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光热发电塔式镜场技术


镜场设计亮点:
•设计尺寸适中
镜场排布效率、结构抗风要求与控制节点数的平衡
•无遮挡环形排布
排布规则简单,工程测设难度大大降低,占地率高出国际平均水平48%。
•分层网络控制与供电策略
采用了上位机、中继控制器、驱动控制器分层控制结构,网络带宽占用少,兼顾了点对点和集群控制等多种工况
采用了交流供电主线进场的策略,供电线损更少,变压器件更少更可靠


生产与安装亮点:
•组件化的结构设计
大镜框、子镜、传动箱、弧形导轨、立柱和底座都是通过专用机床和生产线实现精确定位、焊接、打孔、组装,最高限度地保证产品一致性
•误差源控制与检测
在生产的每个环节将与聚光追日密切相关的误差控制在设计范围之内,并将重要误差数据通过精密的检测装置记录以供镜场运营修正参考
•便捷的野外测量定位
定日镜在工程用地就近的厂房内整体组装后,通过专用吊装夹具定位到指定位置焊接固定,不需要做任何调校即可工作,设备相对于大地的绝对坐标通过便捷的棱镜工装和全站仪测量
塔上的BCS系统不再参与耗时数年的校正工作,而仅仅用以发现设备故障


维护亮点:
•镜面翻转朝下设计减缓洁净度降低速度
•定制的半自动镜面无水清洁设备提升清洗效率,降低了人工成本




塔式定日镜


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。


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㎡
镜面反射率
0.93
滚转轴减速比
750
俯仰轴减速比
400
工作电压
36V
控制网络 工业以太网
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℃
定日镜追日精度 2mrad



我们的优势:
•独特转动方式
创新的滚转角-俯仰角旋转追日设计,结构更加稳定,镜场排布原则简单,光效率更高,工作转角范围更小更省电
盐城镜场实测的单镜小时平均功耗为5.2Wh,折合电厂自用电不到千分之四
•百叶窗式的子镜结构
定日镜光斑单日内无自转无变形,稳定的光斑利于吸热器设计与控制,运营策略更简单,统计风抗小,降低瞬态扰动
盐城镜场经历了2015年数次台风,依然精准运行
•通用的小型驱动机构
巧妙的传动设计使得两套通用的步进电机和减速机即可驱动10平米200kg重的定日镜结构,通用配件成本更低,备件与维修更方便
盐城镜场使用的是通用的86步进电机和与之配套的小型行星减速机,运行半年时间无成批质量问题和堵转故障
•编码器闭环控制
减速机出轴设置了户外型光学编码器,追日精度更高,自适应保证零回差
盐城镜场日常单镜校光测试得到的平均追日精确度达到1mrad以内
•性价比高
综合优化后的定日镜单位镜面用钢量、驱动成本、控制器成本、批量加工成本、现场调试成本、运营维护成本都低于国际平均水平,使得塔式电站具有更低的LCOE
盐城镜场单位镜面用钢量约34kg,推演得到大型电站LCOE更低




镜场控制技术




自主研发的镜场控制系统技术,使整个镜场运行更贴近设计,以达到最好的效果。

→ 采用创新的工业现场总线技术,并结合先进的工业以太网技术,实现全镜场的全数字化管理。
→ 采用先进的控制技术,保证镜场每个镜面的精确控制,达到o.o1度的控制精度,保证光能的利用率。
→ 先进的电源管理技术,降低自身控制系统的功率消耗,从而进一步提高电厂整体效率。
→ 后备发电机组及UPS后备电源,保证极端灾难情况下的系统安全。
→ 采用分布式电源系统,进一步控制风险范围,较小系统风险。
→ 通讯系统的冗余技术,保证镜场信息系统的安全畅通。
→ 镜场计算机管理系统的冗余技术,保证计算机系统的可靠管理。
→ 完善的全场避险策略,保证风暴、冰雹、雨雪环境下系统安然无恙。




二次反射技术



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㎡。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。




熔盐吸热器


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。

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;
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;
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。