【文章內(nèi)容簡介】 化為商業(yè) 應用。 皇明公司作為太陽能行業(yè)的領航者，擬建立太陽能熱利用高溫發(fā)電技術工程實驗室，突破太陽能高溫發(fā)電的理論與實踐轉(zhuǎn)化的瓶頸，對高溫發(fā)電系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進行研發(fā)，提高太陽能高溫發(fā)電的商業(yè)化水平，加快實現(xiàn)可再生能源替代，保護環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，帶動整個行業(yè)技術水平的提高，增強國家 的綜合實力。 第三章 項目 發(fā)展戰(zhàn)略、 建設 內(nèi)容和目標 一、 工程實驗室發(fā)展戰(zhàn)略 工程實驗室根據(jù)國家和地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，研究和開發(fā)產(chǎn)業(yè)技術進步 和結構調(diào)整 方面 的關鍵共性技術，以科技成果產(chǎn)業(yè)化、運行機制現(xiàn)代化、發(fā)展方向市場化為核心，采用機制創(chuàng)新與技術創(chuàng)新并重的方針，通過建設高水平的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化基地，形成高水平的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化 團隊 ，促進科研成果轉(zhuǎn)化為具有自主知識產(chǎn)權的成套技術和工藝，縮短技術轉(zhuǎn)移和推廣應用的周期，推動太陽能熱利用太陽能高溫發(fā)電技術的進步和產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整。 （ 1） 加強工程實驗室建 設，完善研發(fā)的手段與技術，形成更加有利于實驗室技術創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化的有效運行機制 。 （ 2） 加強與國內(nèi)外高等院校、科研機構的合作，充分利用國內(nèi)外先進的技術資源，為企業(yè)創(chuàng)新服務。 （ 3） 在工程實驗室完成科研成果的中試，為皇明公司為依托完成產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，取得經(jīng)濟效益。工程實驗室將整合研發(fā)、資金、“皇明”品牌等因素，加強國際合作，力爭引領國內(nèi)市場、打入國際市場。在戰(zhàn)略上，工程實驗室將以創(chuàng)新為目標，力爭在三到五年內(nèi)，在太陽能熱利用高溫發(fā)電領域取得 2 至 5 項達到世界領先水平的關鍵技術成果，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的相應的產(chǎn)品系列，真正 成為太陽能熱利用高溫發(fā)電基地。 二、工程實驗室 建設 內(nèi)容 工程實驗室重點研發(fā)太陽能高溫發(fā)電的九大核心技術： 聚光技術研究、自動控制技術研究、集熱技術研究、傳蓄熱技術研究、保溫技術研究、壓力循環(huán)技術研究、仿真技術應用、新材料技術研究、與建筑一體化應用技術研究。 聚光技術研究 聚光技術就是采用反射鏡把太陽光聚焦到吸熱器上，產(chǎn)生高溫熱能。太陽能高溫發(fā)電聚光技術主要是定日鏡技術，包括自動跟蹤系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、抗風沙、紫外線、鹽霧、酸雨等惡劣室外環(huán)境技術。 反射鏡需滿足：良好的光學性能，發(fā)射率要在 85%以上；良好的聚 光性能，確保拋物面鏡聚光后形成的光帶小于真空集熱管的吸熱管的直徑。 支架需滿足：良好的剛度和強度，保證聚光器能在風載、雪載、自重等負荷下正常工作；具有良好的抗疲勞能力，保證機械結構在反復交變工作條件下的壽命；具有良好的抗沙塵、冰雹等能力，保證電站在沙漠、高寒等惡劣條件下正常工作，同時抵御非正常氣候的破壞；良好的抗腐蝕能力，要有抗等性能；良好的運動性能，以使結構本身運動能耗降到最低；具有良好的保養(yǎng)、維護、運輸性能、支架在滿足整體剛性、強度的同時還應當易拆卸、組裝、保養(yǎng)。 根據(jù)定日鏡的性能要求，反射鏡和支架的技 術研發(fā)重點如下： （ 1）反射鏡 反射鏡按照反射次數(shù)可分為：一次聚光反射、二次聚光反射。 一次聚光反射是太陽光經(jīng)一次聚光鏡聚光后，照射在真空集熱管上，有吸收涂層吸收后，完成光熱轉(zhuǎn)換。此聚光反射聚焦比低，在30100 之間，聚焦溫度最高只能達 400 度作用，適合于小型的槽式發(fā)電系統(tǒng)。 二次聚光主要有平面 — 拋物面反射聚光鏡、拋物面 — 拋物面發(fā)射聚光鏡、拋物面 — CPC 反射聚光鏡。 平面 — 拋物面反射聚光鏡是用一組定日鏡將太陽光反射到一臺拋物面鏡上，陽光經(jīng)二次聚焦后，取得了較大聚光比，從而使系統(tǒng)取得較高的集熱溫度。但其一次 反射的定日鏡和二次聚焦的拋物面鏡需要兩套傳動結構，甚至兩套跟蹤系統(tǒng)，成本較高。日本在 20 世紀 80年代采用定日鏡 — 拋物面反射聚光器完成 1MW 槽式電站。 拋物面 — 拋物面發(fā)射聚光鏡，可在一次聚焦的拋物面鏡焦線處，放置二次聚焦拋物面鏡，集熱管放置在二次聚焦的拋物面焦線上，陽光經(jīng)二次聚焦后，取得了較大的聚光比，從而使系統(tǒng)得到較高的聚熱溫度。兩次聚光結構放置在同一支架結構上，可節(jié)省許多材料，降低成本，便于維護。 拋物面 — CPC 反射聚光鏡是將二次聚焦的拋物面改為 CPC 結構，集熱管放置在 CPC 的聚光帶上（ CPC 無焦點）。 反射鏡研究重點主要是反射鏡曲度研究和制作工藝。 反射鏡主要有平面反射鏡和曲面反射鏡，曲面反射鏡比平面反射鏡具有更高的聚光比和光斑溫度，曲面反射鏡的聚光比可高達 700， 聚焦光斑溫度可高達 1500 度。皇明公司采用曲面反射鏡，自主研發(fā)了復合拋物面的高溫聚熱器（專利號 ） ,采用二次聚光技術，內(nèi)反射鏡面由兩段對稱的拋物面和兩段沿拋物面交線對稱的漸開面組成的漸開線復合拋物面，有較大的聚光比和接受角度，聚光集熱效果好，成本低廉、易于操作。下圖 1 就是復合拋物面的高溫聚熱器。 圖 1復合拋物面的高 溫聚熱器 （ 1 底座加固支撐， 2 橫梁底座， 3 玻璃板固定板， 4 內(nèi)反射聚光鏡支架， 5 吸收管支架， 6吸收管， 7 鋼化玻璃板， 8 螺栓， 9 長螺栓 ， 10固定拉桿， 11 鉚釘， 12保溫層內(nèi)罩，13 保溫層外罩， 14內(nèi)反射聚光鏡， 15 保溫層， 16透氣碳氈， 17短螺栓 反射鏡的制造工藝比較復雜，對材質(zhì)要求很高，一般采用鍍銀金屬玻璃，銀具有吸收比低、反射比高（ 97%）的特點，但其在戶外容易老化，需在其上鍍一層銅起保護作用。目前鍍銀玻璃生產(chǎn)的主要工藝是曲面磁控濺射鍍膜法，其制造工藝為：平白超白玻璃 熱 彎 磁控濺射鍍銀 保護涂層。此法只有比利時、德國、法國等幾家企業(yè)掌握，國內(nèi)技術還是一片空白，只有皇明太陽能有限公司掌握了這項專利技術（專利號 ），生產(chǎn)出磁控濺射雙曲面太陽 能反光鍍銀玻璃鏡。下圖 2 是反射鏡結構圖。 圖 2 反射鏡結構圖 （ 2）支架 定日鏡的支架需要有很強的機械性能和抗腐蝕、抗疲勞能力，它的設計需要有良好的材質(zhì)和運行靈活性。 目前支架主要有鋼板結構和鋼框架結構，鋼板結構鏡架抗風沙強度較好 , 對鏡面有 保護作用 ,鏡本身可以做得很薄 ,有利于平整曲面的實現(xiàn)。鋼框架結構鏡架減小了鏡面的重量 , 減小了定日鏡運行時的能 耗 ,使之更經(jīng)濟。但這種鋼框架結構也帶來一個新問題 , 即鏡面支架與鏡面之間的連接 , 既要考慮不破壞鏡面涂層 , 又要考慮鏡子與支架之間結合的牢固性 , 還要有利于雨水順利排出 , 以避免雨水浸泡對鏡子的破壞。 針對此類問題設計了三種方式 : 在鏡面最外層防護漆上粘結上陶瓷墊片 , 用于與支撐物的連接 。 用膠粘結 。 用鉚釘固定。 為了增加支架的靈活性，支架的底座設計分為兩種：獨臂支架和圓形底座式支架。獨臂支架 具有體 積小、結構簡單、較易密封等優(yōu)點 , 但其穩(wěn)定性、抗風性也較差 , 但 為了達到足夠的機械強度 , 防止被大風吹倒 , 必須消耗大量的鋼材和水泥材料為其建鏡架和基座 。 圓形底座式定日鏡的基座一般均為金屬結構，穩(wěn)定性較好 , 機械結構強度高 , 且運行能耗少 , 但其結構比獨臂支架式復雜 , 而且其底座軌道的密封防沙問題也有待進一步解決。 皇明公司獨自研發(fā)了固定定日鏡的駁接爪裝置，就是利用比較靈活的每個駁接爪固定每塊定日鏡，具有安裝、拆卸、調(diào)整方便，整體移動反射鏡不破損的優(yōu)點，下圖 2 是固定定日鏡的駁接爪裝置。 圖 3 定日鏡的駁接爪裝置 （ 1 定日鏡反射鏡， 2 膠， 3 吸盤， 4 球頭螺栓， 5 壓緊螺母， 6 固定螺母， 7 支撐架， 8 連接臂， 9 駁接爪中心套， 10 調(diào)整螺母， 11 駁接爪固定桿， 12 支架） 皇明公司在定日鏡技術方面有 12 項發(fā)明專利， 4 項反射鏡專利，8 項支架調(diào)形、調(diào)整設計專利。 序號 專利名稱 專利號 1 定日鏡用反射鏡 2 一種基于提前量設計的復合拋物面的高溫聚熱器 3 一種定日鏡 4 一種大型 太陽光聚光反射裝置 5 用于固定定日鏡反射鏡的駁接爪 6 一種定日鏡的反射鏡用支撐調(diào)整裝置 7 一種定日鏡的反射鏡用支撐調(diào)型裝置 8 高精度雙軸傳動減速機 9 一種定日鏡的反射鏡夾持支撐調(diào)形裝置 10 一種單元反射鏡的調(diào)形裝置及調(diào)整方法 11 一種微弧菲涅爾反射鏡支撐調(diào)形裝置 12 一種太陽能槽式集熱器的集熱管可調(diào)支撐裝置 皇明公司在定日鏡聚光技術研究方面具有雄厚的技術實力，未來研究方面是反射鏡的鏡面曲度設計和支架靈活性、穩(wěn)定性設計等，通過與山大研究中心的合作，在太陽能高溫發(fā)電聚光技術方面將有重大的技術突破，提高定日鏡的聚光比、反射比，降低定日鏡成本。 自動跟蹤控制技術 研究 定日鏡聚焦陽光需準確的跟蹤控制系統(tǒng)，跟蹤控制系統(tǒng)主要采用三種方式控制：程序控制、傳感器控制、程序與傳感器聯(lián)合控制的方法。 程序控制是計算出太陽在一天中 的位置，并通過電機驅(qū)動裝置運動到目標位置，該方法可克服傳感器控制的缺點，但存在累積誤差，且程序復雜，對控制器要求較高；傳感器控制方法是實時測量太陽光的方向，但實際應用中存在跟蹤死區(qū)，跟蹤范圍窄；程序與傳感器混合控制的方法以程序控制為主，傳感器實時監(jiān)測做反饋的“閉環(huán)”控制，這種方式對程序進行累積誤差修正，使之在任何氣候條件下都能得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制，但由于成本和可靠性等問題，一直沒有被規(guī)模化使用。 目前廣泛采用的跟蹤控制方式是“開環(huán)”程序跟蹤方式 , 即利用時鐘來控制定日鏡的轉(zhuǎn)動角度。從上世紀 80 年代美國的 Solar One到 2020 年西班牙的 PS10 均采用了這種控制方式。 定日鏡開環(huán)跟蹤控制方式主要有兩種： 方位角 仰角跟蹤方式以及自旋 仰角跟蹤方式。 方位角 仰角跟蹤方式是指定日鏡運行時采用轉(zhuǎn)動基座 ( 圓形底座式 ) 或轉(zhuǎn)動基座上部轉(zhuǎn)動機構 ( 獨臂支架式 ) 來調(diào)整定日鏡方位變化 , 同時調(diào)整鏡面仰角的方式。 自旋 仰角跟蹤方式是指采用鏡面自旋 , 同時調(diào)整鏡面仰角的方式來實現(xiàn)定日鏡的運行跟蹤 , 這是由新的聚光跟蹤理論推導出的一種新的跟蹤方法 , 也叫“陳氏跟蹤方法”。陳氏跟蹤法比傳統(tǒng)的聚光跟蹤方法 能更有效的接收太陽能。 定日鏡跟蹤控制裝置主要采用雙軸跟蹤裝置：利用高度角一方位角式全跟蹤，通過兩電機分別控制高度角軸與方位角軸位置，如圖 1所示。跟蹤箱內(nèi)裝有跟蹤傳感器，傳感器通過檢測光線強度、光電池一三象限電壓差、二四象限電壓差等信號，來確定電機的轉(zhuǎn)向和速度，編碼器 編碼器 2 分別檢測高度角軸與方位角位置，電機 1 控制高度角軸，電機 2 控制方位角軸，兩軸的合成運動使跟蹤鏡頭始終跟隨太陽入射光線。 圖 4 雙軸自動控制裝置 定日鏡實現(xiàn)對陽光的實時跟蹤還需要傳動系統(tǒng)，把控制 信息通過傳動系統(tǒng)來調(diào)整定日鏡的方位和角度變化。 跟蹤傳動系統(tǒng)主要有三種傳動方式：齒輪傳動、液壓傳動、齒輪與液壓結合方式。由于平面鏡位置的微小變化都將造成反射光在較大范圍的明顯偏差 , 因此目前采用的多是無間隙齒輪傳動或液壓傳動機構。在定日鏡的設計研制中 , 傳動部件的密封防沙和防潤滑油外泄等也是重要環(huán)節(jié)。傳動系統(tǒng)選擇的主要依據(jù)是 : 消耗功率最小、跟蹤精確性好、制造成本最低、能滿足沙漠環(huán)境要求、具有模塊化生產(chǎn)可能性 , 密封符合美國 IP54 標準等。 皇明公司在自動控制系統(tǒng)研究方面有 2 項發(fā)明專利：一種控制定日鏡傳動箱 跟蹤誤差的阻尼裝置（專利號 ），一種定日鏡自動控制系統(tǒng)（專利號 ）。 皇明公司自主研發(fā)了雙軸全自動跟蹤控制，與中科院聯(lián)合研發(fā)了三維跟蹤技術、高精度控制傳動技術、使聚光系統(tǒng)精度達到聚光系統(tǒng)精度達到177。 度，而且研發(fā)出蝸輪蝸桿式、軌道鏈傳動式和雙蝸輪均力式等三種不同的傳動方式，使設備運行耗電量小于 4W。下圖 5 是皇明自主研發(fā)的雙 軸自動跟蹤控制系統(tǒng)。 圖 5 皇明自主研發(fā)的雙軸自動控制跟蹤控制系統(tǒng) 圖 5 中定日鏡的控制通過 PLC（可編程控制器）完 成對太陽角度的計算及指令代碼的轉(zhuǎn)換，將計算結果通過電動機進行控制字與反饋信號的雙向傳輸，控制電機按照既定的目標和速度運行，達到對日光的精確定位跟蹤。 皇明公司的自動控制技術已處于國際領先水平，未來研發(fā)方向：研發(fā)精確度更高的，傳動更靈活的自動控制裝置并應用于實踐。 集熱技術 研究 集熱系統(tǒng)是太陽能高溫發(fā)電的核心，集熱技術決定著高溫發(fā)電的效率，而集熱技術中的核心是選擇性吸收涂層，它決定著太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率， 選擇性吸收涂層的性能指標為：涂層的吸收比、發(fā)射比及其穩(wěn)定性。選擇性吸收涂層的性能決定于膜層材料和鍍膜工藝 。 選擇性吸收涂層一般采用氮化鋁不銹鋼做選擇性吸收涂層，但其耐高溫性能有限，太陽能高溫發(fā)電的選擇性吸收涂層采用耐高溫的金屬陶瓷做吸收涂層，高溫下性能穩(wěn)定，吸收比可達 93%以上。 選擇性吸收涂層的鍍膜工藝采用磁控濺射鍍膜，鍍的膜層均勻、不脫落、膜層之間相互干擾小，吸收比高、發(fā)射比低。 皇明公司自主研發(fā)了磁控濺射干涉鍍膜技術，使用 SSALN（氮化鋁金屬陶瓷）做集熱材料，膜層有紅外高反射金屬層，擴散阻擋層，吸收層，減