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光热发电 二次反射技术 江苏鑫晨光热技术有限公司

1 江苏鑫晨光热技术有限公司 ――专业光热发电镜场系统集成商 公司致力于为光热发电项目业主提供专业的塔式镜场集成服务,包括:

1、 镜场系统设计;

2、 定日镜产品方案;

3、 定日镜生产安装解决方案;

4、 镜场控制系统;

5、 全镜场调试.

6、塔式二次反射技术(含镜场与熔盐吸热器)

2014 年底公司成功承建了全球当前最大规模的塔式熔盐二次反射系统示范系统, 公司设计、生产、安装、调试全部镜场系统和塔和吸热器系统. 工作中的二次反射镜场与熔盐吸热器

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一、 产品方案 (1) 塔式定日镜技术 定日镜的作用是收集太阳辐射能并将其汇聚到吸热器处, 它由按一定方式排 列的可绕双轴跟踪的定日镜组成, 每个定日镜通过绕轴转动跟踪太阳并将辐射到 其表面的太阳能反射到塔上的设定位置. 传统的定日镜上、多是采用矩形镜面,跟踪太阳的移动.每个定日镜都可以 通过二维独立的控制机构, 绕着一个固定轴和与之相垂直的旋转轴旋转,以随时 跟踪太阳位置的变化,从而将太阳辐射能反射到吸热器这一固定目标上. 我们在传统定日镜的基础上,进一步优化,研发出新一代,具备自主知识产 权的塔式定日镜 P2 系列.新型的 P2 系列定日镜采用了多轴联动二维旋转方式, 实现了单个电机同时控制多个镜面, 采用

2 个新的旋转角度方式来阐述定日镜的 三维运动.有效降低了系统风抗. P2 系列定日镜主要由

4 部分组成: 支架系统;

镜面系统;

传动系统;

控制系统. P2 系列定日镜的参数如下: 定日镜型号 P2-2 外形尺寸(LWH) 5.2m*2.2m*1.3m 钢结构总重量 330kg 有效镜面面积 9.6 O 镜面反射率 0.93 滚转轴减速比

1070 3 俯仰轴减速比

139 工作平均功率(2 台86 步进电机) 5.2W 工作风速 15m/s 生存风速 25m/s 工作环境温度 -40~65℃ 太阳能热发电电站的 P2-2 型定日镜 P2 系列定日镜的特点 ? 独特转动方式――排布原则简单,光效率更高 ? 工厂模块化生产――安装调试便捷,误差源更少 ? 百叶窗式结构――统计风抗小,降低瞬态扰动 ? 光斑稳定――提升吸热器安全性,降低运营风险 ? 尺寸适中――结构抗风要求与控制节点数的平衡 (2) 镜场设计技术 在定日镜场的设计过程中, 要充分考虑不同跟踪方式下定日镜自由旋转所需 要的空间大小, 以避免相邻定日镜之间的碰撞.为将太阳光反射到固定目标上, 定日镜表面不可能与入射光线垂直,会产生一定的角度. 余弦损失就是由于这种 倾斜所导致的定日镜表面面积相对于太阳光可见面积的减少而产生的, 其大小与 定日镜表面法线方向与太阳入射光线之间的夹角的余弦成正比.

4 阴影损失发生在当定日镜的反射面处于相邻一个或多 个定日镜的阴影下, 而不能接收到太阳辐射能的情况.当太阳入射光线与水平面 的夹角越小时, 此损失较严重.吸热塔或其他物体的遮挡也可能对定日镜场造成 一定的阴影损失. 当定日镜虽未处于阴影区下, 但其反射的太阳辐射能因相邻定日镜背面的遮 挡而不能被接收器接收所造成的损失称为遮挡损失. 阴影和遮挡损失的大小与太 阳能接收的时间和定日镜自身所处的位置有关, 主要是通过相邻定日镜沿太阳投 射光线方向或沿向塔上吸热器反射光线方向上在所计算定日镜上的投影来进行 计算. 通常要考虑与之相邻的多个定日镜对所计算定日镜造成的阴影和遮挡损失, 而对部分定日镜来说, 可能会有阴影和遮挡损失发生重叠的情况,在计算过程中 需加以考虑. 在总结国内外镜场布置的基础上,公司研制开发出新的镜场布置方式,该布 置方式属于环形布置方式.以下以采用二次反射技术的镜场设计为例说明. 镜场设计边界条件: 环境温度-40℃~65℃;

工作风速 15m/s, 生存风速 25m/s, 耐风沙,雷、冰雹,等自然气候;

空气湿度在 5%RH~90%RH,有凝露及空气中腐 蚀性成分等边界因素. 依据上述设计边界条件, 最终确定的定日镜面积约为 10m2 . 二次反射塔布置在镜场中央,13.8MWt 定日镜场如下图.

5 镜场的大小主要根据光资源数据,依据能量平衡的原则而设置.镜场投入到 吸热器上能量估算方法: 其中,Ef 为镜场投入到吸热器上的能量 Nm 为定日镜数目 Sm 为定日镜面积 ηf 为镜场效率 ηcln 为镜面洁净度 ηref 为镜面反射率 ηr 为吸热器截断效率 经初步计算, 在某地区该 13.8MWt 定日镜场需

3987 套定日镜, 镜场半径约 200m. (3) 二次反射塔技术

6 上图为二次反射的宏观光学原理图. 理想的二次反射面为一个单侧旋转双曲 面,平行的太阳光经定日镜场汇聚到二次反射面上空的虚焦点,经双曲面反射后 再汇聚到近地面的下焦点. 显而易见, 在工程上制造这样理想化的二次反射面是没有经济性的,而在非 成像光学上证明也是没有必要的.我们采用自主知识产权的双曲面离散化技术, 利用了菲涅尔化原理对二次反射面进行工程化设计. 最终形成了如下图所见的二 次反射镜面系统. 它具备以下几个特点:

1、模块化的反射镜组设计,便于分组拆装,以及更换反射材料;

2、采用高反射率的耐高温的镜面材料.这个材料同时也要求具备较高的表 面硬度用以抵御风沙磨损. 目前该材料采用国际最先进的生产工艺,根据我们的 技术规格要求委托开发生产,属于专用定制材料;

3、二次反射塔采用钢结构三立柱支撑、离散化旋转双曲面反射镜方案,塔高70m,反射镜口径 60m,镜面面积

2414 O.整体钢结构重约 560t,采用螺栓 球网格结构设计, 可在保证结构强度的条件下有效减低风抗.组成旋转双曲面的 离散化反射镜组具有可调节、易拆卸易升降、自动雨水导流、沙尘紧急防护等功 能,以便于离散化的反射镜安装与日常维护,以及抵御恶劣天气.

4、口径 60m 的旋转双曲面被离散成大约

360 片反射镜组,每个镜组由精密 加工镜架结构和连续弯曲的高反射镜面组成.

7 (4) 地面熔盐吸热器技术 熔盐蓄热提供的稳定电力输出是太阳能光热发电相对于其他新能源最大的 技术优势.因此,作为将高倍汇聚的光能转化为熔盐热能的关键设备,吸热器自 然成为光热发电系统中的核心技术. 传统的塔式光热发电大多采用塔顶外部式熔盐吸热器, 但因其在设计、 制造、 安装以及运营维护上的巨大难度, 目前国际上也只有少数几家公司拥有该技术的 工程应用案例. 更因其对光照稳定性的较高要求,目前也只有在美国和西班牙等 几处云量较少的地区应用于商业化项目. 以色列研究人员 Yogev 及Epstein 提出,可改变定日镜场的聚光光路使之向 下(beam-down) ,熔盐吸热器位于地面,在吸热器内形成一定深度的液位直接 吸收太阳辐射能量,提高吸热器的效率. 麻省理工的研究小组对二元硝酸盐(60%硝酸钠-40%硝酸钾)的光学特性进 行了深入研究,获得了大量理论数据.二元硝酸熔盐是一种半透明的光学介质, 太阳光在熔盐中沿光线方向上的能流密度会逐步衰减, 光辐射能量则转化为熔盐 的热能,其衰减规律满足以下方程:

8 450℃时光在二元硝酸熔盐中的衰减系数(蓝线为实验数据,黑线为标准差) 其中,为衰减系数,在400-1000nm 光谱范围内的实验数据如图

3 所示.可见光 在5m 液位深度熔盐中的吸收率可达 99%,光在熔盐中的吸收过程如下图所示. 二元硝酸熔盐具有稳定性好、吸热效率高、换热效率高等优异性能,且价 格便宜、安全无毒,在600℃以下时,几乎不产生蒸汽,操作安全,无需充氮保 护等工艺,非常适合做光热电站的吸热及储能工质. 从原理及工程实施的角度上来看,位于地面的熔盐直接吸热技术具有一无一 高三低的优势: 1. 无熔盐冻堵风险,熔盐直接吸收太阳能辐射,从根本上消除了熔盐在 吸热器中的冻堵风险,保证了电站运行的稳定性;

2. 较高的热效率,吸热器散热面小、对流热损失小、零热阻、光吸收率 可达 99%,理论研究表明光热转换效率可达 90%以上;

3. 设备造价低,吸热器本体为不锈钢

316 钢壳结构,采用流量调节阀控 制进出口流量,技术成熟,设备完全国产化;

9 4. 自用电比例低,使用低扬程两台熔盐泵(一用一备)向吸热器供冷熔 盐,熔盐泵峰值功率仅为 6KW;

5. 运行难度系数低,无需复杂的云策略,夜晚无需排空,在无功率输入 情况下,300 度以上的热熔盐在有保温措施的吸热腔内可存放

8 个小 时无凝结现象;

考虑到中国西北地区云量现状、 中国现有的材料工艺现状以及电站投资安全 性要求, 依托于鑫晨日趋成熟而低成本的二次反射镜场技术,我们开发了适合于 二次反射光学特性的地面熔盐吸热器,如下图所示: 经盐城 300kWt 示范项目的

3 米口径原理样机验证, 400℃的熔盐直接吸收式 吸热器的热损失功率密度约为 9.85kW/O,样机照片和散热数据如下图所示:

10 可推演大型地面熔盐吸热器的集热效率达到 91%以上,且具有强大的防冻堵 和光斑适应能力. 在较大照度梯度下,熔盐在垂直于入射光方向上依然具有极好 的温度均匀性,如下红外热像仪实测图所示: