碟式斯特林太阳能热发电系统聚热器调焦方法

兰　维，　刘晓光（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

碟式斯特林太阳能热发电系统聚热器调焦方法

兰维，刘晓光
（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

当今世界经济高速发展，带来的必然是能源的大量消耗。而在能源变化形势日趋严峻的背景下，太阳能作为一种清洁环保、储量无穷的自然能源，得到了人们的广泛关注。太阳能利用主要包括光伏及光热两大范畴，而碟式斯特林太阳能热发电技术，由于其转换效率高、排放低、布置灵活等优势，在是整个光热发电领域中倍受青睐。本文从实际工程应用的角度出发，详细阐述了当前碟式斯特林太阳能热发电系统的多种调焦方法，并对其进行综合比较，分析每一种调焦方法的优缺点及适应场合，为后期碟式热发电技术的发展及大型碟式光热电站的安装调试提供参考。

碟式； 斯特林； 太阳能热发电； 聚热器； 调焦； 热点

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.005

0　引言

太阳能热发电技术是利用高精度聚光器将低密度的太阳能汇聚成高密度热能，通过加热工质来驱动发电机、实现光电转化。太阳能热发电分为槽式、塔式和碟式三种形式，而碟式系统由于其效率高、零排放以及分散布置等特点而备受关注。

碟式斯特林太阳能热发电技术，是利用旋转抛物面反射镜，将入射太阳光反射聚集在焦点上，这一过程可以称之为聚热。在焦点处放置斯特林发动机，太阳光聚集在斯特林发动机的吸热器上产生高温，通过热交换驱动发动机产生机械能，斯特林发动机与发电机相连，进而带动发电机发电。

为获得更高的转换效率及更好的经济性，碟式聚热器的发展趋势无疑是反射面积的不断增大，考虑到制造工艺及安装、运输的局限性，势必将几十平方甚至上百平方的反射碟面分瓣化［1］，即整个碟面由多块反射板组成。在系统的调试阶段，需将每块面板位置重新调整，以获得良好的聚焦效果，这一调试的过程称之为碟式系统的调焦。

调焦过程中如多块反射板在吸热器上聚焦于同一位置，则会形成的温度过高的热点。热点效应是评价碟式斯特林太阳能热发电系统聚集效果的重要标准，在整个系统的安装、调试工作中至关重要，它将直接影响系统的效率、可靠性及安全性等等。因此，碟式聚热器的调焦工作，核心目标就是需要避免热点的产生，或者将热点效果降至最低［3］。

1　碟式系统调焦方法

碟式斯特林太阳能热发电系统的构成，通常会由于制造厂商的不同而存在差异，但从其功能模块角度来看，一般都由支撑立柱、碟面聚热器、支撑臂、斯特林发动机、跟踪系统及控制系统所组成［1］，如图1所示。

图1　碟式斯特林太阳能热电系统结构示意图

在整个碟式斯特林太阳能热发电系统的安装调试过程中，面板的调焦是整个碟式系统安装过程中的重点及难点。多年来全世界该领域的工程设计人员及专家投入了大量的资源进行这方面的研究实践。目前为止，比较常用的主要有以下三种调焦方法。

1.1对日调焦

顾名思义，就是在太阳照射下直接调焦，这就是最原始最简单的调焦方式。将碟式聚热器的每块反光板的光斑调整到集热器的相对位置［2］，每一块板所形成的光斑与吸热器上的位置一一对应，对号入座。在反射面板的可调范围内，尽可能的使得光斑的分布均匀，从而避免热点的产生。

此调焦方式在实际应用中存在很大的难度。首先，在整个调焦过程当中，碟面跟踪系统需一直运行以保证碟面与太阳的同步性。跟踪系统的不准确性将直接使得调焦工作无法进行或错误进行。其次，对于大面积多面板的碟面来说，每调试一块反光面板时都应该将其他面板遮盖，以便更清楚的看出其光斑的分布情况。第三，调焦时，操作人员都是高空作业，同时系统在运行中聚焦光斑的扫掠，具有很大的危险性。第四，此方法还受到天气的严重影响，在非晴日工作无法开展，使得安装工期在很大程度上具有不确定性。通常情况下，为节省系统的研究开发经费，对日调焦只应用于碟式斯特林太阳能热电系统测试样机的调试。

1.2成像原理调焦

此方法即利用光学成像原理，对碟式聚热器的每一面板进行单独调解，以最终获取良好的聚焦效果。实际操作时，整体布置如图2所示。在碟式系统焦点处放置一标靶，标靶为具有一定强度的平板结构，其大小与斯特林发动机吸热器大小相当。标靶朝向碟式聚热器的一面印有彩色图案，图案的个数与分布形式与碟式聚热器的反射面板保持一致，图案的形状可以为彩色间隔的色块或其他便于观察及分辨的形状［4］。如图3所示，图中采用的为扇形分布且印有单个阿拉伯数字的图案。在碟面的正前方放置一摄像机，以便于观察和记录标靶的成像，理论而言，摄像机应放在碟面正前方无穷远处，才能观察到清晰的标靶图案在反射面板上的成像，但在实际操作过程中，当摄像机离碟面距离大于4倍焦距时，基本能满足调焦要求［4］。

图2　成像原理调焦系统图（1-标靶、2-摄像机）

图2　标靶图案分布图

图4　调焦后标靶图案在整个碟面上的成像

通过观察摄像机，调整碟式聚热器的反射面板，使得反射面板上的标靶图案虚像正好完全布满整块反射面板，按照此要求对每一反射面板进行调节，最终整个标靶的图案将完成成像与碟面上，如图4所示，至此调焦工作结束。

成像原理调焦法是利用光学成像的原理，有其自身独特的特性。首先，相对于常规的在太阳直射光下，靠人眼观察的调焦方法，具有更高的准确性和可靠性。其次，该方法无需任何专业设备和高端技术，所用标靶亦可手工制作，调试工作成本低廉，实施相对容易。第三，该调焦方法虽在户外进行，但没有太阳光仍能继续作业，碟式热电站的施工安装工期更加可控，同时施工人员的安全性得到可靠保障。需要指出的是，成像原理调焦的方法也存在其局限性，综合而言，其碟面反射面板的调节工作主要依靠人力手动完成，相率相对较低，仅适应于测试样机调试或者10台左右的小型碟式斯特林太阳能光热示范电站的调试。

1.3影像系统调焦

影像系统调焦主要应用光学反射及感光原理，建立一套完全自动化的调焦系统，它涵盖光学、机械、传动及自动控制等多个技术领域，具有高度的集成性及协作性［5］。

该影像调焦系统通常由旋转调试平台、伺服调节系统、感光系统、平行光发射器、显示/控制中心所组成。其结构如图5所示。

图5　影像调焦系统结构示意图

在实际调试工程中，将整个被调试的碟式装置放置与旋转调试平台上，并进行水平校准，使得碟面的中心轴与旋转平台平面垂直（允许一定的误差）。在碟式装置的正上方设置平行光发射器，其主要目的是通过一定的光学手段，产生一束平行光用以模拟太阳直射光。调整平行光发射器使得射出平行光与碟面中心轴线保持平行。平行光射入碟面，经反射面板反射聚焦后，在安装于碟面焦点处的感光系统上形成光斑［6］。

感光系统的主要部件为感光屏。感光屏的大小与实际斯特林发动机吸热器大小相当，并将其以周向和径向方式划分为多个单元。其单元的划分形式与碟式系统反射面板的布置形式相同，以保证在感光屏上的每一区域都有唯一的一块反射面板与之对应。感光系统通过感光屏上光斑的实际位置、形状与理论位置、形状（感光屏上划分好的区域）的相对位置进行比较，发出对应信号至控制中心，并同时将光斑图形输出在显示屏上。控制中心对感光系统的输入信号进行处理运算，并发出控制信号至伺服调节系统，精准的驱动伺服电机调节反射面板的位置，从而改变光斑的大小、形状和位置。通过不断的循环，使得实际光斑与理论位置的偏移达到预设值后停止动作，从而结束单块面板的调节工作。

当单块面板的调节工作结束后，伺服调节系统暂时退出，旋转调试平台旋转一定的角度，使得下一块预调节面板就位，再进行上述调节工作。通过不断的循环，而实现整个碟式系统的自动化调焦工作。调焦工作结束后，最终感光屏上的光斑形状如图6所示。

图6　调整后感光屏上光斑的示意图

影像调焦系统实现了碟式聚热器调焦工作的真正自动化，其运作的高效性、准确性毋庸置疑，必要时也可多套系统同时工作，以更大的加快调试工作进度。同时，该调焦方法利用人工光源进行工作，其不受天气因素影响，使得调试安装工期更加可控。值得注意的是，该系统结构复杂，软硬件技术高，同是需在工地现场搭建厂房，与自动化或半自动化的框架组装流水线共同作业。该套系统的设计生产和调试，需要投入大量的资金，因此仅适用于大型碟式斯特林太阳能光热电站的应用。据了解，美国太阳能设备制造商Stirling Energy Systems（SES）在Maricopa建立含60套25kW碟式系统的光热电站，其调试用的就是此类影像调焦系统。当然，这也是后期碟式斯特林太阳能热电系统发展的必然趋势。

2　结语

碟式斯特林太阳能热发电技术是光热领域的重点发展方向，其反射碟面的调焦工作作为其工程应用的重要安装工艺，应引起足够重视。本文所介绍的三种调焦方法，各有优缺点，在实际工程应用中，应根据具体情况选择合适的调焦方法。

［1］Beninga，K.，and R.Davenport，Design，Testing，and Commercialization Plans for the SAIC/STM 20 kW Solar Dish/Stirling System，Proceedings of the 30th IECEC，Orlando，FL，August 1995，pp.2.487-2.490.

［2］Gineste，J.M.，Flamant，G.，and Olalde，G.，1999，“Incident Solar Radiation Data at Odeillo Solar Furnaces，”J.Phys.IV，9，pp.623-628.

［3］Ulmer，S.，Reinalter，W.，Heller，P.，Lupfert，E.，and Martínez，D.，2002，“Beam Characterization and Improvement With a Flux Mapping System for Dish Concentrators，”ASME J.Sol.Energy Eng.，124（2），pp. 182～188.

［4］Stine，W.B.，1995，“Experimentally Validated Long-Term Energy Production Prediction Model for Solar Dish/Stirling Electric Generating Systems，”Proceedings of the Intersociety Energy Conversion Engineering Conference，Orlando，FL，Paper No.95～166.

［5］Bean，J.R.，and R.B.Diver，Performance of the CPG 7.5 kW Dish Stirling System，Proceedings of the 28th IECEC，Atlanta，GA.，August 8-13，1993，pp.2.627-2.632，ISBN O 7918-1221-9.

［6］Andraka，Charles E."Alignment Strategy Optimization Method for Dish Stirling Faceted Concentrators."Energy Sustainability 2007.Long Beach，CA，June 27～30.

Focusing Methods of Solar-electric Dish Stirling System

LAN Wei， LIU Xiao-guang
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Nowadays，the high-speed economic development has caused significant consumption of energy.While the energy change is getting severer，solar energy is taken as a clean，environmental friendly resource with infinite storage that has aroused a wide public concern.Photovoltaic and solar thermal are two main categories of solar energy applications.Because of its high conversion efficiency，low emission and flexible installation，dish Stirling solar energy power technology is more preferable to be used among the solar thermal area.From the view of practical engineering application，this paper illustrates multiple focusing methods of the current dish Stirling solar energy power systems in detail，and the comparison of these methods are given to analyze their advantages，disadvantages and their application scenarios.It can be used for the future development of dish Stirling solar energy power technology and applied as a reference for large dish solar thermal power plants'installations and tests.

dish； Stirling； solar thermal power； solar energy collector； focusinghotspot

TM615

B

2095-3429（2015）02-0017-04

兰维（1981-），男，工学学士，工程师，主要从事新能源行业技术开发及技术服务工作。

2015-03-04

2015-04-20