太阳能热利用高温发电技术国家与地方联合工程实验室申请报告

太阳能热利用高温发电技术国家与地方联合工程实验室申请报告内容摘要：

化为商业 应用。 皇明公司作为太阳能行业的领航者，拟建立太阳能热利用高温发电技术工程实验室，突破太阳能高温发电的理论与实践转化的瓶颈，对高温发电系统的各个环节进行研发，提高太阳能高温发电的商业化水平，加快实现可再生能源替代，保护环境，实现可持续发展，带动整个行业技术水平的提高，增强国家 的综合实力。 第三章 项目 发展战略、 建设 内容和目标 一、 工程实验室发展战略 工程实验室根据国家和地方产业发展的需求，研究和开发产业技术进步 和结构调整 方面 的关键共性技术，以科技成果产业化、运行机制现代化、发展方向市场化为核心，采用机制创新与技术创新并重的方针，通过建设高水平的创新与产业化基地，形成高水平的创新与产业化 团队 ，促进科研成果转化为具有自主知识产权的成套技术和工艺，缩短技术转移和推广应用的周期，推动太阳能热利用太阳能高温发电技术的进步和产业结构调整。 （ 1） 加强工程实验室建 设，完善研发的手段与技术，形成更加有利于实验室技术创新和科技成果转化的有效运行机制。 （ 2） 加强与国内外高等院校、科研机构的合作，充分利用国内外先进的技术资源，为企业创新服务。 （ 3） 在工程实验室完成科研成果的中试，为皇明公司为依托完成产业化转化，取得经济效益。 工程实验室将整合研发、资金、“皇明”品牌等因素，加强国际合作，力争引领国内市场、打入国际市场。 在战略上，工程实验室将以创新为目标，力争在三到五年内，在太阳能热利用高温发电领域取得 2 至 5 项达到世界领先水平的关键技术成果，开发出具有自主知识产权的相应的产品系列，真正 成为太阳能热利用高温发电基地。 二、工程实验室 建设 内容 工程实验室重点研发太阳能高温发电的九大核心技术： 聚光技术研究、自动控制技术研究、集热技术研究、传蓄热技术研究、保温技术研究、压力循环技术研究、仿真技术应用、新材料技术研究、与建筑一体化应用技术研究。 聚光技术研究 聚光技术就是采用反射镜把太阳光聚焦到吸热器上，产生高温热能。 太阳能高温发电聚光技术主要是定日镜技术，包括自动跟踪系统、控制系统、抗风沙、紫外线、盐雾、酸雨等恶劣室外环境技术。 反射镜需满足：良好的光学性能，发射率要在 85%以上；良好的聚 光性能，确保抛物面镜聚光后形成的光带小于真空集热管的吸热管的直径。 支架需满足：良好的刚度和强度，保证聚光器能在风载、雪载、自重等负荷下正常工作；具有良好的抗疲劳能力，保证机械结构在反复交变工作条件下的寿命；具有良好的抗沙尘、冰雹等能力，保证电站在沙漠、高寒等恶劣条件下正常工作，同时抵御非正常气候的破坏；良好的抗腐蚀能力，要有抗等性能；良好的运动性能，以使结构本身运动能耗降到最低；具有良好的保养、维护、运输性能、支架在满足整体刚性、强度的同时还应当易拆卸、组装、保养。 根据定日镜的性能要求，反射镜和支架的技 术研发重点如下： （ 1）反射镜 反射镜按照反射次数可分为：一次聚光反射、二次聚光反射。 一次聚光反射是太阳光经一次聚光镜聚光后，照射在真空集热管上，有吸收涂层吸收后，完成光热转换。 此聚光反射聚焦比低，在30100 之间，聚焦温度最高只能达 400 度作用，适合于小型的槽式发电系统。 二次聚光主要有平面 — 抛物面反射聚光镜、抛物面 — 抛物面发射聚光镜、抛物面 — CPC 反射聚光镜。 平面 — 抛物面反射聚光镜是用一组定日镜将太阳光反射到一台抛物面镜上，阳光经二次聚焦后，取得了较大聚光比，从而使系统取得较高的集热温度。 但其一次 反射的定日镜和二次聚焦的抛物面镜需要两套传动结构，甚至两套跟踪系统，成本较高。 日本在 20 世纪 80年代采用定日镜 — 抛物面反射聚光器完成 1MW 槽式电站。 抛物面 — 抛物面发射聚光镜，可在一次聚焦的抛物面镜焦线处，放置二次聚焦抛物面镜，集热管放置在二次聚焦的抛物面焦线上，阳光经二次聚焦后，取得了较大的聚光比，从而使系统得到较高的聚热温度。 两次聚光结构放置在同一支架结构上，可节省许多材料，降低成本，便于维护。 抛物面 — CPC 反射聚光镜是将二次聚焦的抛物面改为 CPC 结构，集热管放置在 CPC 的聚光带上（ CPC 无焦点）。 反射镜研究重点主要是反射镜曲度研究和制作工艺。 反射镜主要有平面反射镜和曲面反射镜，曲面反射镜比平面反射镜具有更高的聚光比和光斑温度，曲面反射镜的聚光比可高达 700， 聚焦光斑温度可高达 1500 度。 皇明公司采用曲面反射镜，自主研发了复合抛物面的高温聚热器（专利号 ） ,采用二次聚光技术，内反射镜面由两段对称的抛物面和两段沿抛物面交线对称的渐开面组成的渐开线复合抛物面，有较大的聚光比和接受角度，聚光集热效果好，成本低廉、易于操作。 下图 1 就是复合抛物面的高温聚热器。 图 1复合抛物面的高 温聚热器 （ 1 底座加固支撑， 2 横梁底座， 3 玻璃板固定板， 4 内反射聚光镜支架， 5 吸收管支架， 6吸收管， 7 钢化玻璃板， 8 螺栓， 9 长螺栓 ， 10固定拉杆， 11 铆钉， 12保温层内罩，13 保温层外罩， 14内反射聚光镜， 15 保温层， 16透气碳毡， 17短螺栓 反射镜的制造工艺比较复杂，对材质要求很高，一般采用镀银金属玻璃，银具有吸收比低、反射比高（ 97%）的特点，但其在户外容易老化，需在其上镀一层铜起保护作用。 目前镀银玻璃生产的主要工艺是曲面磁控溅射镀膜法，其制造工艺为：平白超白玻璃 热 弯 磁控溅射镀银 保护涂层。 此法只有比利时、德国、法国等几家企业掌握，国内技术还是一片空白，只有皇明太阳能有限公司掌握了这项专利技术（专利号 ），生产出磁控溅射双曲面太阳 能反光镀银玻璃镜。 下图 2 是反射镜结构图。 图 2 反射镜结构图 （ 2）支架 定日镜的支架需要有很强的机械性能和抗腐蚀、抗疲劳能力，它的设计需要有良好的材质和运行灵活性。 目前支架主要有钢板结构和钢框架结构，钢板结构镜架抗风沙强度较好 , 对镜面有 保护作用 ,镜本身可以做得很薄 ,有利于平整曲面的实现。 钢框架结构镜架减小了镜面的重量 , 减小了定日镜运行时的能 耗 ,使之更经济。 但这种钢框架结构也带来一个新问题 , 即镜面支架与镜面之间的连接 , 既要考虑不破坏镜面涂层 , 又要考虑镜子与支架之间结合的牢固性 , 还要有利于雨水顺利排出 , 以避免雨水浸泡对镜子的破坏。 针对此类问题设计了三种方式 : 在镜面最外层防护漆上粘结上陶瓷垫片 , 用于与支撑物的连接。 用胶粘结。 用铆钉固定。 为了增加支架的灵活性，支架的底座设计分为两种：独臂支架和圆形底座式支架。 独臂支架 具有体 积小、结构简单、较易密封等优点 , 但其稳定性、抗风性也较差 , 但 为了达到足够的机械强度 , 防止被大风吹倒 , 必须消耗大量的钢材和水泥材料为其建镜架和基座。 圆形底座式定日镜的基座一般均为金属结构，稳定性较好 , 机械结构强度高 , 且运行能耗少 , 但其结构比独臂支架式复杂 , 而且其底座轨道的密封防沙问题也有待进一步解决。 皇明公司独自研发了固定定日镜的驳接爪装置，就是利用比较灵活的每个驳接爪固定每块定日镜，具有安装、拆卸、调整方便，整体移动反射镜不破损的优点，下图 2 是固定定日镜的驳接爪装置。 图 3 定日镜的驳接爪装置 （ 1 定日镜反射镜， 2 胶， 3 吸盘， 4 球头螺栓， 5 压紧螺母， 6 固定螺母， 7 支撑架， 8 连接臂， 9 驳接爪中心套， 10 调整螺母， 11 驳接爪固定杆， 12 支架） 皇明公司在定日镜技术方面有 12 项发明专利， 4 项反射镜专利，8 项支架调形、调整设计专利。 序号 专利名称 专利号 1 定日镜用反射镜 2 一种基于提前量设计的复合抛物面的高温聚热器 3 一种定日镜 4 一种大型 太阳光聚光反射装置 5 用于固定定日镜反射镜的驳接爪 6 一种定日镜的反射镜用支撑调整装置 7 一种定日镜的反射镜用支撑调型装置 8 高精度双轴传动减速机 9 一种定日镜的反射镜夹持支撑调形装置 10 一种单元反射镜的调形装置及调整方法 11 一种微弧菲涅尔反射镜支撑调形装置 12 一种太阳能槽式集热器的集热管可调支撑装置 皇明公司在定日镜聚光技术研究方面具有雄厚的技术实力，未来研究方面是反射镜的镜面曲度设计和支架灵活性、稳定性设计等，通过与山大研究中心的合作，在太阳能高温发电聚光技术方面将有重大的技术突破，提高定日镜的聚光比、反射比，降低定日镜成本。 自动跟踪控制技术 研究 定日镜聚焦阳光需准确的跟踪控制系统，跟踪控制系统主要采用三种方式控制：程序控制、传感器控制、程序与传感器联合控制的方法。 程序控制是计算出太阳在一天中 的位置，并通过电机驱动装置运动到目标位置，该方法可克服传感器控制的缺点，但存在累积误差，且程序复杂，对控制器要求较高；传感器控制方法是实时测量太阳光的方向，但实际应用中存在跟踪死区，跟踪范围窄；程序与传感器混合控制的方法以程序控制为主，传感器实时监测做反馈的“闭环”控制，这种方式对程序进行累积误差修正，使之在任何气候条件下都能得到稳定而可靠的跟踪控制，但由于成本和可靠性等问题，一直没有被规模化使用。 目前广泛采用的跟踪控制方式是“开环”程序跟踪方式 , 即利用时钟来控制定日镜的转动角度。 从上世纪 80 年代美国的 Solar One到 2020 年西班牙的 PS10 均采用了这种控制方式。 定日镜开环跟踪控制方式主要有两种： 方位角 仰角跟踪方式以及自旋 仰角跟踪方式。 方位角 仰角跟踪方式是指定日镜运行时采用转动基座 ( 圆形底座式 ) 或转动基座上部转动机构 ( 独臂支架式 ) 来调整定日镜方位变化 , 同时调整镜面仰角的方式。 自旋 仰角跟踪方式是指采用镜面自旋 , 同时调整镜面仰角的方式来实现定日镜的运行跟踪 , 这是由新的聚光跟踪理论推导出的一种新的跟踪方法 , 也叫“陈氏跟踪方法”。 陈氏跟踪法比传统的聚光跟踪方法 能更有效的接收太阳能。 定日镜跟踪控制装置主要采用双轴跟踪装置：利用高度角一方位角式全跟踪，通过两电机分别控制高度角轴与方位角轴位置，如图 1所示。 跟踪箱内装有跟踪传感器，传感器通过检测光线强度、光电池一三象限电压差、二四象限电压差等信号，来确定电机的转向和速度，编码器 编码器 2 分别检测高度角轴与方位角位置，电机 1 控制高度角轴，电机 2 控制方位角轴，两轴的合成运动使跟踪镜头始终跟随太阳入射光线。 图 4 双轴自动控制装置 定日镜实现对阳光的实时跟踪还需要传动系统，把控制 信息通过传动系统来调整定日镜的方位和角度变化。 跟踪传动系统主要有三种传动方式：齿轮传动、液压传动、齿轮与液压结合方式。 由于平面镜位置的微小变化都将造成反射光在较大范围的明显偏差 , 因此目前采用的多是无间隙齿轮传动或液压传动机构。 在定日镜的设计研制中 , 传动部件的密封防沙和防润滑油外泄等也是重要环节。 传动系统选择的主要依据是 : 消耗功率最小、跟踪精确性好、制造成本最低、能满足沙漠环境要求、具有模块化生产可能性 , 密封符合美国 IP54 标准等。 皇明公司在自动控制系统研究方面有 2 项发明专利：一种控制定日镜传动箱 跟踪误差的阻尼装置（专利号 ），一种定日镜自动控制系统（专利号 ）。 皇明公司自主研发了双轴全自动跟踪控制，与中科院联合研发了三维跟踪技术、高精度控制传动技术、使聚光系统精度达到聚光系统精度达到177。 度，而且研发出蜗轮蜗杆式、轨道链传动式和双蜗轮均力式等三种不同的传动方式，使设备运行耗电量小于 4W。 下图 5 是皇明自主研发的双 轴自动跟踪控制系统。 图 5 皇明自主研发的双轴自动控制跟踪控制系统 图 5 中定日镜的控制通过 PLC（可编程控制器）完 成对太阳角度的计算及指令代码的转换，将计算结果通过电动机进行控制字与反馈信号的双向传输，控制电机按照既定的目标和速度运行，达到对日光的精确定位跟踪。 皇明公司的自动控制技术已处于国际领先水平，未来研发方向：研发精确度更高的，传动更灵活的自动控制装置并应用于实践。 集热技术 研究 集热系统是太阳能高温发电的核心，集热技术决定着高温发电的效率，而集热技术中的核心是选择性吸收涂层，它决定着太阳能光热转换效率， 选择性吸收涂层的性能指标为：涂层的吸收比、发射比及其稳定性。 选择性吸收涂层的性能决定于膜层材料和镀膜工艺。 选择性吸收涂层一般采用氮化铝不锈钢做选择性吸收涂层，但其耐高温性能有限，太阳能高温发电的选择性吸收涂层采用耐高温的金属陶瓷做吸收涂层，高温下性能稳定，吸收比可达 93%以上。 选择性吸收涂层的镀膜工艺采用磁控溅射镀膜，镀的膜层均匀、不脱落、膜层之间相互干扰小，吸收比高、发射比低。 皇明公司自主研发了磁控溅射干涉镀膜技术，使用 SSALN（氮化铝金属陶瓷）做集热材料，膜层有红外高反射金属层，扩散阻挡层，吸收层，减。