太阳能热发电系列文章(16)70kW塔式太阳能热发电系统研究与开发(上)

介绍了南京江宁70kW_e塔式太阳能热发电系统的基本原理与总体思路;对比了太阳能级燃气轮机与普通情况下使用的燃气轮机的差别;从定日镜的光学原理、控制原理等方面出发,阐述设计、制造工作中的做法;并对定日镜场的整体布置提出了一些见解和看法。     

塔式太阳能定日镜聚光成像建模及仿真

根据太阳运行规律和定日镜及靶标位置分析不同日期太阳入射角的变化,在此基础上,根据科丁顿方程对球面定日镜的反射太阳影像进行了理论分析。讨论了定日镜反射聚光的特点,利用光线追踪原理建立了定日镜反射太阳光并与指定受光面相交的计算机近似模型,对定日镜反射太阳影像进行了计算机仿真。仿真得到的光斑大小与理论分析基本一致。     

一种新型极轴跟踪式定日镜的研究

提出一种新型采用轮胎面聚光镜极轴跟踪式定日镜。分析了极轴跟踪式定日镜的跟踪原理,设计了用于该定日镜的轮胎面并分析其聚光性能。结果表明:该定日镜聚光性能较高,能够满足生活热水、太阳炉等应用领域的要求。     

基于二维激光雷达的定日镜清洗车导航避障系统的研究

针对国内外现有塔式太阳能热发电站中存在的无法全自动化清洗定日镜的问题，提出了一种基于二维激光雷达的定日镜清洗车导航避障系统，该系统由清洗车导航系统和激光雷达系统结合而成，利用激光雷达来测量前方定日镜的姿态，从而为清洗车导航系统提供避障保护，以实现清洗车对定日镜的全自动化清洗。首先，建立了地面导航系统坐标系，推导了WGS84坐标系到当地导航系统椭球坐标系的转换方程；其次，分别建立了定日镜、清洗车、激光雷达的运动学模型，并将清洗车和定日镜分别置于多种姿态，截取激光雷达的检测数据，使用检测数据标定激光雷达的安装位置，即激光雷达相对于车辆中心的坐标和安装倾角；最后，对定日镜清洗车导航避障系统进行实际测试，使用标定参数来检测前方定日镜的姿态，实现定日镜的全自动化清洗，当该导航避障系统反馈前方定日镜为异常姿态时，制动清洗车。该导航避障系统还可应用于与自动清洗系统相关的类似应用场景。     

塔式球面定日镜远焦距聚光原理

本文讨论了球面定日镜的聚光原理。在塔式聚光系统中采用球面定日镜可以提高聚光比,只需连续调节镜面曲率,就可以实现远焦距聚光。文中介绍了球面定日镜的“五线分析法”,对双曲率球面镜进行了分析,并导出了有关计算公式。     

塔式太阳能定日镜高精度传动系统设计

介绍了一种应用于塔式太阳能热发电的定日镜高精度传动系统,通过该传动系统定日镜可以得到良好的重复定位精度;结合定日镜运动模型的校正算法控制系统,将定日镜转动的定位精度进行测量与补偿,从而得到准确的定位精度与重复定位精度。保证了定日镜跟踪系统追日长久稳定性。该系统对各零部件的精度要求低,具有跟踪精度高、制造成本低等优点。     

一种定日镜场有效镜面面积的评估方法

以定日镜轮廓向地平面投影法计算定日镜镜面的阴影与遮挡损失。定日镜有效面积还受镜面破损、运行故障比例和镜面遮盖损失的影响,因此引入修正因子,得出一种定日镜场总有效镜面面积的评估方法。以宿迁200 kW塔式太阳能光热电站的定日镜场为例,计算定日镜场在4个典型日的阴影与遮挡效率,进而得到定日镜场的平均有效镜面面积。     

南京江宁太阳能热发电示范工程

[本刊讯]中材科技南京玻璃纤维研究院春辉公司、河海大学新材料新能源开发研究院与以色列魏兹曼研究院和EDIG公司开展国际合作,以张耀明院士为核心,中国首座70 kW塔式太阳能热发电示范(试验)系统在江宁建成,并于2005年10月底正式发电,该系统由一座高33 m的铁塔和32台定日镜组成,每台定日镜面积20 m2,自动跟踪太阳,将太阳光汇聚到塔顶的接收器中,将空气加热到900℃～1 000℃,驱动燃气轮机发电。该项目在太阳能热发电聚光集热技术、系统集成技术等方面取得了突破性进展,走出了我国太阳能热发电技术研究多年徘徊不前的困局,揭开了我国太阳能…     

定日镜跟踪纠偏策略综合应用研究

主要介绍了基于跟踪轴参考位错位法的定日镜纠偏子系统的纠偏流程和纠偏数据库内修正值的计算方法和应用方式,同时介绍了基于几何误差模型的定日镜跟踪纠偏策略的误差模型及其求解方法。通过分析位于北京延庆的DAHAN电站(1 MW塔式太阳能热发电站)的实测数据及两种纠偏策略的工作原理,提出两种定日镜跟踪纠偏策略综合应用的3种方式。并从纠偏策略的原理和BCS(Beam Characterization System)的精度两个方面分析纠偏策略无法解决跟踪误差的原因。     

下击暴流作用下定日镜表面风压数值模拟研究

为了研究下击暴流作用下塔式太阳能定日镜表面的风压分布特征,文章采用计算流体动力学方法对下击暴流作用下,不同径向位置和不同工作俯仰角的定日镜表面风压进行了数值模拟,并将模拟结果与大气边界层近地风作用下定日镜表面的风压特性进行了比较分析。分析结果表明:当定日镜正常工作时,下击暴流作用下,迎风面风压呈现出中间高两边低的分布趋势,风压峰值位于定日镜中部,背风面风压中间低两边高;随着俯仰角逐渐增大,下击暴流作用下,定日镜迎风面压力峰值中心从定日镜下边缘逐渐上移,最大压力值和高压区范围也逐渐增大,背风面负压值逐渐减小且谷值中心逐渐下移;与常规风相比,下击暴流作用下,定日镜表面风压受径向距离影响明显,当镜面垂直于地面时,定日镜迎风面和背风面表面风压随着定日镜与下击暴流风暴中心之间径向距离的增大而减小;在定日镜抗雷暴下击暴流强风的设计过程中,须要考虑下击暴流和常规风的速度场、气压场的不同,及其所导致的定日镜表面风压分布特征的变化。     

大规模定日镜群镜面脉动风压特性研究

该文基于Fluent1 7.0软件建立5种典型工况下定日镜群的数值计算模型,通过国家超级计算中心的计算技术,对大规模定日镜群进行大涡模拟(LES)分析,获得典型工况下群镜中不同位置的定日镜镜面的脉动风压系数分布,讨论了代表位置的定日镜镜面脉动风压特性。模拟结果显示群镜中各个定日镜镜面的脉动风压分布受来流风向影响较大,群镜中处于边缘位置的定日镜受脉动风作用最大;群镜镜面正反两侧脉动风压均呈正相关,同风向角下,不同位置的定日镜正反镜面的脉动风压相关性大小和定日镜与流场入口距离有关,远离流场入口处的定日镜正反镜面的脉动风压相关性最大,中间位置定日镜的相关性次之,处于迎风面的定日镜正反镜面的脉动风压相关性较小;沿来流方向前面无遮挡的定日镜叠加面的脉动风压基本符合高斯分布,镜场其他位置的定日镜静面风压不符合高斯分布特性。     

点聚焦太阳炉设计方法与研制实践

从聚光原理、光学计算、硬件设计,到安装与调试,详细介绍了点聚焦太阳炉的研制过程。根据当地用户的需求和太阳能资源,通过自行设计的光学软件,计算出典型日一次反光定日镜在二次聚光器截光口平面上的照射情况、二次聚光器的最佳焦距以及焦平面焦点处的峰值热功率。模块化设计的一次反光定日镜,不仅降低了制造成本,提高了生产效率,简化了一次反光定日镜的整体支架,同时给运输和安装带来了方便。单元反光镜反光面采用12点支撑,为定日镜的单元镜面调平创造了条件。同样采用模块化设计的二次聚光器,有利于制造成本的降低,方便运输和现场安装。反光镜单元面型可调,大大增强了点聚焦太阳炉参数的适应性。通过样机研制,验证了设计方法的可行性。     

支撑结构对定日镜绕流风场特性的影响分析

为了研究塔式太阳能定日镜绕流风场的各项特性,文章采用计算流体动力学方法对定日镜绕流风场的分布情况进行数值模拟,并通过模拟结果分析了定日镜绕流风场的分布特征及其产生的原因。分析结果表明:来流冲击定日镜后,滞点位置以下的部分流体经定日镜和地面之间的窄隙流出,形成狭管效应并在定日镜背后近地面处产生流动加速区;绕流至定日镜背面的流体在定日镜面板与支撑立柱之间产生二次钝体绕流,在定日镜和立柱之间形成分布情况比较复杂的风场;来流在定日镜背后形成的上、下两个方向相反的涡结构,这是沿来流方向从定日镜背面至远端近地面的大范围高风速区域产生的主要原因。     

塔式电站定日镜场布置范围的理论分析

采用MALAB编程,计算了余弦效率、大气透过效率以及吸热器开口平面上的截断效率,并将这三项效率的乘积定义为地面利用效率用于限制定日镜场的布置范围,进而分析了一些参数对定日镜场布置范围的影响。分析结果表明,地面利用效率可有效限定定日镜场的布置范围。与接收塔光学高度和吸热器开口的倾斜角度相比,吸热器的开口尺寸和定日镜的整体误差大小在很大程度上限定了定日镜场的布置范围。要增大电站容量,必须增大吸热器开口尺寸。而提高定日镜的整体性能不但可提高定日镜场的光学效率,也可有效扩大定日镜场的布置范围,增大电站容量。     

太阳能热发电系列文章(18)新型双立柱支撑定日镜的研制

为了减小定日镜传动间隙对聚光效果的影响,同时期望降低定日镜制造成本,通过设计分析的方法进行了新型双立柱定日镜设计方案的探索。分析结果表明,开、闭环结合控制方式的新型双立柱支撑定日镜具有误差小、成本低、聚焦效果好的优点,该型式定日镜可望降低定日镜成本,提高聚光性能。     

塔式太阳能热发电中定日镜的精度检测方法

介绍了塔式太阳能热发电中定日镜精度检测的常用方法,包括对定日镜关键零部件及定日镜整体的精度检测。定日镜关键零部件主要包括减速机、推杆(含电动及液压推杆),其精度检测是采用专用的测试工装进行;定日镜整体精度检测主要包括定日镜跟踪准确度及定日镜面形精度检测,均采用图像处理技术进行。通过这些检测方法可保证工程应用中的定日镜能够达到设计要求,起到良好的聚光作用。     

定日镜跟踪的误差源分析及其算法改进

介绍定日镜跟踪误差的来源,并进行分类,推导它们与定日镜实际姿态角之间的解析关系,并根据旋转矩阵的特性和光的反射定律,设计定日镜跟踪的改进算法。为评价该算法,利用CAD和CAE软件,建立含多种误差的定日镜模型及其仿真运行环境,仿真结果表明该改进算法误差小于0.14 mrad,满足系统对定日镜的跟踪准确度要求,适用于计算资源有限的定日镜本地控制器。     

国际太阳能新闻

美国一家太阳能研究所研制出一种新型的定日镜,此定日镜用一种绷紧的、反射性能好的薄膜制成,它的重量要比玻璃的或金属的定日镜轻得多。此定日镜每米~2约30美元(普通定日镜为54美元/米~2)。     

基于流固耦合的定日镜风载作用变形分析研究

区别于基于风力系数的传统风载效应分析方法,提出采用RANS与Newmark格式,通过在流场与结构界面建立数据映射来实现考虑实际风载的定日镜流固耦合分析,并将其应用于一个4 m×4 m的定日镜上。分析表明:该定日镜结构的变形与仰角之间关系复杂,仰角为60°时,由于涡脱落等效应的影响,定日镜结构上会产生较大的变形和应力,其结果可为定日镜的优化设计与运行保护策略的建立奠定分析基础。     

太阳能热发电系列文章(2)塔式与槽式太阳能热发电

塔式太阳能热发电塔式太阳能热发电系统也称集中型太阳能热发电系统。塔式太阳能热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群,将阳光聚集到固定在塔顶部的接收器上,用以产生高温,加热工质产生过热蒸汽或高温气体,驱动汽轮机发电机组或燃气轮机发电机组发电,从而将太阳能转换为电能。