專利名稱：一種小面積平面定日鏡與大型匯聚式定日鏡結(jié)合的鏡場(chǎng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及塔式太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的定日鏡鏡場(chǎng)。
背景技術(shù)：
太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用定日鏡將太陽光反射到接收器上，然后通過接收器內(nèi)的 吸熱工質(zhì)如水、空氣、液態(tài)金屬或熔鹽等將太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮掌鬏敵龅臒崮?，最終產(chǎn)生高溫高壓的氣體來推動(dòng)蒸汽輪機(jī)或者燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電。在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，定日鏡作為基本聚光單元，是整個(gè)系統(tǒng)能量收集和轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)性設(shè)備，其投資成本約占總資本的50%,因此鏡場(chǎng)選用何種形式的定日鏡顯得尤為重要。目前，定日鏡反射面的普遍形式主要有(1)單片平面反射面(2)多片平面反射面；(3)單片曲面反射面；(4)若干小面積平面組成大面積反射面。對(duì)于第一種和第二種定日鏡形式，單片平面鏡通常尺寸較小，小面積平面定日鏡具有單元面積小、重復(fù)性高的特點(diǎn)，可采用業(yè)界常用的平面鏡的大小，通用性更強(qiáng)，更適于規(guī)?；a(chǎn)，且小面積定日鏡在運(yùn)輸、安裝、調(diào)試等方面的經(jīng)濟(jì)性更好，也更易于維護(hù)、更換，由小面積定日鏡組成的鏡場(chǎng)具有容錯(cuò)性好、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)低、建設(shè)工期短、靈活快速可復(fù)制的優(yōu)點(diǎn)。但是由于其反射面積較小，距離吸熱器較遠(yuǎn)的定日鏡投射到吸熱器上的光斑尺寸大、亮度不足，因此將直接影響吸熱器表面光斑質(zhì)量；對(duì)于第三種定日鏡形式，對(duì)于塔式太陽能電站而言，單片曲面反射鏡定日鏡焦距較大、曲率較小，因此對(duì)單片曲面反射鏡的熱彎模具精度及機(jī)械制造水平要求均較高，這無疑增加了定日鏡制造成本，增加了電站初期投資成本，限制了塔式熱發(fā)電的大規(guī)模發(fā)展，且此類型定日鏡一旦安裝定型完成后，其鏡面曲率就不可再調(diào)，因此無法根據(jù)需要對(duì)光斑進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，聚焦靈活性不夠，而在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中定日鏡將不可避免地出現(xiàn)由于面形、機(jī)械結(jié)構(gòu)變化、外界風(fēng)壓等因素而導(dǎo)致聚焦精度下降的問題，由此將導(dǎo)致定日鏡精度校正費(fèi)時(shí)費(fèi)力、單鏡維護(hù)成本較高；對(duì)于第四種定日鏡形式，由若干小面積平面組成大面積反射面，通過調(diào)整小反射鏡機(jī)械支撐的空間結(jié)構(gòu)可以使單臺(tái)大面積定日鏡形成凹面鏡，從而使光斑匯聚，滿足吸熱器對(duì)光斑的要求。美國(guó)上世紀(jì)的試驗(yàn)電站SolarOne和SolarTwo以及西班牙的PS10、PS20和GemaSolar等塔式太陽能熱電站均采用此類型定日鏡。對(duì)于太陽能鏡場(chǎng)控制而言，相同熱功率要求下，大定日鏡方案中定日鏡數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小定日鏡，對(duì)鏡場(chǎng)通訊控制的要求降低；同時(shí)單面大定日鏡反射匯聚的光斑較之小定日鏡具有更高的能量，從而有助于實(shí)現(xiàn)較高的聚光精度。然而，此類定日鏡在鏡面制作、機(jī)械工藝要求、批量制造、工程化安裝建設(shè)、容錯(cuò)性及運(yùn)行維護(hù)方面具有較高要求和實(shí)現(xiàn)難度。由于上述四種主流定日鏡反射面均存在明顯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，對(duì)于大規(guī)模電站鏡場(chǎng)采用其中任一種反射面形式均無法達(dá)到最優(yōu)效果。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供了一種小面積平面定日鏡與大型匯聚式定日鏡結(jié)合的鏡場(chǎng)，采用該結(jié)合方式的鏡場(chǎng)既能實(shí)現(xiàn)高容錯(cuò)性、短建設(shè)工期、低運(yùn)行維護(hù)成本，又能保證光斑質(zhì)量。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種小面積平面定日鏡與大型匯聚式定日鏡結(jié)合的鏡場(chǎng)，用于塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡場(chǎng)中，包括吸熱器、小面積平面定日鏡和大型匯聚式定日鏡，所述小面積平面定日鏡設(shè)置于距離所述吸熱器較近區(qū)域內(nèi)，所述大型匯聚式定日鏡設(shè)置于距離所述吸熱器較遠(yuǎn)區(qū) 域內(nèi)，且所述小面積平面定日鏡的反射鏡面積小于所述大型匯聚式定日鏡的反射鏡面積。 一些實(shí)施例中，所述小面積平面定日鏡的反射面由I 4片平面反射鏡面組成。一些實(shí)施例中，所述小面積平面定日鏡的反射面面積在I 20平方米之間。一些實(shí)施例中，所述大型匯聚式定日鏡的反射面由若干小面積平面鏡組成，所述若干小面積平面鏡拼接排列形成凹面反射面。一些實(shí)施例中，所述大型匯聚式定日鏡的反射面面積大于30平方米。一些實(shí)施例中，距離所述吸熱器較近區(qū)域和距離所述吸熱器較遠(yuǎn)區(qū)域的界限，通過整個(gè)鏡場(chǎng)在所述吸熱器的受光面上所投射的光斑的大小決定。本發(fā)明的有益效果在于對(duì)于大規(guī)模電站的鏡場(chǎng)，若單純采用小面積平面定日鏡，則距離吸熱器較遠(yuǎn)的定日鏡投射到吸熱器上的光斑尺寸大、亮度不足、形狀不規(guī)則，將直接影響吸熱器表面光斑質(zhì)量，且對(duì)遠(yuǎn)距離小面積定日鏡的校正難度也較大；而若單純采用大型匯聚式定日鏡，則由于該型定日鏡對(duì)鏡面制作、機(jī)械工藝、工程安裝維護(hù)要求較高，因此采用此類定日鏡的鏡場(chǎng)容錯(cuò)性較差且建造運(yùn)營(yíng)成本高，同時(shí)該型定日鏡占地面積較大，無法實(shí)現(xiàn)緊密排布以提高土地利用率。而本發(fā)明所提供鏡場(chǎng)通過將這兩種類型定日鏡進(jìn)行巧妙合理排布，既保留了小面積平面定日鏡場(chǎng)容錯(cuò)性好、建造運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低、可緊密排布、靈活快速可復(fù)制的優(yōu)點(diǎn)，又利用大型匯聚式定日鏡確保遠(yuǎn)距離定日鏡光斑大小和亮度，保證了鏡場(chǎng)整體聚光效果。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的鏡場(chǎng)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的定日鏡反射光路及光斑效果示意圖；圖3是完全采用小面積平面定日鏡的鏡場(chǎng)的光斑效果圖； 圖4是本發(fā)明所述鏡場(chǎng)的光斑效果圖。
具體實(shí)施例方式參見示出本發(fā)明實(shí)施例的附圖，下文將更詳細(xì)地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以以許多不同形式實(shí)現(xiàn)，并且不應(yīng)解釋為受在此提出之實(shí)施例的限制。相反，提出這些實(shí)施例是為了達(dá)成充分及完整公開，并且使本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員完全了解本發(fā)明的范圍。這些附圖中，為清楚起見，可能放大了層及區(qū)域的尺寸及相對(duì)尺寸。需要注意的是，本發(fā)明實(shí)施例附圖均以北半球?yàn)槔⒁妶D1，本實(shí)施例提供一種小面積平面定日鏡與大型焦距可調(diào)的匯聚式定日鏡結(jié)合的鏡場(chǎng)，包括吸熱器101、小面積平面定日鏡102以及大型匯聚式定日鏡103。距離吸熱器101較近區(qū)域內(nèi)的定日鏡反射鏡面積小于距離吸熱器101較遠(yuǎn)區(qū)域內(nèi)的定日鏡反射鏡面積，在距離吸熱器101較近的區(qū)域內(nèi)使用為小面積平面定日鏡102，在距離吸熱器101較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)使用大型匯聚式定日鏡103。小面積平面定日鏡102可設(shè)置于所述吸熱器101四周，所述大型匯聚式定日鏡103可設(shè)置于所述小面積平面定日鏡102四周。小面積平面定日鏡102的反射面由I 4片平面反射鏡面組成，反射面面積在I 20平方米之間；大型匯聚式定日鏡103的反射面面積大于30平方米，其反射面由若干小面積平面鏡組成，所述若干小面積平面鏡以一定方式拼接排列，通過調(diào)整平面鏡機(jī)械支撐的空間結(jié)構(gòu)來改變平面鏡角度使得整個(gè)反射面形成凹面，實(shí)現(xiàn)光線匯聚。本實(shí)施例中，小面積平面定日鏡102的反射面采用單片2平方米平面鏡，大型匯聚式定日鏡103由81面I平方米小面積反射平面組成大面積平面反射面，通過調(diào)整小反射鏡機(jī)械支撐的空間結(jié)構(gòu)可以使單臺(tái)大面積定日鏡形成凹面鏡。在對(duì)兩種不同形制的定日鏡進(jìn)行排布前，首先要確定近塔區(qū)和遠(yuǎn)塔區(qū)的界限，而其確定依據(jù)為整個(gè)鏡場(chǎng)在吸熱器受光面上所投射的光斑大小，即若超過此界限仍使用小面積平面定日鏡102，則單鏡光斑尺寸大于設(shè)定值。通過定日鏡與吸熱塔101之間的距離(鏡塔距離)、反射光方位角及高度角、吸熱器尺寸可建立太陽光斑影像方程，進(jìn)而確定單鏡光斑大小。對(duì)于受光面為平面的吸熱器，設(shè)受光面法線與受光面交點(diǎn)在地平坐標(biāo)系上的坐標(biāo)為(Xtl, y0, z0),坐標(biāo)系中規(guī)定z軸指向天頂，y軸指向南,X軸指向西,有以下太陽光斑影像方程Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0式中，各系數(shù)為A= [ma2+mb2+ (h_mc)2] cos2 O -ma2 B=2ma [ (h_mc) cos a -mbsin a ]C= [ma2+mb2+ (h_mc)2] cos2 Q -[ (h_mc) cos a -mbsin a ]2D = -2ma[ma2+mb2+ (h-mc) 2] cos2 Q + 2ma[ma2-mb (y0-y0cos a -mb) + (h_mc)(y0sin a +z0-mc)]E=2 [ma2+ (b_mb)2+ (h_mc)2] [ (y0_mb) sin a + (z0_mc) cos a ] cos2 Q ~2\_ (h_mc)cos a + (b-mb) sin a ] [ma2+ (b_mb) (y0-y0cos a -mb) + (h_mc) X (y0sin a -z0_mc)]F= [ma2+ (b-mb)2+ (h_mc)2] [y02-2y0 (y0-mb) cos a -2y0 (z0-mc) sin a + (x0-ma)2+ (y0-mb)2+ (z0-mc)2] X cos2 Q - [ma2+ (b_mb) (y0-y0cos a -mb) + (h_mc) (y0sin a _z0_mc) ]2其中，(ma，mb，m。)為定日鏡中心在地平坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；a為吸熱器受光面與豎直方向夾角，(0，b，h)為焦點(diǎn)在地平坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，2Q為太陽錐角。對(duì)于受光面為圓柱體的吸熱器，有以下太陽光斑影像方程Acos2 ( 3 t- 3 r) +Bcos ( 3 t- 3 r) +C=O式中，各系數(shù)為A = 4R2r2B=2Rr [h2csc2 9 tcos2 Q -R2_zh]C= (R2+zh) 2-h2csc2 9 tcos2 Q (r2+R2+z2)
其中，R為鏡塔距離，Pt為反射光方位角，et為反射光高度角，1*為圓柱形吸熱器半徑，為吸熱器柱面上某一給定點(diǎn)的法線的方位角，2Q為太陽錐角，h為焦點(diǎn)在地平坐標(biāo)系中的z向坐標(biāo)。當(dāng)通過以上影像方程計(jì)算出的單鏡光斑尺寸超過設(shè)定值時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的受光面與定日鏡水平距離即小面積平面定日鏡102的最遠(yuǎn)距離，則超過此距離時(shí)應(yīng)采用大型匯聚式定日鏡103。如圖2中虛線所示，若遠(yuǎn)塔區(qū)采用小面積平面定日鏡102，則經(jīng)其反射的光線投射到吸熱器101上所形成的光斑尺寸過大，甚至溢出吸熱器101表面，其光斑亮度低，能量分散，光斑質(zhì)量較差，且小面積平面定日鏡102的遠(yuǎn)距離校正難度較大、定日鏡精度難以保證，綜合以上因素，遠(yuǎn)塔區(qū)采用小面積平面定日鏡102的鏡場(chǎng)聚光精度較低且穩(wěn)定性較差。如圖2所示，若遠(yuǎn)塔區(qū)采用大型匯聚式定日鏡103，可通過改變小反射平面角度改變其反射光路，進(jìn)而改變匯聚焦距，光線在吸熱器101上的投射位置隨之改變，由此光斑形狀及大小 發(fā)生相應(yīng)變化，光斑變小，亮度變大，光能量變集中。圖3是完全采用小面積平面定日鏡102的鏡場(chǎng)的光斑效果，圖中所示光斑較大，亮度較小，能量分散；圖4是本發(fā)明所述鏡場(chǎng)的光斑效果圖，圖中所示光斑縮小，亮度變大，能量變集中。由此可見，利用本發(fā)明所提供鏡場(chǎng)能有效保證遠(yuǎn)距離定日鏡光斑大小和亮度，提高鏡場(chǎng)整體聚光效果。因本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，本發(fā)明可以以許多其他具體形式實(shí)現(xiàn)而不脫離本發(fā)明的精神或范圍。盡管業(yè)已描述了本發(fā)明的實(shí)施例，應(yīng)理解本發(fā)明不應(yīng)限制為這些實(shí)施例，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可如所附權(quán)利要求書界定的本發(fā)明精神和范圍之內(nèi)作出變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種小面積平面定日鏡與大型匯聚式定日鏡結(jié)合的鏡場(chǎng)，用于塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡場(chǎng)中，其特征在于，包括吸熱器、小面積平面定日鏡和大型匯聚式定日鏡，所述小面積平面定日鏡設(shè)置于距離所述吸熱器較近區(qū)域內(nèi)，所述大型匯聚式定日鏡設(shè)置于距離所述吸熱器較遠(yuǎn)區(qū)域內(nèi)，且所述小面積平面定日鏡的反射鏡面積小于所述大型匯聚式定日鏡的反射鏡面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的小面積平面定日鏡與大型匯聚式定日鏡結(jié)合的鏡場(chǎng)，其特征在于，所述小面積平面定日鏡的反射面由I 4片平面反射鏡面組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的小面積平面定日鏡與大型匯聚式定日鏡結(jié)合的鏡場(chǎng)，其特征在于，所述小面積平面定日鏡的反射面面積在I 20平方米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的小面積平面定日鏡與大型匯聚式定日鏡結(jié)合的鏡場(chǎng)，其特征在于，所述大型匯聚式定日鏡的反射面由若干小面積平面鏡組成，所述若干小面積平面鏡拼接排列形成凹面反射面。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的小面積平面定日鏡與大型匯聚式定日鏡結(jié)合的鏡場(chǎng)，其特征在于，所述大型匯聚式定日鏡的反射面面積大于30平方米。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的小面積平面定日鏡與大型匯聚式定日鏡結(jié)合的鏡場(chǎng)，其特征在于，距離所述吸熱器較近區(qū)域和距離所述吸熱器較遠(yuǎn)區(qū)域的界限，通過整個(gè)鏡場(chǎng)在所述吸熱器的受光面上所投射的光斑的大小決定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小面積平面定日鏡與大型匯聚式定日鏡結(jié)合的鏡場(chǎng)，用于塔式太陽能熱發(fā)電定日鏡場(chǎng)中，包括吸熱器、小面積平面定日鏡和大型匯聚式定日鏡，所述小面積平面定日鏡設(shè)置于距離所述吸熱器較近區(qū)域內(nèi)，所述大型匯聚式定日鏡設(shè)置于距離所述吸熱器較遠(yuǎn)區(qū)域內(nèi)，且所述小面積平面定日鏡的反射鏡面積小于所述大型匯聚式定日鏡的反射鏡面積。本發(fā)明采用該結(jié)合方式的鏡場(chǎng)既能實(shí)現(xiàn)高容錯(cuò)性、短建設(shè)工期、低運(yùn)行維護(hù)成本，又能保證光斑質(zhì)量。
文檔編號(hào)F24J2/16GK102967055SQ20121044881
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者李江燁, 李心, 劉琨, 王薇, 黃文君, 項(xiàng)翀 申請(qǐng)人:青海中控太陽能發(fā)電有限公司