GEMPLE:塔式太阳能聚光热蓄能发电简介及其定日镜编码器

　　前言：

　　塔式太阳能聚焦光热蓄能发电的原理,是通过地面展开的很多个反射镜旋转追踪太阳轨迹,将太阳光反射聚焦汇聚到中心塔顶太阳能收集装置，接收器的高度从几十米到上百米，聚焦太阳光用以产生高温热能。利用太阳能加热收集装置内的传热介质,(例如加热盐类融化),热介质通过蓄能、管道介质传导、热介质交换等等，再加热水形成蒸汽，直接带动发电机发电。与基于直流发电的太阳能光伏发电不同，塔式太阳能聚焦光热蓄能发电的突出优点，一是发电为传统发电机模式的交流电，可直接并网，上网效率高成本低，与光伏直流发电比较省掉了直流到交流逆变器成本与转换效率浪费；其次，其热蓄能方式为融化的低成本的盐类（与光伏发电的电池蓄能比较），热交换时间可控，可在多云雨天和夜晚继续发电，而可控发电上传并网时间。因此，塔式太阳能聚焦光热蓄能发电系统的度电成本在太阳能发电种类中最低，发电时间可控，是最有希望成为成熟技术的建立规模化发电厂可能。自20世纪80年代以来，美国、西班牙、意大利等国相继建立起不同形式的示范装置，有力地促进了热发电技术的发展。

　　一、塔式太阳能热发电系统原理

　　塔式 CSP(Concentrating Solar Power) 电站的聚光系统由数以千计带有双轴太阳追踪系统的反射镜阵列（称为定日镜）、一座（或数座）中央集热塔、集能器、蓄热器、发电机组等五个主要部分构成。塔式太阳能发电由成千上万面双轴太阳追踪系统的反射镜阵列将太阳光聚焦到中央接收器上，接收器将聚集的太阳辐射能转化为热能，然后再将热能传递给热力循环工具，驱动热机做功发电。塔式电站的优点一是聚光倍数高，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，最高可达1 :500，运行温度可达1 000℃～1 500℃，使其年度发电效率可以达到17%~20%，并且由于管路循环系统较槽式系统简单得多，提高效率和降低成本的潜力都比较大。

　　二、塔式太阳能热发电系统主要组件定日镜与追日反射系统简介

　　定日镜

　　定日镜是塔式太阳能热发电系统中的关键设备。定日镜场的设计是塔式太阳能热发电系统设计的重要环节之一，设计良好的定日镜场可以从整体上降低发电成本，是太阳能热发电走向实用化的基础之一。定日镜主要由平面反射镜与转角仰角双轴驱动的跟踪机构组成，反射镜面镀银并涂保护层，反射镜安装在反光镜托架上。定日镜分布在塔的周围，组成庞大的定日镜场，其聚光面积非常大，所以塔式太阳能集热装置聚光比很高，聚光倍数可以达到数百倍至上千倍，可以使得接收器工作温度达到千℃以上。定日镜照片见图3。

塔式太阳能热发电系统的定日镜

塔式太阳能热发电系统的定日镜

　　塔式太阳能热发电站的定日镜系统建设需要考虑和注意的问题有：机械碰撞问题、阴影和阻挡损失，衰减损耗、定日镜的排布与布置方式以及定日镜的跟踪与传动等。

　　定日镜的追日跟踪反射系统：

　　每个定日镜位置控制系统装有GPS定位与定时传感器，从GPS获得当地的经度纬度与当地当前时间，并与国际天文协会组织联网接收其提供确定当地经度纬度下当前时间的太阳入射角度，这样的资讯可以与有关国际天文协会合作，提前一天通过网络预先获得保存在控制器内，并在控制系统中提前计算好白天每个时间点的定日镜对日反射角度。定日镜每天在太阳落山之后可以平伏归位，将计算第二日的转动轨迹每个时间点角度，这样既可以避免晚间的大风雨水对镜面的损耗，延长镜面使用寿命，同时还可以对于控制系统的位置每日有一个起始点位置校准，在第二天的太阳开始升起时，从起始点位置开始和控制器了提前计算好的对日反射角度轨迹，驱动转动定日镜的转角和仰角两台电机，与安装在电机上检测角度的编码器位置反馈信号比较，到达在预定的一个时间与一个对应的停止位置点。这样根据预先了解的太阳轨迹改变定日镜的反射角度，称为“追日跟踪位置控制系统”。

　　三，检测驱动电机旋转位置的编码器

　　定日镜控制系统的关键核心，是半开环半闭环的立体角度控制，其对太阳光角度的获取与到位是开环的，提前获得当地太阳轨迹位置与计算每个时间段的反射角度；而控制器双轴驱动的转角仰角到达这样提前计算的角度位置是闭环控制，根据位置传感器——编码器的反馈位置比较电机的驱动执行。这样的目的是控制造价成本与运营维护成本，高精密的动态随动系统随时捕捉太阳光角度的一次投入成本和运行维护成本对于这样数千片的定日镜控制系统成本偏高，而不宜使用，随之代替的是坚实耐用的回转装置，由减速电机驱动，并由两个高可靠性低成本的增量编码器作为转角仰角位置的反馈传感器。

　　定日镜所用角度传感器的核心，是高可靠性接近免维护而且还要低成本的增量编码器。其所需的可靠性要求包括如下：

　　1， 高防护等级的密封特性。由于大部分工作在户外沙漠地区，对于风沙和因高温差变化引起的吸入式水气侵入的防护特别的重要，因此对于编码器的外壳封装要求不可以有一颗螺丝拧紧式封装，而是金属外壳的一次性挤压式密封，构成编码器外壳与底座的同材料一体化，并抗氧化。外壳的防护等级必须在IP67或以上，转轴的防护等级必须在IP64或以上。

　　2， 宽电源与电气保护。由于功耗的要求，此编码器的工作电压是5V，但是编码器所需的供桌电压范围是5到30Vdc，并具有反接保护过压保护，以防止户外的雷电感应冲击。

　　3， 输出信号的稳定可靠性，由于是选用较低成本的增量脉冲信号的编码器，且工作电源为较低的5V，信号输出也仅仅是5V的推挽式，信号电缆较长的可能达到5—10米，这对于增量信号输出的可靠稳定性有很高的要求，要求在整个白天工作期间的没有丢脉冲。这样的增量编码器的信号输出会要求经过严格的实验测试，达到抗干扰稳定输出的电气特性。（欧盟检测机关的CE电磁兼容性认证）。

　　4， 宽温度范围。沙漠地区的温差很大，一般要求编码器的温度范围达到 -25℃——80℃。

　　5， 抗震动冲击等级。由于空旷场地的大风振动可能，要求编码器的抗振动冲击等级较高，包装盒内六面一米跌落无损。

　　6， 最关键的是低价格和较长时间的质保期。之所以没有选择更可靠合理的绝对值多圈编码器，也是因为此项应用的低成本要求。数千个定日镜，每个定日镜需要两个编码器，这样规模的成本压力下，接近于免维护的信号可靠且低成本的增量编码器是第一选择。

　　7， 型号GI58增量编码器恰巧是一款符合上述所有要求的编码器， 2013-至今已超过一万个GI58增量编码器投入在太阳能跟踪定日镜应用，已在国外太阳能光热聚焦反射板定日跟踪、太阳能光伏定日跟踪项目中应用（例如南非西开普省Touwsrivier项目、德国、沙特示范性应用项目、中国哈密弗光电站等）由采购厂商美国KINEMATICS（美国凯迈）、法国Soitec公司项目采购。

　　塔式太阳能热发电系统的经济效益分析

　　目前各国政府对 CSP 发展的态度，以及对技术路线选择的倾向性基本一致：即同时支持技术成熟稳定的槽式系统和效率更高的塔式系统。相对于槽式系统的“线聚光”，采用“点聚光”的塔式系统能够具有更高的能量转换效率，其技术也逐渐获得认可，采用这项技术的多座商用电站（或大型实验电站）已于近几年建成。

　　塔式太阳能热发电系统的总投资成本由各部分投资成本之和组成。包括定日镜的成本、接收器的成本、接收塔的成本以及场地的成本、蓄热系统成本等。其中定日镜由于数量多，占地面积大，其投资成本在整个塔式热发电系统总成本中占有较大的比例，因此这一部分投资成本和维护成本的控制，也是这样应用推广的核心问题。塔式太阳能热发电系统将是近期在世界范围内推进太阳能热发电系统商业化应用的突破口和重点。其中聚光装置作为太阳能热发电系统投资最大的核心设备之一，提高其可靠性、稳定性和跟踪精度及降低成本是今后塔式太阳能热发电技术重点，对实行太阳能热发电商业化运行具有重大意义。