關(guān)鍵詞：
太陽(yáng)能
定日鏡
電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置
摘要：塔式太陽(yáng)能聚焦光熱蓄能發(fā)電的原理,是通過(guò)地面展開(kāi)的很多個(gè)反射鏡旋轉(zhuǎn)追蹤太陽(yáng)軌跡,將太陽(yáng)光反射聚焦匯聚到中心塔頂太陽(yáng)能收集裝置，接收器的高度從幾十米到上百米，聚焦太陽(yáng)光用以產(chǎn)生高溫?zé)崮堋Ｗ?0世紀(jì)80年代以來(lái)，美國(guó)、西班牙、意大利等國(guó)相繼建立起不同形式的示范裝置，有力地促進(jìn)了熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。
前言：
塔式太陽(yáng)能聚焦光熱蓄能發(fā)電的原理,是通過(guò)地面展開(kāi)的很多個(gè)反射鏡旋轉(zhuǎn)追蹤太陽(yáng)軌跡,將太陽(yáng)光反射聚焦匯聚到中心塔頂太陽(yáng)能收集裝置，接收器的高度從幾十米到上百米，聚焦太陽(yáng)光用以產(chǎn)生高溫?zé)崮堋＠锰?yáng)能加熱收集裝置內(nèi)的傳熱介質(zhì),(例如加熱鹽類(lèi)融化),熱介質(zhì)通過(guò)蓄能、管道介質(zhì)傳導(dǎo)、熱介質(zhì)交換等等，再加熱水形成蒸汽，直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。與基于直流發(fā)電的太陽(yáng)能光伏發(fā)電不同，塔式太陽(yáng)能聚焦光熱蓄能發(fā)電的突出優(yōu)點(diǎn)，一是發(fā)電為傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)模式的交流電，可直接并網(wǎng)，上網(wǎng)效率高成本低，與光伏直流發(fā)電比較省掉了直流到交流逆變器成本與轉(zhuǎn)換效率浪費(fèi)；其次，其熱蓄能方式為融化的低成本的鹽類(lèi)（與光伏發(fā)電的電池蓄能比較），熱交換時(shí)間可控，可在多云雨天和夜晚繼續(xù)發(fā)電，而可控發(fā)電上傳并網(wǎng)時(shí)間。因此，塔式太陽(yáng)能聚焦光熱蓄能發(fā)電系統(tǒng)的度電成本在太陽(yáng)能發(fā)電種類(lèi)中最低，發(fā)電時(shí)間可控，是最有希望成為成熟技術(shù)的建立規(guī)模化發(fā)電廠可能。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，美國(guó)、西班牙、意大利等國(guó)相繼建立起不同形式的示范裝置，有力地促進(jìn)了熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。
一、塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)原理
塔式 CSP(Concentrating Solar Power) 電站的聚光系統(tǒng)由數(shù)以千計(jì)帶有雙軸太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的反射鏡陣列（稱(chēng)為定日鏡）、一座（或數(shù)座）中央集熱塔、集能器、蓄熱器、發(fā)電機(jī)組等五個(gè)主要部分構(gòu)成。塔式太陽(yáng)能發(fā)電由成千上萬(wàn)面雙軸太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的反射鏡陣列將太陽(yáng)光聚焦到中央接收器上，接收器將聚集的太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，然后再將熱能傳遞給熱力循環(huán)工具，驅(qū)動(dòng)熱機(jī)做功發(fā)電。塔式電站的優(yōu)點(diǎn)一是聚光倍數(shù)高，容易達(dá)到較高的工作溫度，陣列中的定日鏡數(shù)目越多，其聚光比越大，最高可達(dá)1 :500，運(yùn)行溫度可達(dá)1 000℃～1 500℃，使其年度發(fā)電效率可以達(dá)到17%~20%，并且由于管路循環(huán)系統(tǒng)較槽式系統(tǒng)簡(jiǎn)單得多，提高效率和降低成本的潛力都比較大。
二、塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要組件定日鏡與追日反射系統(tǒng)簡(jiǎn)介
定日鏡
定日鏡是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。定日鏡場(chǎng)的設(shè)計(jì)是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一，設(shè)計(jì)良好的定日鏡場(chǎng)可以從整體上降低發(fā)電成本，是太陽(yáng)能熱發(fā)電走向?qū)嵱没幕A(chǔ)之一。定日鏡主要由平面反射鏡與轉(zhuǎn)角仰角雙軸驅(qū)動(dòng)的跟蹤機(jī)構(gòu)組成，反射鏡面鍍銀并涂保護(hù)層，反射鏡安裝在反光鏡托架上。定日鏡分布在塔的周?chē)M成龐大的定日鏡場(chǎng)，其聚光面積非常大，所以塔式太陽(yáng)能集熱裝置聚光比很高，聚光倍數(shù)可以達(dá)到數(shù)百倍至上千倍，可以使得接收器工作溫度達(dá)到千℃以上。定日鏡照片見(jiàn)圖3。
塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的定日鏡
塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的定日鏡
塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的定日鏡系統(tǒng)建設(shè)需要考慮和注意的問(wèn)題有：機(jī)械碰撞問(wèn)題、陰影和阻擋損失，衰減損耗、定日鏡的排布與布置方式以及定日鏡的跟蹤與傳動(dòng)等。
定日鏡的追日跟蹤反射系統(tǒng)：
每個(gè)定日鏡位置控制系統(tǒng)裝有GPS定位與定時(shí)傳感器，從GPS獲得當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度緯度與當(dāng)?shù)禺?dāng)前時(shí)間，并與國(guó)際天文協(xié)會(huì)組織聯(lián)網(wǎng)接收其提供確定當(dāng)?shù)亟?jīng)度緯度下當(dāng)前時(shí)間的太陽(yáng)入射角度，這樣的資訊可以與有關(guān)國(guó)際天文協(xié)會(huì)合作，提前一天通過(guò)網(wǎng)絡(luò)預(yù)先獲得保存在控制器內(nèi)，并在控制系統(tǒng)中提前計(jì)算好白天每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的定日鏡對(duì)日反射角度。定日鏡每天在太陽(yáng)落山之后可以平伏歸位，將計(jì)算第二日的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡每個(gè)時(shí)間點(diǎn)角度，這樣既可以避免晚間的大風(fēng)雨水對(duì)鏡面的損耗，延長(zhǎng)鏡面使用壽命，同時(shí)還可以對(duì)于控制系統(tǒng)的位置每日有一個(gè)起始點(diǎn)位置校準(zhǔn)，在第二天的太陽(yáng)開(kāi)始升起時(shí)，從起始點(diǎn)位置開(kāi)始和控制器了提前計(jì)算好的對(duì)日反射角度軌跡，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)定日鏡的轉(zhuǎn)角和仰角兩臺(tái)電機(jī)，與安裝在電機(jī)上檢測(cè)角度的編碼器位置反饋信號(hào)比較，到達(dá)在預(yù)定的一個(gè)時(shí)間與一個(gè)對(duì)應(yīng)的停止位置點(diǎn)。這樣根據(jù)預(yù)先了解的太陽(yáng)軌跡改變定日鏡的反射角度，稱(chēng)為“追日跟蹤位置控制系統(tǒng)”。
三，檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置的編碼器
定日鏡控制系統(tǒng)的關(guān)鍵核心，是半開(kāi)環(huán)半閉環(huán)的立體角度控制，其對(duì)太陽(yáng)光角度的獲取與到位是開(kāi)環(huán)的，提前獲得當(dāng)?shù)靥?yáng)軌跡位置與計(jì)算每個(gè)時(shí)間段的反射角度；而控制器雙軸驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)角仰角到達(dá)這樣提前計(jì)算的角度位置是閉環(huán)控制，根據(jù)位置傳感器——編碼器的反饋位置比較電機(jī)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行。這樣的目的是控制造價(jià)成本與運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，高精密的動(dòng)態(tài)隨動(dòng)系統(tǒng)隨時(shí)捕捉太陽(yáng)光角度的一次投入成本和運(yùn)行維護(hù)成本對(duì)于這樣數(shù)千片的定日鏡控制系統(tǒng)成本偏高，而不宜使用，隨之代替的是堅(jiān)實(shí)耐用的回轉(zhuǎn)裝置，由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并由兩個(gè)高可靠性低成本的增量編碼器作為轉(zhuǎn)角仰角位置的反饋傳感器。
定日鏡所用角度傳感器的核心，是高可靠性接近免維護(hù)而且還要低成本的增量編碼器。其所需的可靠性要求包括如下：
1， 高防護(hù)等級(jí)的密封特性。由于大部分工作在戶外沙漠地區(qū)，對(duì)于風(fēng)沙和因高溫差變化引起的吸入式水氣侵入的防護(hù)特別的重要，因此對(duì)于編碼器的外殼封裝要求不可以有一顆螺絲擰緊式封裝，而是金屬外殼的一次性擠壓式密封，構(gòu)成編碼器外殼與底座的同材料一體化，并抗氧化。外殼的防護(hù)等級(jí)必須在IP67或以上，轉(zhuǎn)軸的防護(hù)等級(jí)必須在IP64或以上。
2， 寬電源與電氣保護(hù)。由于功耗的要求，此編碼器的工作電壓是5V，但是編碼器所需的供桌電壓范圍是5到30Vdc，并具有反接保護(hù)過(guò)壓保護(hù)，以防止戶外的雷電感應(yīng)沖擊。
3， 輸出信號(hào)的穩(wěn)定可靠性，由于是選用較低成本的增量脈沖信號(hào)的編碼器，且工作電源為較低的5V，信號(hào)輸出也僅僅是5V的推挽式，信號(hào)電纜較長(zhǎng)的可能達(dá)到5—10米，這對(duì)于增量信號(hào)輸出的可靠穩(wěn)定性有很高的要求，要求在整個(gè)白天工作期間的沒(méi)有丟脈沖。這樣的增量編碼器的信號(hào)輸出會(huì)要求經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，達(dá)到抗干擾穩(wěn)定輸出的電氣特性。（歐盟檢測(cè)機(jī)關(guān)的CE電磁兼容性認(rèn)證）。
4， 寬溫度范圍。沙漠地區(qū)的溫差很大，一般要求編碼器的溫度范圍達(dá)到 -25℃——80℃。
5， 抗震動(dòng)沖擊等級(jí)。由于空曠場(chǎng)地的大風(fēng)振動(dòng)可能，要求編碼器的抗振動(dòng)沖擊等級(jí)較高，包裝盒內(nèi)六面一米跌落無(wú)損。
6， 最關(guān)鍵的是低價(jià)格和較長(zhǎng)時(shí)間的質(zhì)保期。之所以沒(méi)有選擇更可靠合理的絕對(duì)值多圈編碼器，也是因?yàn)榇隧?xiàng)應(yīng)用的低成本要求。數(shù)千個(gè)定日鏡，每個(gè)定日鏡需要兩個(gè)編碼器，這樣規(guī)模的成本壓力下，接近于免維護(hù)的信號(hào)可靠且低成本的增量編碼器是第一選擇。
7， 型號(hào)GI58增量編碼器恰巧是一款符合上述所有要求的編碼器， 2013-至今已超過(guò)一萬(wàn)個(gè)GI58增量編碼器投入在太陽(yáng)能跟蹤定日鏡應(yīng)用，已在國(guó)外太陽(yáng)能光熱聚焦反射板定日跟蹤、太陽(yáng)能光伏定日跟蹤項(xiàng)目中應(yīng)用（例如南非西開(kāi)普省Touwsrivier項(xiàng)目、德國(guó)、沙特示范性應(yīng)用項(xiàng)目、中國(guó)哈密弗光電站等）由采購(gòu)廠商美國(guó)KINEMATICS（美國(guó)凱邁）、法國(guó)Soitec公司項(xiàng)目采購(gòu)。
塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析
目前各國(guó)政府對(duì) CSP 發(fā)展的態(tài)度，以及對(duì)技術(shù)路線選擇的傾向性基本一致：即同時(shí)支持技術(shù)成熟穩(wěn)定的槽式系統(tǒng)和效率更高的塔式系統(tǒng)。相對(duì)于槽式系統(tǒng)的“線聚光”，采用“點(diǎn)聚光”的塔式系統(tǒng)能夠具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，其技術(shù)也逐漸獲得認(rèn)可，采用這項(xiàng)技術(shù)的多座商用電站（或大型實(shí)驗(yàn)電站）已于近幾年建成。
塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的總投資成本由各部分投資成本之和組成。包括定日鏡的成本、接收器的成本、接收塔的成本以及場(chǎng)地的成本、蓄熱系統(tǒng)成本等。其中定日鏡由于數(shù)量多，占地面積大，其投資成本在整個(gè)塔式熱發(fā)電系統(tǒng)總成本中占有較大的比例，因此這一部分投資成本和維護(hù)成本的控制，也是這樣應(yīng)用推廣的核心問(wèn)題。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)將是近期在世界范圍內(nèi)推進(jìn)太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)商業(yè)化應(yīng)用的突破口和重點(diǎn)。其中聚光裝置作為太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)投資最大的核心設(shè)備之一，提高其可靠性、穩(wěn)定性和跟蹤精度及降低成本是今后塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)，對(duì)實(shí)行太陽(yáng)能熱發(fā)電商業(yè)化運(yùn)行具有重大意義。
