太陽能熱發(fā)電系列文章（15）——太陽能熱發(fā)電中的聚光器

1、太陽能熱發(fā)電系列文章（15）太陽能熱發(fā)電中的聚光器太陽能熱發(fā)電系列文章太陽能熱發(fā)電中的聚光器河海大學(xué)東南大學(xué)王軍張耀明金保升劉德有安翠翠摘要:分析了聚光器的設(shè)計(jì)要求和聚光器種類;介紹了現(xiàn)有聚光器的現(xiàn)狀,并進(jìn)行了分析比較,說明了其發(fā)展趨勢;闡述了我們在這方面所做的工作.關(guān)鍵詞:太陽能;聚光器;CPC聚光器是槽式太陽能熱利用的核心部件之一,聚光器由反射鏡和支架兩部分組成,關(guān)于聚光器的結(jié)構(gòu)在系列文章10中已有介紹,在此不再贅述.一聚光器的設(shè)計(jì)要求在進(jìn)行聚光器研制時(shí)首先要確定聚光器的工作環(huán)境參數(shù),如當(dāng)?shù)氐奶柲茌椪諚l件,環(huán)境溫度和溫度交變情況,當(dāng)?shù)氐纳硥m,風(fēng),雪,雨,鹽霧和地點(diǎn),選擇典型環(huán)境條件,作為

2、聚光器設(shè)計(jì)的環(huán)境條件依據(jù).槽式聚光器要求達(dá)到如下目標(biāo):1聚光比在60100;2正常工作最大風(fēng)速為6級(jí)風(fēng),可抵御8級(jí)風(fēng),在采取相關(guān)保護(hù)措施的情況下,10級(jí)風(fēng)下不損壞;具有防冰雹,砂石功能;3玻璃反射鏡面法向總反射率大于90%,年衰減度不大于2%;基材,反射材料與保護(hù)漆之間的抗剪切能力能夠達(dá)到沙漠地區(qū)惡劣的冷熱交變考驗(yàn).要想實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),聚光器需要:(1)具有較好的光學(xué)性能,反射鏡的反射率一般要在85%以上;(2)具有良好的聚光性能,以確保拋物面鏡聚光后形成的光帶小于真空集熱管的吸熱管的直徑;(3)具有足夠的剛度和強(qiáng)度,保證聚光器能夠在風(fēng)載,雪載,自重等負(fù)荷下的正常工作;(4)具有良好的抗疲勞能力

3、,保證機(jī)械結(jié)構(gòu)在反復(fù)交變工作條件下的壽命;(5)具有良好的抗沙塵,冰雹等能力,以保證電站在沙漠,高寒等惡劣條件下正常工作,同時(shí)抵卸非正常氣候的破壞;(6)具有良好的抗腐蝕能力,要有抗紫外,防鹽霧,酸雨等性能;(7)具有良好的運(yùn)動(dòng)性(接上頁)當(dāng)采用甲醇作為燃料不可避免要面對甲醇的毒性.另外,在電池工作過程中,由甲醇產(chǎn)生的一系列中間有機(jī)化合物也有毒性,如何保證消費(fèi)者和環(huán)境的安全,需要嚴(yán)格的工藝,細(xì)致的安排,成本自然會(huì)增加.4成本問題由于將甲醇分解成氫離子的化學(xué)反應(yīng)需要鉑金及釕作為催化劑,不僅昂貴,反應(yīng)速度緩慢,還存在著諸如燃料外泄,電池過熱,以及電解質(zhì)膜易被甲醇腐蝕等技術(shù)難題.所有這些問題,都最后

4、在經(jīng)濟(jì)上反映出來,就是成本問題.降低成本,需要技術(shù)進(jìn)步,規(guī)模化生產(chǎn)和先進(jìn)的管理.料電池在發(fā)展的同時(shí),鋰離子電池,鎳氫電池的新技術(shù)新產(chǎn)品不斷推出,電池可靠性也在不斷提高,所以燃料電池進(jìn)入市場的速度并非如制造商開始預(yù)料的那樣樂觀,相反由于技術(shù)問題,樣品遲遲不能轉(zhuǎn)化為商品,進(jìn)入市場的時(shí)間一拖再拖,給其前景蒙上陰術(shù)發(fā)展的程度,希望隨著新材料的出現(xiàn),新技術(shù)的應(yīng)用,使微型燃料電池在壽命,容量,可靠性方面都有卜SoLARENERGY9/2007能,以使結(jié)構(gòu)本身運(yùn)動(dòng)能耗降到最低;(8)具有良好的保養(yǎng),維護(hù),運(yùn)輸性能,支架在滿足整體剛性,強(qiáng)度的同時(shí)還應(yīng)當(dāng)易拆卸,易組裝,易保養(yǎng).同塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡相比,槽式

5、太陽能熱發(fā)電聚光器的制作難度要大:一是拋物面鏡曲面比定日鏡曲面弧度大;二是平放時(shí),槽式聚光器迎風(fēng)面比定日鏡要大,抗風(fēng)要求更高;三是運(yùn)動(dòng)性能要求更高.二聚光器種類上述聚光器是針對一次反射結(jié)構(gòu)而言,其實(shí)聚光器還有其它不同種類,按反射次數(shù)分為一次反射結(jié)構(gòu)和二次反射結(jié)構(gòu).1一次反射結(jié)構(gòu)太陽光經(jīng)槽式聚光器聚光后,照射在真空集熱管上,由吸收涂層吸收后,完成光熱轉(zhuǎn)換,結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1槽式聚光器工作原理2二次反射結(jié)構(gòu)考慮到聚光器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,一次反射的槽式拋物面聚光器的聚光比在100以內(nèi),要想有更大的聚光比,提高集熱溫度,必須采用二次反射結(jié)構(gòu).年代完成的1MW槽式電站中,采用定日鏡一拋物面反射結(jié)構(gòu),即用一

6、組定日鏡將太陽光反射到一臺(tái)拋物面鏡上(圖2a),陽光經(jīng)二次聚焦后,取得了較大聚光比,從而使系統(tǒng)取得較高的集熱溫度.反射結(jié)構(gòu)可以取得較大聚光比,但其一次反射的定日鏡和二次聚焦的拋物面鏡需要兩套傳動(dòng)結(jié)構(gòu),甚反射結(jié)構(gòu),即在一次聚焦的拋物面鏡焦線處,放置二次聚焦拋物面鏡(圖2b),集熱管放置在二次聚焦的拋物面焦線上.陽光經(jīng)二次聚焦后,取得了較大光結(jié)構(gòu)放置在同一支架結(jié)構(gòu)上,可節(jié)省許多材料,降低成本,便于維護(hù).面反射結(jié)構(gòu)不同之處在于,二次聚焦的拋物面鏡改為CPC面結(jié)構(gòu)(圖2c),集熱管放置在CPC面的聚光帶上(CPC無焦點(diǎn)).定日鏡a平面拋物面拋物豆鏡b拋物面一拋物西c拋物面一CPC圖2二次反射結(jié)構(gòu)三聚光

7、器的現(xiàn)狀及發(fā)展(一)現(xiàn)有聚光器結(jié)構(gòu)目前在聚光器中主要使用的支架有扭矩盒式支架,扭管式支架和間隙式,本文主要介紹前兩種結(jié)構(gòu).1扭矩盒式支架扭矩盒式支架由四部分組成(圖3):支架兩端安裝的終板,幾何形狀為正方形的鋼結(jié)構(gòu),集熱管支構(gòu),該結(jié)構(gòu)橫截面為正方形,用來給拋物面鏡的懸臂提供支撐.扭矩盒式支架只有四部分,因而制作輕,變形更小,具有更好承受靜負(fù)載和風(fēng)載的能力.從而在工作的時(shí)候大大降低了結(jié)構(gòu)支架的扭轉(zhuǎn)和彎曲程度,具有較高的光學(xué)性能以及抗風(fēng)能力,與LS一3集熱器的支架結(jié)構(gòu)(間隙式)相比重量減少了14%.(1)支架兩端安裝的終板支架兩端的終板也稱為扭矩傳遞裝置,通過該裝置可以將集熱器的零部件連接起來,也

8、可以在傳動(dòng)塔(drivepylon)上將驅(qū)動(dòng)零部件連接起來.卜SOLARENERGY9/2007支撐件圖3具有扭矩盒式支架集熱器的電腦模型(2)扭矩盒扭矩盒是通過焊接和螺釘連接起來的金屬結(jié)十字交叉部件.安裝十分方便,可以拆分為4個(gè)焊插式部件通過螺釘連接起來即可(圖4).圖4在PSA的安裝現(xiàn)場(3)懸臂懸臂由正方形中空部分開始,將單獨(dú)的部件焊接起來后,通過懸臂制造業(yè)專用工具將鏡子按照正確的幾何方位安放在懸臂上.(4)集熱管支撐裝置與扭矩盒相連的有兩個(gè)支撐結(jié)構(gòu)用于支撐集熱管.強(qiáng)度較小的是SCA方向軸,由于集熱管的熱效圖5扭矩盒式支架效果圖個(gè)支撐件固定在扭矩盒終板的后面,分別安裝在位于傳動(dòng)塔上的扭矩

9、傳遞裝置上面(圖5).2扭管式支架如圖6所示,該支架的管子用金屬制成,厚度取決于所要求承受的風(fēng)載要求,應(yīng)用該支架可以大大減少人工,并且圓柱形可以提供更高的抗扭能力,將支撐面與中心扭管連接起來,通常情況下部件之間使用焊接連接,但是在新型支架中也有使用沖壓技術(shù),因而可以大大降低制造成本.a有限元分折圖b實(shí)物圖圖6扭管式支架管式支架可以很好地傳遞扭矩,用來抵抗鏡面承受的風(fēng)載,在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量減小管厚,使重量更輕.該支架的鋼管上配有系耳用來裝配懸臂及集熱器支撐件.同時(shí)在扭管的每個(gè)底端還有一個(gè)圓盤.這些扭管通過固定在終板上的軸連接起來從而形成集熱器的支架.扭管的制造工藝較為簡單,只有接以在完全組裝完

10、畢后運(yùn)送到使用地,無須后續(xù)再安裝(圖7).圖7扭管式支架的安裝過程在制造過程中要用到大量的懸臂,因而可以使用沖壓技術(shù)來生產(chǎn)大量相同的能夠符合抗扭和強(qiáng)度要求的懸臂.懸臂的材料為鍍鋅鋼板,尺寸經(jīng)過最優(yōu)設(shè)計(jì)可以減少材料的使用量.3木質(zhì)支架卜SOLARENERGY9/2007SOLARENERGY黧圈一圜皿髓現(xiàn)今應(yīng)用最多的支架都是用金屬制成的,在使:程中要將很多零部件裝配起來,需要大量的人并且在焊接及裝配時(shí)的誤差會(huì)引起機(jī)械缺陷.抵抗扭矩,支架需要非常堅(jiān)固,導(dǎo)致重量較大,f有人提出使用木質(zhì)支架(圖8)的構(gòu)想.圖8木質(zhì)支架結(jié)構(gòu)這種支架的骨架由20根肋骨組成,骨架制作完將鋁板反射板置于其上(圖9),由于使用

11、的是金射板,與目前使用金屬的支架相比,該支架的將降低8%10%,但有其優(yōu)勢:(1)無論是在,組裝以及長期使用的過程中都不會(huì)擔(dān)心玻璃,安全性能大大提高;(2)金屬反射板可以為結(jié)構(gòu)提供良好的靜止反彈力,從而在不降低其的情況下減少投資;(3)重量大大減輕,減少動(dòng)力.圖10三種形態(tài)金屬支架!二!望筻I!墊絲相同風(fēng)力下?lián)隙葘Ρ瓤睂忯?#39;對這三種形態(tài)的金屬支架進(jìn)行有限元分析后得到如下結(jié)論,詳見表1.表1三種形態(tài)金屬支架有限元分析結(jié)果季革(kg)105895?1用鬯登3255.548(剩余/裝載)(%)r'皇的10.5最大撓度(ram)最的(mr(mrad)4.15最大撓度)最大扭矩(mrad

12、).的4.4最大扭矩(mrad)(三)各種支架應(yīng)用工程木質(zhì)結(jié)構(gòu)的支架目前正處于試驗(yàn)階段,還沒有了,因而在很多工程上都得到了應(yīng)用:在SEGS電站大量應(yīng)用了中間有空隙的支架結(jié)構(gòu)和扭管式支架結(jié)構(gòu),其中SEGSISEGSVII應(yīng)用的是扭管式支架,在SEGSVIISEGSIX應(yīng)用的是有空隙的支架結(jié)構(gòu);在DISS工程中應(yīng)用的也是有空隙的支架結(jié)構(gòu);在INDITEP,SEGSV,Andasol等工程中都應(yīng)用的是ET扭矩盒式支架結(jié)構(gòu).四我們開展的工作目前,我們在高反射,低成本槽形聚光器技術(shù)方面開展了許多工作,主要包括拋物面鏡面成型技術(shù)和機(jī)架制備技術(shù).1拋物面鏡面成型技術(shù)反射鏡面將采用兩種方案:鍍銀玻璃鏡和室外級(jí)

13、反光鋁板.一一一卜SOLARENERGY9/2007經(jīng)驗(yàn).經(jīng)過與制鏡,玻璃等生產(chǎn)廠家的共同開發(fā),曲面鍍銀鏡的設(shè)備已在設(shè)計(jì)中.具體技術(shù)路線為:平板超白玻璃一熱彎磁控濺射鍍銀保護(hù)涂層.(2)室外級(jí)反光鋁板.國內(nèi)尚無生產(chǎn)企業(yè),經(jīng)過與鋁板生產(chǎn)廠家的共同開發(fā),室外級(jí)反光鋁板即將國產(chǎn)化.兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn):鍍銀玻璃鏡反光率高(大于9O%),但安全性差;室外級(jí)反光鋁板則正好相反,種方案將在系統(tǒng)中同時(shí)采用,為將來槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)推廣積累經(jīng)驗(yàn).2機(jī)架制備技術(shù)規(guī)格的機(jī)架(圖12).目前已設(shè)計(jì)了可在6級(jí)風(fēng)下正常使用,抵御8級(jí)大風(fēng)的機(jī)架結(jié)構(gòu).圖12玻璃鏡面結(jié)構(gòu)示意圖3聚光器技術(shù)具體參數(shù):(1)聚光比8O;技術(shù)轉(zhuǎn)讓

14、信息(2)反射率:玻璃鏡面大于90%;鋁鏡面大于85%:(3)抗風(fēng)能力:6級(jí)風(fēng)下正常使用,抵御8級(jí)大風(fēng);(4)驅(qū)動(dòng)能耗:小于發(fā)電總量的10%;(5)壽命:2O年.為了按時(shí),保質(zhì)完成南京的100kW槽式太陽能熱發(fā)電站項(xiàng)目(南京市科技計(jì)劃項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào):200701034),目前,我們在張耀明院士帶領(lǐng)下,在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開拓思路,力爭做出更好的聚參考文獻(xiàn)(1)SKALETDemoLoopDesign:2002.10.10.(2)JorgeVazquez,MiguelDomingo.SERPJAB0U_CTR0UGHc0LLECT0RDESIGNANDTESTlING.SolarPA(衛(wèi)S2

15、0o6A2一S3.DOCS/GENERAL/FILEcwe83f79O56b754d8db9lb/PARAB0LICTR0UGHC0LLECT0R.pdf.LECT0RWITHSELFCARRYINGREFLECT0RSKIN.SolarPACES2OH06A1一S1.(4)EUROTroughProgressand"NEXTrough"OpportunitiesforanEuroAmericanTroughAllianeeC.Madison,June18,2000.DEVELOPM|ENTFORPARAB0LICTR0UGHPOWERPLANTSSymposiumJune2023,2006Seville,Spain.模塊化可翻轉(zhuǎn)太陽能集熱器我公司通過總結(jié)多年推廣太陽能熱水器的檢驗(yàn),研制出一種新型實(shí)用合理的與建筑完美結(jié)合的一體化,模塊化,可翻轉(zhuǎn)太陽能集熱器,并獲國家專利局實(shí)用新型專利,專利號(hào)ZL200620073882.5.這種集熱器無需安裝于屋頂或陽臺(tái)外的壁墻上,而是安裝在陽臺(tái)玻璃窗下方的墻體中,既解決安裝的安全問題,又可解決