跟踪聚光设备在太阳能产业中的高价值应用

宋记锋华北电力大学新能源与可再生能源北京市重点实验室songjifeng@聚光跟踪设备在太阳能中的

高价值应用辐照测量槽式、塔式、碟式热发电站控制技术聚光光伏电站华北电力大学相应产业技术介绍内容太阳辐照辐射能量（紫外，可见，红外）夏天中午地面直接辐照强度1kW/m2太阳辐照功率谱密度中国太阳能资源分布太阳辐照常用仪表：全辐照计、直接辐照计总辐射表（上半球辐射）直接辐射表（来自日盘面的太阳辐射）全辐射+直接辐射测量系统（含太阳跟踪平台）太阳能热发电太阳能热发电太阳跟踪槽式碟式塔式聚光85倍400℃>10MW商业化聚光1000～倍750℃10-30KW示范阶段聚光500～600倍500—600℃1MW-10MW示范阶段目前主流的聚光太阳能热发电(CSP)方式槽式塔式碟式光热发电电力品质好可担当基础电力负荷光伏光热发电比较光伏发电

时间

热发电

负荷率

1984-1991年间在美国投入商业并网运行的9座大型系统（SEGS），单机容量从13.8到80MW，总装机容量达354MW。阿尔吉利亚：140MWISCC电站（其中太阳能电容量35MW）希腊：:50MW太阳能混合热发电以色列：100MW太阳能混合热发电意大利：40MW太阳能热发电.西班牙：:2x50MW太阳能热发电站（带蓄能，独立太阳能）美国：50MW太阳能热发电印度：:140MWISCC电站（其中太阳能电容量35MW）

埃及：127MWISCC电站（其中太阳能电容量29MW）墨西哥：300MWISCC电站（其中太阳能电容量29MW）

摩洛哥：:230MWISCC电站（其中太阳能电容量26MW）澳大利亚：35MW基于CLFR技术的太阳能---燃煤混合电站（1440MW）太阳能热发电现状与发展趋势国内：鄂尔多斯50兆瓦槽式太阳能热发电电站项目槽式太阳能热发电站宋记锋华北电力大学2010-05-17聚光集热子系统热-功-电转换子系统蓄热子系统CSP基本运行模式聚光集热子系统热-功-电转换子系统蓄热子系统白天工作模式1—直接发电白天工作模式2—蓄热+直接发电聚光集热子系统热-功-电转换子系统蓄热子系统聚光集热子系统热-功-电转换子系统蓄热子系统夜间工作模式—利用蓄热发电蓄热罐Φ36m×14m，290℃--390℃，存储7.5小时融盐：NaNO3，KNO3面积：2930亩/50Mw西班牙Adasol槽式（50MW）西班牙Adasol槽式（50MW）跟踪示意图支架结构反射镜多层结构厚度4mm银膜0.7g/㎡铜膜0.3g/㎡反射率92%焦距1.71m里侧镜面面积2.79㎡外侧镜面面积2.55㎡西班牙Adasol槽式（50MW）内管—不锈钢管，涂层，直径为70mm外管—外层为石英管两端—金属波纹管96%透光率预焊接现状安装西班牙Adasol槽式（50MW）两排间的跨接管路太阳集热场布局－低温（蓝色）和高温（红色）总管系统（面积超过30万平米，具有储热系统）需旋转接头连接西班牙Adasol槽式（50MW）夏季时分的能量吸收—转换曲线菲涅尔槽式热发电站特点聚光比低，效率低，试验阶段实际跟踪控制并不简单抗风性好国内槽式热发电站中航通用设备公司槽式示范电站5.77m开口宽度，焦距1.71m，单列长12×10m（中航通用，华电合作伙伴）导热油工质，玻璃—金属真空集热管，400℃，单轴跟踪系统结构刚度、廉价、方便长寿命、高反射光热效率、可靠性低成本、长寿命低成本、高换热率快速、方便高精度、可靠低成本、高换热率跟踪控制系统要求跟踪精度，0.1°或光斑偏差不大于3mm适应高低温、湿度变化环境槽式跟踪系统特点驱动全电电机减速器液压电控液压大减速比需耐环境关键技术：超长槽面的跟踪一致性调控控制方式混合轨道光敏光敏光敏槽式跟踪系统特点优点：输出力矩大、抗冲击缺点：耐环境能力差风沙侵蚀高低温湿度零部件多，维护量大微进给问题保压问题泄漏问题机械结构多种多样结构要求刚度高便于批量加工串接可靠，同轴性好机械结构需要进行严格的载荷、变形分析风载振动重力形变扭矩传递形变CFD分析（计算流体动力学模拟）风洞测试（风阻系数）清洗通常高压软化水喷淋顽固污渍考虑干冰喷射融封，效果好，工艺要求高压封，效果略差，工艺简单玻璃表面温度与集热管工艺有关：1，真空度2，环境温度3，流体温度4，涂层光学参数PSA–Spanish

Testing

Platform西班牙太阳能热发电试验基地PS10–Tower

Plant

of11MWe–Some

Pictures

西班牙塔式热发电站

Sanlúcar120Heliostat

OptReflectedRay=2.6mrad

TrkReflectedRay=1.3mrad

EffforFieldinReflectedRay=2.9mrad

现场控制采用

PLC

控制结构为

PLC’s+Prophibus通讯

塔式热发电站跟踪PS10–Tower

Plant

of11MWe–饱和蒸汽吸热器

2.0m2.0m

650kW/m2

聚焦上限.聚焦能流密度分布不均，动态变化，对吸热气可靠性提出高要求塔式聚焦能流密度塔式热发电站目前北京延庆测试用定日镜(0号,1号,2号,3号)延庆电站太阳能热发电站三维效果图电工所定日镜电工所定日镜跟踪误差校正系统原理图误差原因立柱倾斜定日镜面中心与旋转中心不重合重力变形初始位置误差风单靶适合，但对定日镜阵列同时聚焦跟踪，尚未得到验证大汉太阳能热发电站系统八达岭太阳能热发电站系统图吸热器1KWe碟式斯特林热发电系统---通县5m直径单碟式聚光器---德州5m直径多碟式聚光器---西安张模式聚光器---北京10m直径多碟式聚光器---德州碟式斯特林热发电瓶颈技术：斯特林发动机可靠性、碟片对焦可维护性国外斯特林技术9kWRemote10kWGrid-TieStirlingEnergySystems25kWGrid-Tie22kWHybridGrid-Tie碟式斯特林热发电Dish/Stirling

Systems

atPSA(Distal&EuroDISH)ArrayControlSystemGPSInsolationFieldControlPCTelephonelineNTserver-SWindArrayControlSystemGPSInsolationFieldControlPCInterBus

S-WindDISTALIITelephone

lineNTserverEURODISH碟式控制方案时钟＋总线通讯Dish/Stirling

Systems

atPSA(Distal&EuroDISH)EURODISH(1)碟式结构较为庞大Dish/Stirling

Systems

atPSA(Distal&EuroDISH)碟式对镜面精度要求高PSA(Distal&EuroDISH)斯特林发动机热流密度的波动工质泄漏风沙、腐蚀、高低温碟式聚焦不均匀特性EnviroDISH聚焦能流密度分布不均１，风负荷振动２，空气温度、密度、对流影响特别关注１，热应力随机分布，疲劳寿命问题２，非耐热器件需保护国产斯特林发动机可靠性问题：热流密度的波动效率与维护：工质泄漏寿命问题：风沙、腐蚀、高低温EURO/kWh塔式塔式00,100,050,200,150,250,300,3520002005201020152020槽式槽式碟式碟式斯特林聚光热发电经济性对比聚光光伏发电系统Euclides480kWinTenerifeIsland

国外聚光光伏Euclides480kWinTenerifeIsland

1axis

TrackerPassive

Heat

SinksCilindric-Parabolic

Mirrors(140)SaturnBPSolarModules(138)SunTracking

SystemControlInverters国外聚光光伏OtherPVConcentrating

Projects

CAC:Europeanprojectfortheimplementationofaphotovoltaicconcentratorprototypeinancontrolledatmosphere.

HiconPV:Europeanprojectofhighconcentration(1000X)

TiltRollPV:Heliostatprototypewithmovement“Tilt-Roll”fortestingacommercialmediumconcentrationmodule(21X).

Fresnel5X:

Heliostatprototypewith

5XofCRSOLUCARSOLUCAR国外聚光光伏SharpPVConcentratingProject

・Usesthecharacteristicsofhighconversionefficiencyin

Ⅲ-ⅤcompoundofPVmodule.・Highconversionefficiencycanberealizedunderhighconcentration(Target：Cellefficiency40％*)*Under500suns

Cell：(7mmx7mm)ModulePlace:DaidoMetalCo.,LtdinJapanSystemexplanationFresnellensconcentratorHomoginizerCellRadiation*NEDO：NewEnergyandIndustrial

TechnologyDevelopment

Organization

JointconsignmentsfromNEDO*・SHARPCo.・DaidoSteelCo.,Ltd.

・DaidoMetalCo.,Ltd.国外聚光光伏FlatconProject–Fh-Ise

&

ConcentrixTheFLATCON菲涅尔透镜4x4cm

，光伏电池直径2mm，聚光比500，双轴2Axis

Tracking

FlatconPVArrayFlatconPVmodule23to28%of

EfficiencyFlatconPVCell

andLensIII-Vcell

with35%of

Efficiecy国外聚光光伏聚光光伏跟踪要求聚焦过程中的偏焦、波动严重损害

聚光电池需消除气动形变、重力形变等影响

聚焦的因素华北电力大学相关研究华电定日镜技术大型楼宇中庭定日镜反射照明传输距离：72m控制精度：光斑位置误差小于15cm，约0.1°控制方式：GPS解算+光路反馈控制散射透镜阵列齿轮—电动缸驱动所应用大楼超白银镜反射定日镜控制微控制器+GPS+光路反馈+无线通讯方位角驱动：步进电机+减速器+转盘轴承高度角驱动：滚珠丝杠电动缸反射镜面：超白银镜+夹胶钢化玻璃（防撞）华电双轴跟踪技术双轴跟踪槽式热发电测试平台Size:8m×5.77mConcentration:85Temperature:20-400℃采集室外阳光，聚焦后用光纤传入室内照明华电太阳光导照明技术自然光具有最佳的生理特性写字楼—绿色节能，滤除红外，降低制冷功耗；疗养院—消除佝偻病，调节内分泌，消除疲劳；特殊单位—防水防爆，油库、水下、弹药库照明；教室—提高学习、工作效率；超市—有助于改善营销环境。华电太阳光导照明技术华电太阳光导照明技术华电太阳光导照明技术CharacteristicUnitAmountTorqueofazimuthmotorN.m3.6Torqueof