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• 關鍵詞：                                                                太陽能                                                                定日鏡                                                                電機旋轉位置

• 摘要：塔式太陽能聚焦光熱蓄能發電的原理,是通過地面展開的很多個反射鏡旋轉追蹤太陽軌跡,將太陽光反射聚焦匯聚到中心塔頂太陽能收集裝置，接收器的高度從幾十米到上百米，聚焦太陽光用以產生高溫熱能。自20世紀80年代以來，美國、西班牙、意大利等國相繼建立起不同形式的示范裝置，有力地促進了熱發電技術的發展。

　　前言：

　　塔式太陽能聚焦光熱蓄能發電的原理,是通過地面展開的很多個反射鏡旋轉追蹤太陽軌跡,將太陽光反射聚焦匯聚到中心塔頂太陽能收集裝置，接收器的高度從幾十米到上百米，聚焦太陽光用以產生高溫熱能。利用太陽能加熱收集裝置內的傳熱介質,(例如加熱鹽類融化),熱介質通過蓄能、管道介質傳導、熱介質交換等等，再加熱水形成蒸汽，直接帶動發電機發電。與基于直流發電的太陽能光伏發電不同，塔式太陽能聚焦光熱蓄能發電的突出優點，一是發電為傳統發電機模式的交流電，可直接并網，上網效率高成本低，與光伏直流發電比較省掉了直流到交流逆變器成本與轉換效率浪費；其次，其熱蓄能方式為融化的低成本的鹽類（與光伏發電的電池蓄能比較），熱交換時間可控，可在多云雨天和夜晚繼續發電，而可控發電上傳并網時間。因此，塔式太陽能聚焦光熱蓄能發電系統的度電成本在太陽能發電種類中最低，發電時間可控，是最有希望成為成熟技術的建立規模化發電廠可能。自20世紀80年代以來，美國、西班牙、意大利等國相繼建立起不同形式的示范裝置，有力地促進了熱發電技術的發展。

　　一、塔式太陽能熱發電系統原理

　　塔式 CSP(Concentrating Solar Power) 電站的聚光系統由數以千計帶有雙軸太陽追蹤系統的反射鏡陣列（稱為定日鏡）、一座（或數座）中央集熱塔、集能器、蓄熱器、發電機組等五個主要部分構成。塔式太陽能發電由成千上萬面雙軸太陽追蹤系統的反射鏡陣列將太陽光聚焦到中央接收器上，接收器將聚集的太陽輻射能轉化為熱能，然后再將熱能傳遞給熱力循環工具，驅動熱機做功發電。塔式電站的優點一是聚光倍數高，容易達到較高的工作溫度，陣列中的定日鏡數目越多，其聚光比越大，最高可達1 :500，運行溫度可達1 000℃～1 500℃，使其年度發電效率可以達到17%~20%，并且由于管路循環系統較槽式系統簡單得多，提高效率和降低成本的潛力都比較大。

　　二、塔式太陽能熱發電系統主要組件定日鏡與追日反射系統簡介

　　定日鏡

　　定日鏡是塔式太陽能熱發電系統中的關鍵設備。定日鏡場的設計是塔式太陽能熱發電系統設計的重要環節之一，設計良好的定日鏡場可以從整體上降低發電成本，是太陽能熱發電走向實用化的基礎之一。定日鏡主要由平面反射鏡與轉角仰角雙軸驅動的跟蹤機構組成，反射鏡面鍍銀并涂保護層，反射鏡安裝在反光鏡托架上。定日鏡分布在塔的周圍，組成龐大的定日鏡場，其聚光面積非常大，所以塔式太陽能集熱裝置聚光比很高，聚光倍數可以達到數百倍至上千倍，可以使得接收器工作溫度達到千℃以上。定日鏡照片見圖3。

塔式太陽能熱發電系統的定日鏡

塔式太陽能熱發電系統的定日鏡

　　塔式太陽能熱發電站的定日鏡系統建設需要考慮和注意的問題有：機械碰撞問題、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等。

　　定日鏡的追日跟蹤反射系統：

　　每個定日鏡位置控制系統裝有GPS定位與定時傳感器，從GPS獲得當地的經度緯度與當地當前時間，并與國際天文協會組織聯網接收其提供確定當地經度緯度下當前時間的太陽入射角度，這樣的資訊可以與有關國際天文協會合作，提前一天通過網絡預先獲得保存在控制器內，并在控制系統中提前計算好白天每個時間點的定日鏡對日反射角度。定日鏡每天在太陽落山之后可以平伏歸位，將計算第二日的轉動軌跡每個時間點角度，這樣既可以避免晚間的大風雨水對鏡面的損耗，延長鏡面使用壽命，同時還可以對于控制系統的位置每日有一個起始點位置校準，在第二天的太陽開始升起時，從起始點位置開始和控制器了提前計算好的對日反射角度軌跡，驅動轉動定日鏡的轉角和仰角兩臺電機，與安裝在電機上檢測角度的編碼器位置反饋信號比較，到達在預定的一個時間與一個對應的停止位置點。這樣根據預先了解的太陽軌跡改變定日鏡的反射角度，稱為“追日跟蹤位置控制系統”。

　　三，檢測驅動電機旋轉位置的編碼器

　　定日鏡控制系統的關鍵核心，是半開環半閉環的立體角度控制，其對太陽光角度的獲取與到位是開環的，提前獲得當地太陽軌跡位置與計算每個時間段的反射角度；而控制器雙軸驅動的轉角仰角到達這樣提前計算的角度位置是閉環控制，根據位置傳感器——編碼器的反饋位置比較電機的驅動執行。這樣的目的是控制造價成本與運營維護成本，高精密的動態隨動系統隨時捕捉太陽光角度的一次投入成本和運行維護成本對于這樣數千片的定日鏡控制系統成本偏高，而不宜使用，隨之代替的是堅實耐用的回轉裝置，由減速電機驅動，并由兩個高可靠性低成本的增量編碼器作為轉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， 高防護等級的密封特性。由于大部分工作在戶外沙漠地區，對于風沙和因高溫差變化引起的吸入式水氣侵入的防護特別的重要，因此對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。外殼的防護等級必須在IP67或以上，轉軸的防護等級必須在IP64或以上。

　　2， 寬電源與電氣保護。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，并具有反接保護過壓保護，以防止戶外的雷電感應沖擊。

　　3， 輸出信號的穩定可靠性，由于是選用較低成本的增量脈沖信號的編碼器，且工作電源為較低的5V，信號輸出也僅僅是5V的推挽式，信號電纜較長的可能達到5—10米，這對于增量信號輸出的可靠穩定性有很高的要求，要求在整個白天工作期間的沒有丟脈沖。這樣的增量編碼器的信號輸出會要求經過嚴格的實驗測試，達到抗干擾穩定輸出的電氣特性。（歐盟檢測機關的CE電磁兼容性認證）。

　　4， 寬溫度范圍。沙漠地區的溫差很大，一般要求編碼器的溫度范圍達到 -25℃——80℃。

　　5， 抗震動沖擊等級。由于空曠場地的大風振動可能，要求編碼器的抗振動沖擊等級較高，包裝盒內六面一米跌落無損。

　　6， 最關鍵的是低價格和較長時間的質保期。之所以沒有選擇更可靠合理的絕對值多圈編碼器，也是因為此項應用的低成本要求。數千個定日鏡，每個定日鏡需要兩個編碼器，這樣規模的成本壓力下，接近于免維護的信號可靠且低成本的增量編碼器是第一選擇。

　　7， 型號GI58增量編碼器恰巧是一款符合上述所有要求的編碼器， 2013-至今已超過一萬個GI58增量編碼器投入在太陽能跟蹤定日鏡應用，已在國外太陽能光熱聚焦反射板定日跟蹤、太陽能光伏定日跟蹤項目中應用（例如南非西開普省Touwsrivier項目、德國、沙特示范性應用項目、中國哈密弗光電站等）由采購廠商美國KINEMATICS（美國凱邁）、法國Soitec公司項目采購。

　　塔式太陽能熱發電系統的經濟效益分析

　　目前各國政府對 CSP 發展的態度，以及對技術路線選擇的傾向性基本一致：即同時支持技術成熟穩定的槽式系統和效率更高的塔式系統。相對于槽式系統的“線聚光”，采用“點聚光”的塔式系統能夠具有更高的能量轉換效率，其技術也逐漸獲得認可，采用這項技術的多座商用電站（或大型實驗電站）已于近幾年建成。

　　塔式太陽能熱發電系統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地的成本、蓄熱系統成本等。其中定日鏡由于數量多，占地面積大，其投資成本在整個塔式熱發電系統總成本中占有較大的比例，因此這一部分投資成本和維護成本的控制，也是這樣應用推廣的核心問題。塔式太陽能熱發電系統將是近期在世界范圍內推進太陽能熱發電系統商業化應用的突破口和重點。其中聚光裝置作為太陽能熱發電系統投資最大的核心設備之一，提高其可靠性、穩定性和跟蹤精度及降低成本是今后塔式太陽能熱發電技術重點，對實行太陽能熱發電商業化運行具有重大意義。