热发电定日镜

1、塔式太阳能热发电的定日镜当今能源紧缺问题和环境污染日趋严重我国能源生产近年来快速增长，2005年一次能源生产总量达18.64亿吨标 准煤，增长15.2%。其中，发电量达2 1 8 7 0亿千瓦时，增长14.5%； 煤炭生产超速增长，产量达19. 5 6亿吨，涨幅17. 3%；原油产量增长2. 9%。 但电力供应仍有较大缺口，煤炭供不应求，天然气供应仍将出现季节性短缺。对于 我国能源的短缺有两种办法。一是寻找资源加大对外进口。二是开发新能源，尤其 是可再生能源。而解决问题的根本方法是第二个。大气污染程度在加剧，北京成了世界上尘污染最严重的城市之一。水环境污染 也日益突出。环境污染从城市向农村扩展

2、。某些物种灭绝、植被破坏、土地退化， 以及全球性的环境问题不容忽视，各地为了提高空气质量，大批的燃煤锅炉将被淘 汰，而要改成燃油或燃气锅炉，这不仅极大地增加企业的运营资本，而且更加剧了 我国目前石油资源的短缺，使我国更加依赖于世界石油市场，这对我国经济的长期 稳定运行十分不利。据我国专家偏保守的估计，每年由于环境污染和生态破坏所造 成的经济损失占我国国民生产总值 （GNP）的9%左右中科院院士何祚麻在北京科协举行人类发展研讨会上说：“大力开发太阳能资 源，是解决人类能源危机的重要举措。沙漠地区将能集中地提供丰富的太阳能。我国现有沙漠约52万平方公里，有沙 漠化土地17.6万平方公里，潜在沙漠化

3、土地 15.8万平方公里，三者共计为 85.4 万平方公里。大部分集中在内蒙古地区和新疆地区。如果太阳能转化为电的效率是 15%，每平方米的面积将能提供约 0.036千瓦的电 能，其日平均将能提供约0.41千瓦小时的电能。如果沙漠地区每年有360天的日照 时间，那么每平方米面积的沙漠，将能年提供约360 X 0.41=150千瓦小时的电能。85.4万平方公里的沙漠将能年提供 85.4 X 150 X 1010=1.28 X 1014度电。以火力发 电的年运转时为6400小时来计算，上述太阳能供电将等价于 2 X 1010千瓦的电力装 机。因此，仅由沙漠地区的12.5%的面积，亦即约为10万平方

4、公里的面积，就能提 供所需要的电力。作为可再生能源的太阳能有以下优点：它没有一般煤炭，石油等矿物燃料产生 的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作“干净能源”；到处都可以得到太阳能， 使用方便，安全；成本低廉，可以再生.而利用太阳能的各种方式中塔式太阳能热发电又有其明显的优势：聚光倍数高，容易达到较高的工作温度，阵列中的定日镜数目越多，其聚光比越大，接收器的集 热温度也就越高；能量集中过程是靠反射光线一次完成的，方法简捷有效；接收器 散热面积相对较小，因而可得到较高的光热转换效率。塔式太阳能热发电的参数可与高温、高压火电站一致，这样不仅使太阳能电站 有较高的热效率，而且也容易获得配套设备。虽然

5、这种电站的建设费用十分昂贵， 但随着制镜技术的提高和规模的增大，定日镜成本将大幅度降低Sunlab基 于8.7GW规模预计到2 0 2 0年塔式太阳能热发电的成本最终可达到约3 0 4 0$ MWh，即每度电34美分；Sargent&L undy基于2.6 GW规模预计到2 0 2 0年塔式太阳能热发电的成本最终可达到5 06 0$ M Wh，即每度电56美分。与常规化石能源发电相比，如果算上环境污染的成本， 那么塔式太阳能热发电的前景将更加广阔。美国能源部主持的研究结果表明；在大 规模发电方面，塔式太阳能热发电将是所有太阳能发电技术中成本最低的一种方式。定日镜是塔式太阳能热发电站的关键部件之

6、一，也是电站的主要投资部分，它 占据电站的主要场地，据Power Engineering1996年第6期报道介绍，美国的 SolarOne电站初次投资为1.42亿美元，成本比例为：定日镜52%、 发电机组、电气设备18%、蓄热装置10%、接收器5%、塔3%、管道及换热 器8%、其它设备4%。美国 Solar Two在定日镜上的投资相当于化石燃料发电 30 年所需购买的燃料的价值，其建造费用占整个电站造价的一半以上。创新出具有自 主知识产权的定日镜技术，大幅降低其造价，对于推动塔式发电技术走向成熟、走 向商业化具有举足轻重的地位。定日镜是一种由镜面（反射镜）、镜架（支撑结构）、跟踪传动机构及其控

7、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进入位于接收塔顶部的集热 器内，是太阳能热发电的主要装置之一。为确保塔式太阳能热发电电站的正常、稳 定、安全和高效运行，定日镜的整体性能应达到如下基本要求：定日镜反射率高、 平整度误差小；整体结构机械强度高、能够抵御八级台风袭击；运行稳定、聚光定 位精度高；操纵灵活、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 以下就各组成部件对定日镜加以研究一、反射镜镜表面形状由于定日镜距位于接收塔顶部的太阳能接受器较远要求i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ii克服由于太阳运动而产

8、生的象差 竟面材料要求：质量轻，耐风沙，机械强度高。主要有以下两种，张力金属膜反射镜：优点由于镜面是用0.2 0.5mm厚的不锈钢等金属材料制作而成，可以仅仅通过调节定日镜的内部压力调整定日镜的焦点。缺点为反射率低，结 构复杂玻璃反射镜：优点是量轻，抗变形能力强，反射率高，易清洁通常用湿化学法或磁控溅射法制备玻璃反射镜（四层结构的第二表面镜）底层是玻 璃作为沉积镜子的基体；再镀银层作为反射层；铜层用来保护金属银同时作为过渡 层，降低银和保护漆之间的内应力；最后漆层形成保护膜。要求：很好的平整度； 整体镜面曲线具有很高的精度加工误差不超过0.1。二、镜架及基座由于大型的太阳能发电站大一般建在沙漠

9、里，因此就须有较好的性能以适应特 殊的气候，如机械强度较高以抵御风沙天气；且遇紧急情况便于转移等 独臂支架式具有体积小、结构简单、较易密封等优点，但其稳定性差、为了达到机 械强度，防止被大风吹倒，必须耗大量钢材和水泥材料为其建镜架和镜座其建造费 用相当惊人 圆形底座式稳定性较好，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且其底座轨道的密封防沙问题也有待进一步解决三、 跟踪传动机构方位一角仰角跟踪方式是指定日镜运行时采用转动基座（圆形底 座式）或基座上部转动机构（独臂支架式）来调整定日镜方位变化，同时调整镜面仰 角的方式。自旋一仰角的方式 是指采镜面自旋，同时调整镜面仰角的方来实现定

10、日的运行跟 踪，这是新的聚光跟踪理论推倒出的一种新的跟踪方法，也叫“陈氏跟踪法”。陈 氏跟踪法比传统的聚光跟踪方法能更有效的接收太阳能。传动方式：齿轮传动、液压传动或两者结合的方式由于：平面镜的微小变化都将造成反射光在较大范围的明显偏差要求： 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，密封符合要求四、控制系统程序控制：就是用计算的太阳的运动的规律来控制跟踪机构的运动；传感器控制：是由传感器实时测出入射太阳辐射的方向，以次控制跟踪机构的运动， 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；程序、传感器混合控制：实际上就是以程序控制为主，采用传

11、感器实时监测作反馈的“闭环”控制方 式，这种控制方式对程序进行了积累误差的修正，使之在任何条件下都能得到稳定 而可靠的跟踪控制。控制系统均采用微机作上位机，系统由终端机和上位机两极组成，终端控制器 将采集到的各传感器数据通过串行总线发到上位机，或执行上位机发来的动作指令，通过电机驱动聚光器跟踪太阳。多年来太阳能热发电一直困难重重，最大的障碍是太阳的运动，技术要求较高，因而成 本较高，大规模生产难度大塔式太阳能热发电技术的产业化障碍。1、太阳在塔上聚焦的光斑在一天之内呈现大幅度变化，导致聚光光强大幅度波动。普通球 面或平面反射镜无法克服由于太阳运动而产生的像差，由于太阳的盘面效应，各个反射镜在

12、中央塔上形成的光斑大小随着它与中心塔的距离增加而线性增长，塔上最后形成的太阳聚焦 光斑在一天之内可以随定日镜场的大小从几米变化到几十米之大，因此聚光光强出现大幅度 波动，再加上各个定日镜的不同余弦效应，塔式系统的光热转换效率仅为60%左右。尽管 目前在一些比较讲究的塔式系统的设计中，对不同的定日镜开始采用不同曲率半径的球面， 以减小太阳在塔上光斑的尺寸，但光学设计复杂性大大增加导致制造成本也跟着大幅增长。2、众多的定日镜围绕中心塔而建立，占地面积巨大。中央塔的建立必须要保证各个 定日镜之间互相不能阻挡光线，各个定日镜之间的距离随着它们与中心塔距离的增 加而大幅度增长，因而塔式热发电系统的占地面

13、积随着功率等级的增加而呈指数增 长。3、各个定日镜需要单独进行两维控制，控制系统极其复杂。在塔式系统中，各个定日镜相 对于中心塔有着不同的朝向和距离，因此，每个定日镜的跟踪都要进行单独的两维控制，且 各个定日镜的控制各不相同，这就极大地增加了控制系统的复杂性和安装调试特别是光学调 整的难度。4、为了减少众多定日镜的余弦效应，中心塔必须建得足够高才行。美国已经建成的Solar Two (10MW)塔式热发电的中心塔高达100多米。这样高的塔不仅不可避免地增加塔式系 统的热发电成本，而且无法适应我国北部多风地区的工作环境。由于上述这些问题，塔式热发电系统尽管可以实现 1000度的聚焦高温，但一直

14、面临着单位装机容量投资过大的问题 (目前塔式系统的初投资成本为 3.44.8万元 /kW)，而且造价降低非常困难，这也是这项技术一直难以实现产业化的原因。下面举一个实例具体说明：南京江宁塔式太阳能热发电站定日镜南京江宁塔式太阳能热发电站定日镜是张耀明院士及其团队自行开发的。创造性解 决塔式太阳能系统中的关键部件定日镜技术方案不尽合理的难题，有望大幅降低定 日镜价格，实现投资大幅降低，从而加快塔式发电商业的步伐。其采用圆形底座式的“玻璃一金属框架”结构，长4.85m 宽4.85m，定日镜反射面积约为20平方米，镜面中心点高2.0米，镜面采用反射率大于等于 90%的背面 银镜，银镜背面有玻璃背板起

15、保护作用，每面定日镜由9块小凹曲面镜构成，整面定日镜成一定曲度，符合反射光的聚光要求。定日镜采用闭环式控制方式，每面定 日镜装有两个传感器，一个是调节光斑精度的光敏传感器，另一个是调大范围位移 的位移传感器。定日镜跟踪定位精度约为2mrad.人类利用太阳的能量来发电，已经取得了一些成果。1980年末，由法国，德国和意大利等 欧洲9个国家联合建造的世界首座并网运行的塔式太阳能热电站，在意大利西西里岛建成。 这座电站建筑物高50米，占地2万平方米，由70个面积为50平方米和112个面积为23平 方米的聚光镜组成。每个聚光镜部由两台电动机带动，可绕垂直轴旋转,并通过计算机控制， 使镜面有能够跟踪太阳

16、转动，抛物状的镜面去把照射来的阳光聚集成光束射到塔顶使那里 设置的锅炉产生高达500度的水蒸气，再用这种高温蒸气驱动汽轮发电机组发电?这座电站 的额定功率为1000千瓦。由于具有良好的储能设施，所以，无论是白天，黑夜，阴天下雨都 能保证连续发电，从而使这里银光闪烁，被人们称作是西西里岛的聚宝盆。美国在1982年 也在加利福尼亚州兴建了一座大型塔式太阳能热电站，这座电站占地7万多平方米.塔高80 米，采用了 1818个聚光镜,发电能力达到1万千瓦，紧随其后，中国，俄罗斯，美国又相继建 造出10万千瓦，30万千瓦和100万千瓦的太阳以能热电站。进入20世纪90年代这后，日本在进行上万千瓦级太阳能热

17、电站实验的基础上，率先提出 解决整个世界能源危机的庞大计划，并把地球赤道附近以瑙鲁为中心的太平洋海域作为选址, 建立巨型浮体太阳能热电站群，通过海底电缆和卫星进行方式，问加入网络的国家输电，目 前，这一计划已进入实验阶段。现在，人们又计划将太阳能热电站搬到宇宙空间，预计在不久 的将来，太空电站便会兢兢业业地为人类服务。由于太阳能辐射到地球表面的能量密度比较低，因此，太阳能热发电，能否经济高效利 用太阳能的关键在于太阳聚光和跟踪水平的优劣。上世纪80年代自适应光学在近代精密光 学中取得很大成功，但由于控制系统极其复杂且价格高昂，在太阳能上应用一直是个难题。 当时在英国剑桥大学和美国加州理工学院任

18、高级研究员的陈应天博士提出了一种利用行与 列的运动来代替点的二维运动的新的数学控制模式，这样由子镜组成的光学矩阵镜面的控制 可以由几何级数大大减少为代数级数。陈应天用8年时间完成了这个新的行列控制理论的 完整数学模型，并发展出了将其一般理论应用于太阳能的理论与公式。为了将其优点在太阳 能聚光应用上充分发挥出来，他打破了传统的采用方位角-仰角的太阳跟踪方法，在世界上 第一个提出了采用自旋-仰角的跟踪公式。这个新的太阳聚光跟踪理论，被国际著名太阳能 专家一一以色列特拉维夫大学的Kribus教授评论为“在一个多年几乎没有进展的定日镜领域 中的第一个突破”。世界最权威的太阳能刊物Solar Energ

19、y Engineering围绕这一新的聚 光跟踪理论从2001年起连续发表了他的八篇论文，在国际学界引起巨大反响。经国际太阳 能权威机构进行严格地分析比较后证明，根据新的聚光跟踪理论推导出的新的聚光曲面和跟 踪方法（国际上现称为“陈的曲面”和“陈的跟踪方法”），比传统的聚光跟踪方法更能有效的 接受太阳能。建立在理论突破基础上的新型定日镜技术具有以下三大优点：1新的高次曲面比传统几何镜面（球面或抛物面等）的聚光倍数提高几倍甚至十几倍。即 使在入射角变化的情况下，也能够有效地消除太阳光斑的象差，从而使聚光的倍数大大增加， 并第一次实现了聚光与跟踪同时进行的设计模式。2用更简单、更可靠的方法实现目前

20、国外难以做到的固定目标下的跟踪。跟踪太阳运动的 部分只限于聚光镜，而聚光目标不必同聚光镜一同运动，因而整个系统的机械大大简化、重 量大大减少，这是新型太阳能发电系统的成本能够大幅度下降的一个重要原因。3各种变型的设计可用于不同的工作环境和工作要求，操作系统大大简化。新的聚光跟踪理 论可应用于地球上任何一点、任何位置、任何朝向的定日镜，因此可以使用单个集成线路代 替复杂的计算机控制系统。基础理论的突破往往带来重大的技术革新。新的聚光跟踪理论为太阳能的高效经济利用开辟 了一条全新的途径。随着定日镜关键技术方案的逐步解决，太阳能热发电技术将可能走出具有战略 意义的一步。然而，该技术毕竟是一项涉及多项

21、新材料、新工艺、技术高度集成化、 投资巨大的项目，靠某个企业或某地方政府的科技投入来研究不太可能，因此建议 如下：1、适当引进国外的部分先进、成熟技术，特别是美国、德国、以色列、西 班牙等国家科技成果或商业化商品，在此基础上消化吸收。2、通过人才和技术交流， 实施“走出去，请进来”的策略，派出我国相关领域的科技人员到国外，如西班牙 的the Plataforma Solar de Almeria(PSA) 研究中心培训、学习，并利用其先进设 施进行基础理论研究和工程实践活动，掌握其中的部分技术，同时邀请国外如西班 牙、以色列的著名专家到我国指导。3、实施国家攻关计划，在国家有关部门组织下， 相关大学和科研院所联合起来，共同研究太阳能热发电系统。夹胶玻璃又称夹