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編碼器

GEMPLE:塔式太陽能聚光熱蓄能發(fā)電簡介及其定日鏡編碼器

發(fā)布日期:2022-10-09 點(diǎn)擊率:68

  • 關(guān)鍵詞:                                                                太陽能                                                                定日鏡                                                                電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置

  • 摘要:塔式太陽能聚焦光熱蓄能發(fā)電的原理,是通過地面展開的很多個反射鏡旋轉(zhuǎn)追蹤太陽軌跡,將太陽光反射聚焦匯聚到中心塔頂太陽能收集裝置,接收器的高度從幾十米到上百米,聚焦太陽光用以產(chǎn)生高溫?zé)崮堋W?0世紀(jì)80年代以來,美國、西班牙、意大利等國相繼建立起不同形式的示范裝置,有力地促進(jìn)了熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。


  前言:

  塔式太陽能聚焦光熱蓄能發(fā)電的原理,是通過地面展開的很多個反射鏡旋轉(zhuǎn)追蹤太陽軌跡,將太陽光反射聚焦匯聚到中心塔頂太陽能收集裝置,接收器的高度從幾十米到上百米,聚焦太陽光用以產(chǎn)生高溫?zé)崮堋@锰柲芗訜崾占b置內(nèi)的傳熱介質(zhì),(例如加熱鹽類融化),熱介質(zhì)通過蓄能、管道介質(zhì)傳導(dǎo)、熱介質(zhì)交換等等,再加熱水形成蒸汽,直接帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。與基于直流發(fā)電的太陽能光伏發(fā)電不同,塔式太陽能聚焦光熱蓄能發(fā)電的突出優(yōu)點(diǎn),一是發(fā)電為傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)模式的交流電,可直接并網(wǎng),上網(wǎng)效率高成本低,與光伏直流發(fā)電比較省掉了直流到交流逆變器成本與轉(zhuǎn)換效率浪費(fèi);其次,其熱蓄能方式為融化的低成本的鹽類(與光伏發(fā)電的電池蓄能比較),熱交換時間可控,可在多云雨天和夜晚繼續(xù)發(fā)電,而可控發(fā)電上傳并網(wǎng)時間。因此,塔式太陽能聚焦光熱蓄能發(fā)電系統(tǒng)的度電成本在太陽能發(fā)電種類中最低,發(fā)電時間可控,是最有希望成為成熟技術(shù)的建立規(guī)模化發(fā)電廠可能。自20世紀(jì)80年代以來,美國、西班牙、意大利等國相繼建立起不同形式的示范裝置,有力地促進(jìn)了熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。

  一、塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理

  塔式 CSP(Concentrating Solar Power) 電站的聚光系統(tǒng)由數(shù)以千計帶有雙軸太陽追蹤系統(tǒng)的反射鏡陣列(稱為定日鏡)、一座(或數(shù)座)中央集熱塔、集能器、蓄熱器、發(fā)電機(jī)組等五個主要部分構(gòu)成。塔式太陽能發(fā)電由成千上萬面雙軸太陽追蹤系統(tǒng)的反射鏡陣列將太陽光聚焦到中央接收器上,接收器將聚集的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能,然后再將熱能傳遞給熱力循環(huán)工具,驅(qū)動熱機(jī)做功發(fā)電。塔式電站的優(yōu)點(diǎn)一是聚光倍數(shù)高,容易達(dá)到較高的工作溫度,陣列中的定日鏡數(shù)目越多,其聚光比越大,最高可達(dá)1 :500,運(yùn)行溫度可達(dá)1 000℃~1 500℃,使其年度發(fā)電效率可以達(dá)到17%~20%,并且由于管路循環(huán)系統(tǒng)較槽式系統(tǒng)簡單得多,提高效率和降低成本的潛力都比較大。



  二、塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要組件定日鏡與追日反射系統(tǒng)簡介

  定日鏡

  定日鏡是塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。定日鏡場的設(shè)計是塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一,設(shè)計良好的定日鏡場可以從整體上降低發(fā)電成本,是太陽能熱發(fā)電走向?qū)嵱没幕A(chǔ)之一。定日鏡主要由平面反射鏡與轉(zhuǎn)角仰角雙軸驅(qū)動的跟蹤機(jī)構(gòu)組成,反射鏡面鍍銀并涂保護(hù)層,反射鏡安裝在反光鏡托架上。定日鏡分布在塔的周圍,組成龐大的定日鏡場,其聚光面積非常大,所以塔式太陽能集熱裝置聚光比很高,聚光倍數(shù)可以達(dá)到數(shù)百倍至上千倍,可以使得接收器工作溫度達(dá)到千℃以上。定日鏡照片見圖3。


塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的定日鏡

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的定日鏡

  塔式太陽能熱發(fā)電站的定日鏡系統(tǒng)建設(shè)需要考慮和注意的問題有:機(jī)械碰撞問題、陰影和阻擋損失,衰減損耗、定日鏡的排布與布置方式以及定日鏡的跟蹤與傳動等。

  定日鏡的追日跟蹤反射系統(tǒng):

  每個定日鏡位置控制系統(tǒng)裝有GPS定位與定時傳感器,從GPS獲得當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度緯度與當(dāng)?shù)禺?dāng)前時間,并與國際天文協(xié)會組織聯(lián)網(wǎng)接收其提供確定當(dāng)?shù)亟?jīng)度緯度下當(dāng)前時間的太陽入射角度,這樣的資訊可以與有關(guān)國際天文協(xié)會合作,提前一天通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)先獲得保存在控制器內(nèi),并在控制系統(tǒng)中提前計算好白天每個時間點(diǎn)的定日鏡對日反射角度。定日鏡每天在太陽落山之后可以平伏歸位,將計算第二日的轉(zhuǎn)動軌跡每個時間點(diǎn)角度,這樣既可以避免晚間的大風(fēng)雨水對鏡面的損耗,延長鏡面使用壽命,同時還可以對于控制系統(tǒng)的位置每日有一個起始點(diǎn)位置校準(zhǔn),在第二天的太陽開始升起時,從起始點(diǎn)位置開始和控制器了提前計算好的對日反射角度軌跡,驅(qū)動轉(zhuǎn)動定日鏡的轉(zhuǎn)角和仰角兩臺電機(jī),與安裝在電機(jī)上檢測角度的編碼器位置反饋信號比較,到達(dá)在預(yù)定的一個時間與一個對應(yīng)的停止位置點(diǎn)。這樣根據(jù)預(yù)先了解的太陽軌跡改變定日鏡的反射角度,稱為“追日跟蹤位置控制系統(tǒng)”。

  三,檢測驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置的編碼器

  定日鏡控制系統(tǒng)的關(guān)鍵核心,是半開環(huán)半閉環(huán)的立體角度控制,其對太陽光角度的獲取與到位是開環(huán)的,提前獲得當(dāng)?shù)靥栜壽E位置與計算每個時間段的反射角度;而控制器雙軸驅(qū)動的轉(zhuǎn)角仰角到達(dá)這樣提前計算的角度位置是閉環(huán)控制,根據(jù)位置傳感器——編碼器的反饋位置比較電機(jī)的驅(qū)動執(zhí)行。這樣的目的是控制造價成本與運(yùn)營維護(hù)成本,高精密的動態(tài)隨動系統(tǒng)隨時捕捉太陽光角度的一次投入成本和運(yùn)行維護(hù)成本對于這樣數(shù)千片的定日鏡控制系統(tǒng)成本偏高,而不宜使用,隨之代替的是堅實(shí)耐用的回轉(zhuǎn)裝置,由減速電機(jī)驅(qū)動,并由兩個高可靠性低成本的增量編碼器作為轉(zhuǎn)角仰角位置的反饋傳感器。

  定日鏡所用角度傳感器的核心,是高可靠性接近免維護(hù)而且還要低成本的增量編碼器。其所需的可靠性要求包括如下:

  1, 高防護(hù)等級的密封特性。由于大部分工作在戶外沙漠地區(qū),對于風(fēng)沙和因高溫差變化引起的吸入式水氣侵入的防護(hù)特別的重要,因此對于編碼器的外殼封裝要求不可以有一顆螺絲擰緊式封裝,而是金屬外殼的一次性擠壓式密封,構(gòu)成編碼器外殼與底座的同材料一體化,并抗氧化。外殼的防護(hù)等級必須在IP67或以上,轉(zhuǎn)軸的防護(hù)等級必須在IP64或以上。

  2, 寬電源與電氣保護(hù)。由于功耗的要求,此編碼器的工作電壓是5V,但是編碼器所需的供桌電壓范圍是5到30Vdc,并具有反接保護(hù)過壓保護(hù),以防止戶外的雷電感應(yīng)沖擊。

  3, 輸出信號的穩(wěn)定可靠性,由于是選用較低成本的增量脈沖信號的編碼器,且工作電源為較低的5V,信號輸出也僅僅是5V的推挽式,信號電纜較長的可能達(dá)到5—10米,這對于增量信號輸出的可靠穩(wěn)定性有很高的要求,要求在整個白天工作期間的沒有丟脈沖。這樣的增量編碼器的信號輸出會要求經(jīng)過嚴(yán)格的實(shí)驗測試,達(dá)到抗干擾穩(wěn)定輸出的電氣特性。(歐盟檢測機(jī)關(guān)的CE電磁兼容性認(rèn)證)。

  4, 寬溫度范圍。沙漠地區(qū)的溫差很大,一般要求編碼器的溫度范圍達(dá)到 -25℃——80℃。

  5, 抗震動沖擊等級。由于空曠場地的大風(fēng)振動可能,要求編碼器的抗振動沖擊等級較高,包裝盒內(nèi)六面一米跌落無損。

  6, 最關(guān)鍵的是低價格和較長時間的質(zhì)保期。之所以沒有選擇更可靠合理的絕對值多圈編碼器,也是因為此項應(yīng)用的低成本要求。數(shù)千個定日鏡,每個定日鏡需要兩個編碼器,這樣規(guī)模的成本壓力下,接近于免維護(hù)的信號可靠且低成本的增量編碼器是第一選擇。

  7, 型號GI58增量編碼器恰巧是一款符合上述所有要求的編碼器, 2013-至今已超過一萬個GI58增量編碼器投入在太陽能跟蹤定日鏡應(yīng)用,已在國外太陽能光熱聚焦反射板定日跟蹤、太陽能光伏定日跟蹤項目中應(yīng)用(例如南非西開普省Touwsrivier項目、德國、沙特示范性應(yīng)用項目、中國哈密弗光電站等)由采購廠商美國KINEMATICS(美國凱邁)、法國Soitec公司項目采購。




  塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析

  目前各國政府對 CSP 發(fā)展的態(tài)度,以及對技術(shù)路線選擇的傾向性基本一致:即同時支持技術(shù)成熟穩(wěn)定的槽式系統(tǒng)和效率更高的塔式系統(tǒng)。相對于槽式系統(tǒng)的“線聚光”,采用“點(diǎn)聚光”的塔式系統(tǒng)能夠具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率,其技術(shù)也逐漸獲得認(rèn)可,采用這項技術(shù)的多座商用電站(或大型實(shí)驗電站)已于近幾年建成。

  塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的總投資成本由各部分投資成本之和組成。包括定日鏡的成本、接收器的成本、接收塔的成本以及場地的成本、蓄熱系統(tǒng)成本等。其中定日鏡由于數(shù)量多,占地面積大,其投資成本在整個塔式熱發(fā)電系統(tǒng)總成本中占有較大的比例,因此這一部分投資成本和維護(hù)成本的控制,也是這樣應(yīng)用推廣的核心問題。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)將是近期在世界范圍內(nèi)推進(jìn)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)商業(yè)化應(yīng)用的突破口和重點(diǎn)。其中聚光裝置作為太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)投資最大的核心設(shè)備之一,提高其可靠性、穩(wěn)定性和跟蹤精度及降低成本是今后塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)重點(diǎn),對實(shí)行太陽能熱發(fā)電商業(yè)化運(yùn)行具有重大意義。


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