捕捉最大量的太阳能

皇明集团与中国科学院电工研究所、中国科学院工程物理研究所

当前，金融危机席卷全球，国际油价从接近140美元下跌到几十美元一桶，国内油价也在连连下挫。尽管短期内，石油价格下降，但是从长期来说，石化能源紧缺问题不可回避，发展可再生能源是必经之路。

　　在可再生能源中，太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，太阳光照射到地球40分钟的能量，相当于地球1年的能源消耗量。皇明太阳能集团董事长黄鸣说，与其它产业相比，我国太阳能光热利用产业规模遥遥领先于世界水平，其自主知识产权率达到了95%以上，成为我国少数几个拥有自主知识产权的民族产业之一。而皇明太阳能公司承担的国家863课题“高精度日光定位方式研究及成套设备开发”，就是通过研发太阳能电站的关键设备———定日镜，为我国建设大型太阳能热发电电站建设打下了基础。

　据悉，目前，我国已成为世界上最大的太阳能热利用市场，也是世界最大的太阳能集热器制造中心，现在我国太阳能保有量超过一亿平方米，占全世界的76%；从太阳能光热产业对中国经济的贡献来看，整个光热产业累计为国家节约标准煤2亿多吨，减少各类污染物排放约2亿吨。

　　研发适合中国的定日镜

　　太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电，属于太阳能高温热利用的范畴。上世纪80年代以来美、欧、澳等国相继建立起不同型式的示范装置，促进了热发电技术的发展。世界现有的太阳能热发电系统大致有四类：槽式热发电系统、菲涅尔式热发电系统、塔式热发电系统、碟式热发电系统。

　　定日镜是塔式热发电系统中最重要的核心设备，定日镜将日光反射到吸热塔上的吸热器上，通过吸热器加热工质产生热量。定日镜的性能直接影响太阳能电站发电能力，制约塔式电站的容量。依照国外已经建成电站的经验，兆瓦级别以上的太阳能塔式发电站的定日镜成本，约占电站总成本的50%。

　　定日镜由支架、传动、控制和反射玻璃4个部分组成，为使反射镜反射后的光斑集中于目标靶区，支架、传动、控制和反射玻璃这4个单元必须协调工作，使定日镜克服风力等自然因素的影响，高精度、稳定、可靠的完成采集太阳光的任务。从1950年，前苏联建成世界上第一座太阳能塔式发电站开始，到今天即将商业化运行的西班牙PS10太阳能塔式发电站，国际上研发了多种定日镜。

　　黄鸣说，定日镜的研制首先要确定定日镜工作环境的参数，如当地的太阳能辐射条件、环境温度值和温度交变情况，当地沙尘、风、雪、雨、盐雾和大气污染情况等都会影响定日镜的精确度；然后，再根据我国可能建立太阳能电站的地点，选择典型环境条件，作为定日镜设计的环境条件依据。

　　而涉及定日镜成本的另外一个重要方面是系统误差。一般来说，成本随着定日镜精度的提高而提高。因此，研究合理的精度，以及精度在传动单元、支架、玻璃反射镜和控制器等各单元间的合理分配也是很重要的。由于传动系统约占整个定日镜成本的50%，确定传动部分的精度以及对其进行技术经济优化，是控制整个定日镜乃至整个地点站电站成本最关键的部分。于是，课题组在定日镜工作环境的参数、支架、传动箱和反射玻璃之间的软硬连接方式等方面进行了科技攻关，确定了相关的参数，各种情况下最佳的连接方式等。

　“我们研究的目的是研制可在沙漠环境下工作的太阳能塔式发电站的定日镜，其性能价格比不低于国外同类产品；研制太阳能塔式发电站的定日镜，总体跟踪精确度大于3.5毫弧，反射镜反射率大于90%；可以在6级大风下工作，寿命不低于20年。”皇明集团董事长黄鸣说，由于国外的电站一般建设在环境比较温和的地区，风力比较小，所以抗风能力比较低，一般设计风力低于5米/秒，而我集团设计的定日镜要使用在延庆国家电站，设计受风能力远远高于国外的水平，在课题研究的同时，还考虑了产品系列化和标准化的问题，皇明集团正参与太阳能高温发电相关国家标准的制定工作。

　　3种技术的太阳能聚光器

　　聚光器是太阳能热发电中不可或缺的主要设备之一。皇明集团与中国科学院电工研究所、中国科学院工程物理研究所联合研制了3台直径5米的太阳能聚光器。自主研发的聚光器，其焦点处的温度已经达到了约1600℃，经过西班牙、美国、韩国、澳大利亚等著名太阳能发电专家评议：该设备的技术指标以及经济指标，已经达到目前国际先进水平。黄鸣说，我国自主研发的太阳能聚光器第一套设备，已经在2003年启用，并安全运行至今。

　　皇明集团与中国科学院电工研究所、中国科学院工程物理研究所研发了一套槽式太阳能聚光器。其采光口宽度为5米，长12米，通过对单向抛物反射面的反射器研究，采用符合蜂窝技术，研制除了超轻型结构的反射面，解决了使用平面玻璃制作曲面镜的问题；采用液压传动方式，这套槽式太阳能聚光器能适应沙漠环境，使项目的大规模应用成为可能。

　　皇明集团研制了3种类型的定日镜，整体式、半开式和复核抛物面式，这三台定日镜分别使用了不同的反射镜，设计了不同的专用支架，支架采用单点连接，安装维修更加方便，研发了三种低速超大传动比的传动箱，传动比达到50000以上，采用了国际先进的PLC自动控制技术，设备运行时，自身总电耗小于1度，只占自发电量的1.25%，达到了国际先进水平。

　　2007年8月4日定日镜安装在延庆国家实验基地，自2007年8月15日起，实现全天候无人职守运行至今，目前一切正常。

　　课题组还研究探索了大型定日镜反射镜面制作定型、轻微支架结构设计、大荷重传动系统以及定日镜的高精度跟踪系统，保证了在离塔300米处，可以把光反射到吸热体上，这样，适应建立大规模塔式电站的要求。

　　首次采用碟式太阳能聚光技术

　　碟式太阳能聚光器可分为多碟式和单碟式两种形式，它们各有特点：多碟式风阻小，安装方便，自耗功率小；单碟式结构紧凑，聚光效率高。多碟式太阳能聚光器，双轴自动跟踪精度可以达到0.02毫弧，聚光比达到600，其焦点处温度大于1600℃。单碟式太阳能聚光器，其焦点处温度可高达1100℃。同多碟系统一样，它也可以实现高精度的双轴全自动跟踪控制。其最大的特点是采用船舶动力传输概念，引入均力方法使传动系统输出力矩大、体积小、重量轻。

　　皇明集团于2004年6月研制成功的多碟式太阳能聚光器，是我国首次采用碟式太阳能聚光技术进行的太阳能热发电。

　　黄鸣说，该课题的另外一个创新点是：与传统采用斯特林机发电的方式不同，碟式聚光发电系统的热电转换部分尝试使用了热电转换材料，这在世界上属于首次。该种材料具有寿命长、价格低的优点。又因为没有运动部件，因此发电部分的维护较容易。该装置部件全部国产化，我国拥有全部的自主知识产权。摆脱了发电部分的斯特林机必须依赖进口，而国外又有高技术出口限制的问题。

　　目前，我国太阳能保有量超过一亿平方米，占全世界的76%；从太阳能光热产业对中国经济的贡献来看，整个光热产业累计为国家节约标准煤2亿多吨，减少各类污染物排放约2亿吨。

　　太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面，定日镜是最重要的核心设备。黄鸣研制的可在沙漠环境下工作的太阳能塔式发电站的定日镜，总体精确度大于3.5，反射率大于90%；可以在6级大风下工作，寿命不低于20年。

　　皇明太阳能公司与中国科学院电工研究所、中国科学院工程物理研究所还掌握了太阳能位置三纬跟踪技术、设备姿态高精度控制传动技术，聚光系统精确度达到了正负0.2度；而3种聚光器分别实验采用了蜗轮蜗杠式，双蜗轮均力式和轨道链传动式等3种不同的传动方式；设备运行时，自身总电耗小于1.3千瓦每小时每天；由于研发了高密度热流传热技术，吸热器能在超高热流密度下正常工作，热效率不小于91%等。

　　课题组研发多碟式太阳能聚光器，双轴自动跟踪精度可以达到0.02度，聚光比达到600，其焦点处温度大于1600℃。单碟式太阳能聚光器，其焦点处温度可高达1100℃。同多碟系统一样，它也可以实现高精度的双轴全自动跟踪控制。其最大的特点是采用船舶动力传输概念，引入均力方法使传动系统输出力矩大、体积小、重量轻。 (本报记者李禾)