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基于大規模太陽能日照跟蹤技術的研究

   太陽能的開發利用,世界各國政府、企業都已經投入了大量的人力、物力予與研究開發,幾十年過去了,雖然在光電轉換效率等方面取得了長足的進步,但是大規模的工業化利用太陽能卻始終沒有走出“實驗研究階段”。目前,世界各國的太陽能發電項目都是宣傳、示范意義大于實際意義。其根本原因還是發電成本太高等,不利于商業化的應用。

  太陽能的開發利用過程大致可以分為陽光采集、能量轉換和輸變電運營三個技術環節。

  工業化日照跟蹤技術屬太陽能開發與利用領域的采光技術范疇,尤其涉及大規模采光的日照跟蹤技術,是太陽能利用領域里前端的、基礎性的關鍵技術與裝備,是各種太陽能利用形式的共享技術,決定整個開發利用過程的效益基礎。據實驗:精確跟蹤太陽的光照可立刻提高現有普通光伏/光熱電站的綜合效益達25﹪~70﹪,如圖1:

  

  對有效降低發電成本,提高整個系統效益等都具有十分重要的前提性意義,效果十分明顯。自然界的太陽能是按面積分布的低密度能源,要想將其聚攏起來,從物理理論研究的結果看,只有兩種方法可供選擇:其一是設法利用一個強大的引力場,在其作用下改變光線的傳播方向達到匯聚的目的,其工程特點是可以做到相對較小的工程捕光面積;另一種方法是利用光線在不同的物質界面處產生的折射或反射效果達到聚光的目的,工程特點是需要相對較大的工程捕光面積。目前看,顯然只有后一種方法是唯一可行的,盡管需要龐大的工程捕光面積也是必須面對的。因此:⑴ 大規模、工業化利用太陽能,必須以大面積采光,大規模聚光為前提性的必要條件。

  ⑵ 大型日照跟蹤設備是工業化開發利用太陽能所必須的基礎性的技術裝備。

  1 現有日照跟蹤技術的現狀與應用在國內、外,低成本的大規模的跟蹤采光、聚光仍是行業的技術短板,沒有適用的技術和產品供應,致使大規模的工業化、商業化利用太陽能的想法一直不能得以實現,已經嚴重制約了太陽能行業的進一步發展,阻礙了人類新能源的開發與利用。

  太陽能的工業化利用,必須以大面積采光、大規模聚光為前提。采光設施的建設、運營成本高,占整個建站成本的50%以上,使用壽命短,是導致電站總體效益低的主要原因。這里面包含著幾個相互制約的技術因素:

  ⑴、大面積采光與抗風能力的矛盾;

  ⑵、大規模精確跟蹤與伺服成本的矛盾;

 ?、?、設備低成本制造與材料成本、工藝成本的矛盾;

  ⑷、長期在野外風沙環境中運行的維護、鏡面保潔等運營成本的問題;

 ?、伞⒕酃獠牧系目估匣瘑栴}等等。據各國近十幾年的實踐證明,現有的“有源驅動式”的跟蹤技術,不僅技術復雜、材料成本、工藝成本、運營成本高;而且一般只能在野外環境中有效運行2~3年就要報廢或更新1;抗風沙能力差,且不能滿足大規模塔式超遠程(≥500米)、反射式定焦聚光的精度要求;只適合做小規模實驗研究或是家庭使用,是造成太陽能電站“建不起”、“用不住”、“效益低”的根本原因。

  由于上述的原因,目前實際上的大部分太陽能電站都是采用不跟蹤日照的“固定式”安裝的技術方案,如圖2:

  

  圖2 “固定式”安裝的普通光伏太陽能電站

  一部分用于研究、示范性的太陽能項目根據對日照采光要求的不同,可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤的兩種形式。如圖3、4是槽式光熱電站的聚光槽和普通光伏電站的極軸式的一維跟蹤形式;圖5~9是二維跟蹤技術的應用實例:

  

  圖3 槽式光熱電站的聚光槽及集熱管照片

  受傳統設計思維的影響,目前,所有的日照跟蹤設備都是根據“自動控制原理”的理論設計制造的。即根據當前太陽的位置(目標值),通過控制伺服馬達來驅動伺服系統調整采光設施的角度達到跟蹤太陽的目的。不論是主動式的還是被動式(也可稱為預設程序式)的,也不論是采光器移動式的還是受光器移動式的等等,從系統運行動力的角度來分,即都屬于“有源驅動式”的跟蹤技術。如國家專利局的公告號:CN101135913、CN101201628、CN2533435、CN1361397 所涉及的《太陽能全自動跟蹤轉盤》、《仰角轉軸固定太陽能接收器自動跟蹤裝置》、《太陽同步跟蹤裝置》;《超大面積太陽能聚光跟蹤裝置》等等。這類“有源驅動式”的跟蹤技術,其技術特征是:伺服馬達不僅是精確控制命令的執行者,同時也是系統運行動力的提供者。

  

  圖4 一維極軸式跟蹤太陽的裝置

  

  圖5 采用二維跟蹤裝置的反射式聚光光伏

  

  圖6 二維雙軸跟蹤太陽的普通光伏示范性電站

  

  圖7 二維雙軸跟蹤控制機構示意圖

  

  圖8 二維跟蹤太陽光照的菲涅爾透鏡式聚光光伏

  

  圖9 塔式聚光的太陽能光熱電站

  2 原有技術造成的障礙與困難

  1) 原理性的缺陷阻礙了跟蹤精度的提升

  “有源驅動式”的跟蹤技術,都是基于系統的輸入/輸出響應,通過反饋控制效果分析,在“超調”與“欠調”之間不斷擺動逐漸趨于目標值的。這對反射角精度十分敏感的塔式遠距離反射式聚光來講是不可接受的。這一原理性缺陷,使得至今為止所有的努力都歸于白費,這就是不論怎樣加大技術含量和成本投入都不可能徹底解決超大規模塔式聚光的光斑晃動問題的根本所在,因此嚴重限制了其定日場建設的規模。如圖9、10:

  

  圖10 塔式聚光光斑晃動脫離靶標

  2) 技術性的缺陷造成了不可回避的矛盾伺服傳動部件本身的材料彈性變形也足以擾亂大作用力下的數字化的微調控制及精度穩定。

  受設備結構條件等的影響,風載荷也將嚴重影響設備的穩定運行和聚光效果,如圖10。

  3) 大規模實施運用的成本急劇增加

  一般大型太陽能電站的采光面積都應在幾十萬至數百萬平米,當跟蹤設備的尺寸增大時就會遇到兩個不可逾越的障礙:⑴、采光設施的自身重量將大大增加(單機將達十幾噸~數百噸);⑵、著風面積顯著增大,導致跟蹤負荷嚴重增加。大規模重載荷運行必然要急劇增加伺服能量和相應的技術手段,由此帶來的成本激增等問題也越發突出。如前所述,“有源驅動式”的跟蹤技術,伺服馬達不僅是精確控制命令的執行者,同時也是系統運行動力的提供者??梢韵胂笕绱酥匾慕巧笠幠K茉焖某杀緦鞘裁礃拥乃?因此形成“規模↑→能耗↑→成本↑→規?!钡摹八姥h”怪圈。這就是大規模跟蹤日照的技術方案不易實施的根本原因。從這一點上來講,它阻塞了日照跟蹤技術大規模應用就必須進一步降低成本、提高精度的途徑,造成太陽能的采光環節成本高、效益低,實際上不可行。在這里涉及了構成運營成本的兩個主要因素:

  (1) 大型重載荷設備運行的動力來源問題;

  (2) 大功率伺服控制能量的精準供給問題;

  4) 跟蹤設備運營維護成本高,使用壽命短大面積的日照采光,跟蹤設備都是工作在重載荷、超低速的狀態——接近于靜止,而設備運行的動力來源卻必須是高速運轉的伺服馬達(因為只有高速馬達才能夠提供和保證足夠的伺服動力和精度)。顯然在重載荷條件下,如此高的“變速比”是造成設備關鍵部件很快磨損失效的根本原因。因此,一般日照跟蹤設備只能在野外風沙環境中有效運行2~3 年就要報廢或更新,因而得不償失,是大型太陽能電站不可承受的負擔。以至于目前所有的大型普通光伏電站都放棄了日照跟蹤的技術方案(如圖2),造成了嚴重的資源浪費。一些已建或在建的其它形式的太陽能項目也都是宣傳、示范意義大于實際意義,都沒有真正達到工業化、商業化的運營目的。

  5) 不利于降低材料成本

  由于日照的跟蹤設備都是工作在超低速的準靜止狀態,這時需要克服的摩擦阻力也是其它常速設備的1.2~1.5 倍左右,而且與設備的尺寸規模、載重量呈正相關。因此為了降低伺服能耗和成本,在設計、制造過程中都會千方百計的努力減少材料的使用數量(這必然會降低設備的結構強度和剛度,不利于穩定運行),同時不得不大量使用輕質的新型材料,這又會極大的增加設備的材料成本。

  同時,聚光材料的重量也必須大幅度削減,追求采用輕質的聚光材料不僅會增加聚光組件的成本,同時也會降低聚光組件的抗老化能力,如:比普通的無機材料(如,玻璃)差幾十年。

  6) 不利于提高土地利用率

  據實驗:“有源驅動式”的跟蹤技術,單機50平米的采光面積是其技術、成本的上限,且需較大的安裝間隔,如圖3~9,造成土地資源浪費。

  7) 不利于大型化制造,大規模運行使用一般“有源驅動式”的跟蹤設備都是采用軸式安裝運行的方案(如圖3~9),大面積運行時,抗風支撐點少,結構強度低;再加上上述6 個致命的缺陷,決定了現有的“有源驅動式”的跟蹤技術,不僅技術復雜、而且規模小,制造、運營成本高,如圖12 點劃線所示。而且使用壽命短,抗風沙能力差,只適合做小規模實驗研究或是家庭使用。

  3 新技術的主要創新點及工作原理

  針對以上問題,國家發明專利ZL 201010184192.8 《跟蹤太陽光照的裝置》、ZL20121005670 3.7《蓄能式跟蹤日照的裝置》、ZL20122017391 7.8《臍式聚光的太陽能電站》;ZL 201120058108.8《一種超低速、恒速阻尼缸》,國際專利PCT/CN2011/074660《跟蹤日照的裝置》等包含以下創新點解決相關的技術制約:

  1) 蓄能式結構設計

  可利用低質、低價的能源夜間蓄能。

  2) 恒源式動力供給

  利用重力勢能工作,解決伺服動力要求穩定、強勁、可靠的問題,使設備運行平穩可靠。

  3) 無源式液壓阻尼控制技術

  避開傳統的控制理論及技術缺陷。

  4) 液壓扼流圈技術

  滿足超低速、持續大作用力的恒速阻尼控制。

  5) 滑車—軌道式方案

  適宜大結構設計、制造,重載荷運行;抗風沙能力強,大規模運營成本低。

  6) 臍式聚光克服塔式聚光的缺陷

  不僅可以建設類似普通塔式聚光的定日場,而且更可利用環山、盆地等地形地物建設更大規模的定日場(可大于幾十平方公里)。

  圖11是新技術裝備的結構原理示意圖。

  

  圖11跟蹤太陽光照的裝置

  1、采光器架或光伏電池板,2、與滑車的鉸接點,3、滑車,4、連桿

  與曲柄的鉸接點,5、軌道中心軸,6、滑車的軌道,7、阻尼缸,

  8、阻尼曲線的工作面,9、曲柄,10、連桿

  它主要由采光器架1、經向跟蹤部分和緯向跟蹤部分組成。所述緯向跟蹤部分,由帶有負坡度的環形軌道6和滑車3組成。在工作狀態時,使軌道的起點高于終點呈螺旋狀的形式,滑車3利用其自身的重力勢能,可以沿其軌道向下溜動。通過控制、調整阻尼缸7的阻尼系數來控制其溜動的速度。其工作過程是:

 ?、?、每天黎明前,將載有電池板架1的滑車3置于軌道6的高點,蓄勢待發。

 ?、?、根據季節的變化,調整連桿10在曲柄9上的滑槽中的位置(夏季時稍遠離曲柄的中心點,冬季時靠近中心點)來調整采光器架1的每天俯仰角∠θ的擺幅,以適應每天的太陽高度角的變化。

 ?、?、當太陽升起時,打開滑車的緯向止動裝置,使滑車在自身重力的作用下沿軌道徐徐前進,通過控制、調整阻尼缸7的阻尼系數來控制其溜動的速度,使其轉動速度與太陽的光照同步,直至太陽落山。

 ?、?、解除緯向阻尼作用。

 ?、荨⒒噺臀弧J馆d有采光器架1的滑車回到起始位置以備明天使用??梢岳玫凸入妰r時段進行。

  4 新技術的主要特性

  1) 不忌諱隨動跟蹤重量的增加

  設備跟蹤工作時利用自身的重力勢能運行,不忌諱隨動跟蹤運行重量的增加,單機隨動跟蹤重量將達幾十噸~幾千噸以上,支持單機采光面積可在幾百平米~幾萬平米以上。還可為各種鏡面保潔、聚光散熱或斯特林發電機、風力發電機等的隨動安裝創造出充分的空間;結構材料及聚光材料都可以選用低價的常見鋼鐵材料和耐老化的玻璃材料等。

  2) 避開傳統的跟蹤控制理論及技術缺陷

  目前所有的日照跟蹤設備一般都是采用“有源驅動式”的跟蹤控制技術原理,其主要技術特征是:控制執行與動力提供職能集于一身——大功率的伺服馬達,不僅使設備的制造運營成本高,使用壽命短,而且還帶來本文“1.現有跟蹤技術的現狀與應用”中所述的五個“相互制約”的問題不易分解,顧此失彼,甚是糾結。

  新技術采用蓄能式結構設計與無源式液壓阻尼控制技術相結合,使動力供給與控制執行角色分離;采用大閉環控制策略,跟蹤的穩定控制精度可達毫~微秒級、且連續可調。徹底擺脫了傳統設計理論的弊端,使大規模跟蹤日照,精確聚光的想法真正能夠得以實施,為太陽能行業的進一步發展奠定日照跟蹤的技術基礎。

  5 新技術的成本優勢點

  新技術的成本優勢表現在方案設計、制造安裝、運營維護等等各個方面。

  如:采用“滑車—軌道式”方案,適宜大結構設計制造,大規模、重載荷運行,抗風沙能力強;較少的單機安裝量使土地利用率提高,綜合實施成本較其它“有源驅動式”的軸式技術方案低70%。如

  圖12:

  

  其成本優勢還在于:

  1) 蓄能式結構設計,可在夜間利用低質、低價能量夜間蓄能,降低能量供給成本。僅以我國實行的“波峰波谷”電價計算就可節約能量成本50%左右。

  2) 全部使用常見的、低價的普通黑金屬材料制造,聚光組件也可使用抗老化的玻璃質材料等。

  3) 制造成本低,無須大量的高精密的機械加工。

  4) 無高速運動部件,無磨損之慮。耐野外沙塵侵害,維修簡單方便,可以做到“0”維護。

  5) 有利于增加各種附加設施的隨動安裝,如鏡面保潔,散熱設備或風力發電機等。有利于提高光電轉換效率和長期野外運行的使用壽命等。

  6) 可采用“臍式”聚光的方案,不僅省去了建設高大的集熱塔的費用,同時也降低了聚光難度;能量收集裝置安裝在地面上與能量轉換設備的距離很短,可大幅度降低熱工質的使用量和循環成本,也有利于增加儲熱規模和裝機容量等,為大容量的能量轉換及后續并網運營創造了更良好的基礎條件。

  7) 有利于風-光互補技術方案的實施工業化(重型)日照跟蹤設備抗風能力大于8級以上。利用高大的采光器架可以形成巨大的導流、匯流裝置來大大提高“柱式”風力發電的功率,大幅度提高單位土地面積的發電量。

  6 新技術實施的社會、經濟意義眾所周知,集約式、規?;D換利用太陽能是進一步降低太陽能使用成本的必由之路。采光環節是前端的、基礎性的關鍵技術環節,是大規模光伏發電、光熱發電、光熱利用等利用途徑都不可回避的技術關口。

  工業化(重型)日照跟蹤技術裝備的研制采用自主創新的蓄能式結構設計,恒源式動力供給,液壓扼流圈及無源式液壓阻尼控制技術等;走大結構、重載荷的設計思路,大規?,F場制做與安裝調試等工藝技術路線,形成適合大規模太陽能電站使用的平臺式的技術裝備體系。從根本上解決太陽能采集環節中的低成本、規?;?、高精度、穩定性之間的矛盾:①塔式聚光的定日場規模不能太大的瓶頸問題——超遠程、反射式定焦聚光的精確性與穩定性的難題;②光伏發電,尤其是大規模聚光光伏的跟蹤伺服成本、運營維護成本、聚光材料的老化問題以及散熱、保潔等隨動設施安裝等一系列相互制約的問題。在電廠建設(定日場建設)、跟蹤設備制造、運營維護和聚光材料使用等各個環節都能大幅度降低成本,延長其使用壽命。至少可節省整個項目2/3的投資和運營成本,使日照跟蹤技術真正得以低成本的在太陽能利用的工程實踐中大規模的應用,最終大幅度的降低太陽能的發電成本,促進太陽能利用的產業化、工業化、商業化的進程。

  其現實的經濟效益以普通光伏發電為例:雙軸跟蹤系統要比“不跟蹤”或“單軸跟蹤”有效接收日照的比率提高30%左右。這意味著在已有的光電轉換的條件下,不用再有任何提高,就可以增加30%的收益。這是一個可觀的數據,對整個電站系統的運營效益是不可忽視的,也足以使整個行業擺脫靠政策補貼的尷尬!

  基于高精度、穩定的日照跟蹤系統的聚光光伏要比普通平板式的電池板光伏發電還具有更大的成本效益優勢。

  根據測算:25×25平方公里的太陽能采光面積一年的發電量與一個三峽水電站的年發電量相當。而水電站淹沒的是良田沃土,太陽能發電只需要占沙漠、戈壁或者鹽堿地等不毛之地。40個這樣規模的太陽能電站即可滿足全國現有的用電。只要投資300-500億。占用10×10平方公里的面積即可滿足一個地級市的用電要求。從目前的行業技術發展情況來看,太陽能熱發電是最有發展潛力的太陽能發電技術。塔式聚光的光熱發電技術又具有:大規模采光的高聚光比、低環境成本、大容量的能量轉換及后續并網運營技術成熟等優勢而最具工業化的應用開發前景。而大規模的超遠程反射式聚光暨定日場建設仍是其最狹窄的技術瓶頸,難以突破。

  

  表1是各種太陽能電站形式的全產業鏈效益綜合比較。

  7 結束語

  新技術開發成本低,效益高,是行業、市場亟須,開發風險小。雖然,太陽能的開發利用具有地域性、季節性的局限。但是對日照跟蹤的需求,并以此來提高太陽能利用系統的整體效益,是在任何條件下都是首要的。或者說:只要有太陽能利用的場合就應該有日照跟蹤設備的應用,因為它可再提高現有設備的

  “發電能力”30%以上,因此其市場前景是無法估量的。

  太陽能的利用是“低碳環?!钡男枰?,更是未來人類社會的能源索取的主要方向之一,其利用的規模,在技術上完全取決于陽光采集面積的大小,而采光面積的大小完全取決于采光設施的尺寸規模,因此對日照跟蹤設備的尺寸規模、隨動跟蹤重量等基本參數的要求是不會隨著社會的發展、技術的進步而縮小的,相反會有逐漸增大的強烈需求。因此在可預見的未來,市場是不可能萎縮的。業界已經對新工業化(重型)日照跟蹤技術及設備表現出了不可忍耐的渴望。必將得到業界及政府產業政策的大力支持。

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