。
二〇一二年三月二十九日
王鹏刘纪荣
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