塔式光热电站定日镜场的发展现状及技术创新趋势

周振捷 上海电气集团股份有限公司 (200233）

廖文俊 上海电气集团股份有限公司中央研究院 (200070）

周振捷 (1982年～), 男, 工学硕士, 毕业于同济大学机械制造及自动化专业。主要从事燃气轮机、风电、太阳能、分布式能源和自动化领域的产业研究工作。

0 引 言

随着《国家能源科技“十二五”规划》等文件的陆续出台，有关太阳能热发电产业的技术研究和商业化工作正全面展开。总体而言，在已有的槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式为代表的太阳能光热技术路线中，塔式电站以其集热效率高、热工转换效率高，系统综合效率高，成本降低空间大，适合大规模应用等优点而成为光热产业未来大规模应用的主要方向。以此同时，塔式光热电站也因其定日镜场的设置布局和跟踪控制较为复杂，目前尚有待相关技术的突破。

1 塔式定日镜场概述

塔式定日镜场是由多台定日镜组成用于聚集太阳辐射的聚光系统。每台定日镜通过各自独立的跟踪控制装置连续跟踪太阳，把太阳光聚集到位于塔顶的吸热器上。目前塔式定日镜场的布置方式一般分为环形交错布置、环形非交错布置，扇形交错布置，扇形非交错布置，平行交错布置和平行非交错布置等方式。图1是几种典型的镜场布置方式。

西班牙Gemasolar 电站采用了环形布置方案、澳大利亚国家能源技术研究中心CSIRO采用平行布置方式，中国科学院电工研究所八达岭太阳能实验电站、西班牙PS10 和PS20电站均采用扇形固执方式。

图1 几种典型的定日镜场布置方式

定日镜场成本一般占整个塔式光热电站投资成本的40%～50%。目前定日镜成本约1 800～2 000元/m2，产业设定的目标成本600～700元/m2。

2 塔式定日镜场的主要构成

定日镜场主要由反射镜单元、传动装置、支撑结构和控制系统等组成。其中，反射镜单元和传动装置在镜场成本中所占比例较大，约占整个定日镜成本的50%～60%（反射镜单元占镜场成本的25%～30%、传动装置占30%～35%）、控制系统约占5%～10%、支撑结构约占15%～20%。

2.1 平面反射镜

定日镜反射镜单元主要由平面反射镜（也被称为子镜）和背面的驳接爪组成，通过在低铁浮法玻璃基板上沉积金属银镀层、金属铜镀层和保护漆制成。每面反射镜通过硅胶粘到一个由纵横交错的钢结构横梁组成的底盘结构上，几十面反射镜组装成定日镜的反射面。定日镜反射面的曲率是由支撑子镜的支撑结构给出，通过调节子镜背后的螺栓实现。

为了分摊传动装置的成本，一些技术供应商将定日镜的反射面积尽量设计地很大（一般超过100m2）不过也有一些技术供应商，例如eSloar、BrightSource和浙江中控等，将定日镜的反射面积控制在十几平米以下，目的是简化传动装置的机械结构，降低传动装置的成本。各主要技术供应商的定日镜反射面积见表1。

表1 定日镜反射面积

2.2 传动装置

在塔式电站中，镜场中每台定日镜距离太阳塔上的吸热器都很远，为使收集的太阳光都反射到只有很小开口面积的吸热器内，定日镜需要通过二维跟踪装置对太阳的高度角和方位角进行实时跟踪。在根据天文公式计算出太阳的当前位置后，结合定日镜旋转中心与吸热器中心的相对位置，计算出每台定日镜的目标位置，从而控制定日镜将太阳光集中反射到吸热器的中心。由于反射镜的微小变化都将造成反射光在较大范围的明显偏差，因此要求传动装置具有较好的跟踪精确性、能满足荒漠等恶劣环境要求。由于传动装置在整个定日镜成本中所占的比例最大，因此考虑到经济性，传动装置还需较小的功率消耗、较低的制造成本，并可批量生产。

2.3 支撑结构

定日镜的支撑结构主要由立柱、支架和螺栓连接件组成。其中，支架的设计要求一般为能够适应不同规格尺寸的定日镜、结构简单、用钢量少。目前定日镜的支撑结构（立柱、支架）的用钢量约60～70kg/m2，产业研发的目标是将用钢量降到40～45kg/m2。

3 塔式定日镜场的应用状况

20世纪80年代以来，国际上已有多个国家建造了多个塔式光热电站，尽管成功商业化运行的占比不高，但却为即将到来的以清洁能源和新能源技术为代表的第四次工业革命中的太阳能利用积累了一定的试验和产业化经验。

3.1 Solar One光热电站

Solar One电站是1981年由美国建成的第一座太阳能塔式热发电电站。其定日镜场采用Martin Marietta公司生产的1800面单台反射面积为39.1m2的定日镜。1992年在Solar One 基础上建立的Solar Two电站，其定日镜场除了Martin定日镜以外，还增加了108 面单台反射面积为95m2的Lugo定日镜。

3.2 CESA-I试验电站

西班牙的CESA-I工程是由西班牙工业与能源部资助，于1983年5月建成的太阳能塔式示范工程。其定日镜场由300面单台39.6m2定日镜组成。镜场方向为南向，扇形交错分布，共计16排，虽然CESA-I不是一个发电电站，但迄今为止仍在运行中并承担各种试验任务。

3.3 PS10和PS20光热电站

PS10和PS20两座商业电站由Abengoa公司在西班牙建立。前者运行功率为11MW，是世界上第一座商业运行的太阳能塔式热发电站，其镜场由624面单台120m2的定日镜组成，后者在技术上和前者基本一致，但是功率增加近一倍，定日镜数量也增加到1 255台。图2是S10、PS20 定日镜场。

图2 PS10、PS20 定日镜场

3.4 Gemasolar光热电站

Gemasolar电站是Sener公司推动的第一座商业化运营的熔融盐太阳能塔式热发电站，建立在西班牙的Fuentes de Andalucía。Gemasolar 的定日镜场也是世界上第一座环形布置的商业化运行的定日镜场。Gemasolar发电站拥有2650面定日镜，单台定日镜反射面积115.7m2，镜场总面积3万余m2。系统塔顶中央接收器的温度可达900多摄氏度。塔式接收器采用熔盐作为传热介质，温度可达500多摄氏度，相比槽式聚光技术，能够向燃气轮机传输温度更高，数量更多的高压蒸汽，大幅提升整个发电站的功效。

图3 GemaSolar电站环形镜场

4 国内外主要镜场设计及制造企业情况

4.1 SENER 公司

SENER公司广泛涉足于太阳能热发电行业里面的各种发电技术形式。公司生产的115.7m2定日镜已经被用在Gemasolar 塔式电站中。公司生产的减速机精度高(重复精度0.002mrad)，齿隙小(<1mrad)，效率高(>40%)，输出扭矩大(最大扭矩>40000Nm)。SENER公司研制的定日镜由35 块反射单元玻璃镜组成，玻璃镜厚度为3mm，采用冲压成型的钢板作为支撑结构，定日镜的驱动电机为交流异步电机。

4.2 e-solar 公司

e-solar公司生产的1.1m2定日镜为世界上应用在塔式太阳能示范电站中单台反射面积最小的定日镜，其定日镜场的分布方式为平行交错排列。图4是e-solar 公司生产的定日镜。e-solar 定日镜的基础为混凝土块，每个混凝土块都用钢架连接成为一个整体，以保证基础的稳定性。定日镜的反射镜由一整块玻璃镜组成，反射镜为平面镜，与后面的钢结构支架用胶粘接而成。其方位角传动方式和高度角高度角传动方式均为齿轮传动，驱动电机为步进电机。

4.3 Brightsource Energy 公司

Brightsource Energy公司在以色列建立Negev沙漠建立的4MW 热功率太阳能塔式热发电站采用7.2m2定日镜，反射镜由一整块玻璃镜组成。方位角传动方式为蜗杆蜗轮传动，高度角传动方式为电动缸传动。随后，公司研发的新一代定日镜反射面积为14.4m2，由两块7.2m2的玻璃镜组成，传动方式仍然是方位角传动为蜗杆蜗轮传动，方位角传动为电动缸传动，但是方位角和高度角传动机构的连接方式有所改变。

4.4 中国科学院电工所与皇明公司

中国科学院电工研究所与皇明公司成立了联合实验室，在定日镜的设计和制造方面具有多年经验，生产的定日镜产品已经历4代，其中第4代产品，单台反射面积为100m2的大定日镜成功应用于北京八达岭1MW太阳能塔式热发电站。图5是安装中的定日镜。定日镜采用但立柱作为传动系统的支撑基座，高度角传动机构为电动缸，方位角传动机构为减速机，其末端传动为齿轮、齿条结构。采用伺服电机作为动力源，采用PLC 作为就地控制系统的基本控制元件，采用钢结构作为玻璃反射镜的支撑结构，采用钢化玻璃-PVB薄膜-超白玻璃镜作为定日镜的反射镜。

图4 e-solar公司的定日镜

图5 电工所-皇明的反射镜面

4.5 浙大中控公司

浙大中控公司采用与esolar 公司类似的方案，2011年研制了反射面积为2m2的定日镜。其特点是控制系统的芯片为公司自己研发，成本低。用钢架将混凝土块列阵连接起来，作为定日镜和定日镜场的基础，镜场布置方式为平行排布。

5 塔式定日镜的研发难点

塔式定日镜的研发工作主要是围绕以下几个方面展开：

（1）镜场总体设计；

（2）支架结构设计；

（3）镀银反射镜的耐候性研究；

（4）支架与反射镜的结合研究；

（5）高精度传动系统等。

5.1 定日镜的总体设计

定日镜场所涉及的反射镜单元、传动装置、支撑结构和控制系统四个部分能否协调工作是确保定日镜在设计要求的气象条件下高精度、稳定可靠地完成将太阳直射辐射定位反射任务的关键。

当前，定日镜总体设计主要涉及到以下五个方面：

（1）定日镜工作环境参数的确定；

（2）定日镜的总体误差范围及定日镜误差在各单元间的分配；

（3）定日镜支架强度刚度的设计；

（4）定日镜现场安装与调试方法及规范；

（5）定日镜设备质量与性能试验方法。

5.2 定日镜支架结构设计与力学分析

定日镜支架结构组成既要满足力学性能要求又要满足简化生产和方便运输的要求。目前已经建成的太阳能塔式热发电站和在建的电站，定日镜的设计均采用“金属框架+玻璃反射镜”结构。这种结构的优点是重量轻、抗扭能力强、反射表面没有框架遮挡。

定日镜支架结构的设计要求还包括具有较高的整体刚度和抗疲劳性能。这需要在支架结构的设计中既采用合理的钢架结构设计增加支架整体刚性，同时要采取合理的构造细节设计，尽可能减少应力集中，另外还需进行结构动力学设计，利用附加阻尼处理及其他振动控制设计技术来降低结构振动水平特别是局部振动水平。

因此，定日镜支架结构的研究主要涉及以下5个方面：

（1）支架的角度设计；

（2）支架整体结构刚度和稳定性；

（3）支架结构模块单元以及单元之间的连接方式；

（4）支架的温度交变载荷和风载荷疲劳强度计算；

（5）支架与定日镜传动箱的连接方式。

5.3 镀银反射镜的耐候性研究

由于定日镜对反射率的要求较高，因此通常采用镀银玻璃镜作为定日镜的反射镜材料。由于银的抗氧化性能较差，暴露在空气中易被腐蚀，因此保护银层免受腐蚀的方法是提高反射镜寿命的关键。玻璃镜在室外使用时还要求保护层具有抗紫外辐射、抗冷热交变、干湿交变、沙尘、盐雾、酸雨和雨雪冰雹等性能，对此还需开发适用于室外的防护材料和工艺。

反射镜的耐候性研究主要涉及两个方面：

（1）太阳光银反射镜复合膜系的确定和制作；

（2）镀膜层室外使用保护漆的成份和制作工艺。

5.4 支架与玻璃反射镜的结合方式研究

为防止热应力引起的玻璃破损，在保证定位精度的条件下，支架与玻璃镜之间在高温和低温下的连接要保持一定的弹性。由于定日镜支架的加工和组装存在误差，反光镜安装在支架上的位置及其角度可能不是最理想，这会影响聚光效果，因此需要对反光镜的水平角度和轴向距离进行三维调节。定日镜的反射玻璃镜与金属支架的连接还需要承受由于玻璃重力引起的切应力静载荷以及由风力引起拉应力动载荷，同时还特别要求粘接材料具有高的耐疲劳强度特性。

当前，支架与反射镜的结合方式研究涉及到以下三个方面：

（1）可三维调节的机械点支撑结构分析与设计；

（2）金属与玻璃连接材料的选择；

（3）玻璃反射镜的更换方法。

5.5 高精度传动系统

定日镜的传动一般分为机械和液压两种传动方式。机械传动方式是目前定日镜上普遍采用的方式。液压由于维护及油的可压缩性带来的动态定位精度不准等问题，目前较少在位于沙漠环境及需要高精度的定日镜系统采用。

当前，传动电机大都采用异步电动机和永磁伺服电机，个别的还采用了直流电机、永磁无刷直流电机、步进电机，甚至直线电机等其他类型的电机。从控制精度和性能的角度考虑，永磁伺服电机是最佳选择，但从降低成本的角度考虑，宜优先选择异步电动机。控制与传动方式研究主要涉及以下5个问题：

（1）电机的选择；

（2）太阳定位的数学模型和定日镜定位控制方法；

（3）定日镜姿态与风速和风向的关系及控制方法；

（4）定日镜的安装误差纠正；

（5）控制系统的软硬件制作。

7 塔式定日镜场的技术创新趋势

定日镜场的技术创新趋势主要在定日镜场的优化设计上，定日镜场的设计目标在于尽可能的提高镜场效率，降低镜场密度。提高效率可以提高太阳能塔式热发电站的光-电转换效率，降低镜场密度可以节约土地成本。

定日镜场效率是指经定日镜场反射进入吸热器采光口的太阳辐射功率与投射到定日镜场采光面积上总法向直射太阳辐射功率之比，由公式表示：

式中 η—镜场效率

qreceiver—吸热器采光口功率

qheliostat_field—定日镜场采光口功率Is—太阳直射辐照强度

Ah—定日镜场采光口面积

Ir—吸热器采光口的能流密度

Ar—吸热器采光口面积

镜场密度是指定日镜场中所有定日镜的反射面积之和与定日镜场总面积的比值。

当前业界主要是基于几何光学和概率论的镜场优化理论，寻求定日镜布置方法的突破和优化理论的突破。定日镜场的设计软件在国外已经发展多年，主要包括HELIOS、ASPOC、HFLCAL、RCELL、DELSOL、MIRVAL、SOLERGY、SOLTRACE等。软件基本功能可以做到对于扇形交错分布、扇形非交错分布、平行交错分布和平行非交错分布的几种定日镜场布置方案进行计算和优化，并可以获得定日镜场的效率。