碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)聚熱器調(diào)焦方法

蘭　維，　劉曉光（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)聚熱器調(diào)焦方法

蘭維，劉曉光
（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

當(dāng)今世界經(jīng)濟高速發(fā)展，帶來的必然是能源的大量消耗。而在能源變化形勢日趨嚴(yán)峻的背景下，太陽能作為一種清潔環(huán)保、儲量無窮的自然能源，得到了人們的廣泛關(guān)注。太陽能利用主要包括光伏及光熱兩大范疇，而碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術(shù)，由于其轉(zhuǎn)換效率高、排放低、布置靈活等優(yōu)勢，在是整個光熱發(fā)電領(lǐng)域中倍受青睞。本文從實際工程應(yīng)用的角度出發(fā)，詳細(xì)闡述了當(dāng)前碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的多種調(diào)焦方法，并對其進行綜合比較，分析每一種調(diào)焦方法的優(yōu)缺點及適應(yīng)場合，為后期碟式熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及大型碟式光熱電站的安裝調(diào)試提供參考。

碟式； 斯特林； 太陽能熱發(fā)電； 聚熱器； 調(diào)焦； 熱點

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.005

0　引言

太陽能熱發(fā)電技術(shù)是利用高精度聚光器將低密度的太陽能匯聚成高密度熱能，通過加熱工質(zhì)來驅(qū)動發(fā)電機、實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化。太陽能熱發(fā)電分為槽式、塔式和碟式三種形式，而碟式系統(tǒng)由于其效率高、零排放以及分散布置等特點而備受關(guān)注。

碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術(shù)，是利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射太陽光反射聚集在焦點上，這一過程可以稱之為聚熱。在焦點處放置斯特林發(fā)動機，太陽光聚集在斯特林發(fā)動機的吸熱器上產(chǎn)生高溫，通過熱交換驅(qū)動發(fā)動機產(chǎn)生機械能，斯特林發(fā)動機與發(fā)電機相連，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。

為獲得更高的轉(zhuǎn)換效率及更好的經(jīng)濟性，碟式聚熱器的發(fā)展趨勢無疑是反射面積的不斷增大，考慮到制造工藝及安裝、運輸?shù)木窒扌裕瑒荼貙资椒缴踔辽习倨椒降姆瓷涞娣职昊?］，即整個碟面由多塊反射板組成。在系統(tǒng)的調(diào)試階段，需將每塊面板位置重新調(diào)整，以獲得良好的聚焦效果，這一調(diào)試的過程稱之為碟式系統(tǒng)的調(diào)焦。

調(diào)焦過程中如多塊反射板在吸熱器上聚焦于同一位置，則會形成的溫度過高的熱點。熱點效應(yīng)是評價碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)聚集效果的重要標(biāo)準(zhǔn)，在整個系統(tǒng)的安裝、調(diào)試工作中至關(guān)重要，它將直接影響系統(tǒng)的效率、可靠性及安全性等等。因此，碟式聚熱器的調(diào)焦工作，核心目標(biāo)就是需要避免熱點的產(chǎn)生，或者將熱點效果降至最低［3］。

1　碟式系統(tǒng)調(diào)焦方法

碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成，通常會由于制造廠商的不同而存在差異，但從其功能模塊角度來看，一般都由支撐立柱、碟面聚熱器、支撐臂、斯特林發(fā)動機、跟蹤系統(tǒng)及控制系統(tǒng)所組成［1］，如圖1所示。

圖1　碟式斯特林太陽能熱電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在整個碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的安裝調(diào)試過程中，面板的調(diào)焦是整個碟式系統(tǒng)安裝過程中的重點及難點。多年來全世界該領(lǐng)域的工程設(shè)計人員及專家投入了大量的資源進行這方面的研究實踐。目前為止，比較常用的主要有以下三種調(diào)焦方法。

1.1對日調(diào)焦

顧名思義，就是在太陽照射下直接調(diào)焦，這就是最原始最簡單的調(diào)焦方式。將碟式聚熱器的每塊反光板的光斑調(diào)整到集熱器的相對位置［2］，每一塊板所形成的光斑與吸熱器上的位置一一對應(yīng)，對號入座。在反射面板的可調(diào)范圍內(nèi)，盡可能的使得光斑的分布均勻，從而避免熱點的產(chǎn)生。

此調(diào)焦方式在實際應(yīng)用中存在很大的難度。首先，在整個調(diào)焦過程當(dāng)中，碟面跟蹤系統(tǒng)需一直運行以保證碟面與太陽的同步性。跟蹤系統(tǒng)的不準(zhǔn)確性將直接使得調(diào)焦工作無法進行或錯誤進行。其次，對于大面積多面板的碟面來說，每調(diào)試一塊反光面板時都應(yīng)該將其他面板遮蓋，以便更清楚的看出其光斑的分布情況。第三，調(diào)焦時，操作人員都是高空作業(yè)，同時系統(tǒng)在運行中聚焦光斑的掃掠，具有很大的危險性。第四，此方法還受到天氣的嚴(yán)重影響，在非晴日工作無法開展，使得安裝工期在很大程度上具有不確定性。通常情況下，為節(jié)省系統(tǒng)的研究開發(fā)經(jīng)費，對日調(diào)焦只應(yīng)用于碟式斯特林太陽能熱電系統(tǒng)測試樣機的調(diào)試。

1.2成像原理調(diào)焦

此方法即利用光學(xué)成像原理，對碟式聚熱器的每一面板進行單獨調(diào)解，以最終獲取良好的聚焦效果。實際操作時，整體布置如圖2所示。在碟式系統(tǒng)焦點處放置一標(biāo)靶，標(biāo)靶為具有一定強度的平板結(jié)構(gòu)，其大小與斯特林發(fā)動機吸熱器大小相當(dāng)。標(biāo)靶朝向碟式聚熱器的一面印有彩色圖案，圖案的個數(shù)與分布形式與碟式聚熱器的反射面板保持一致，圖案的形狀可以為彩色間隔的色塊或其他便于觀察及分辨的形狀［4］。如圖3所示，圖中采用的為扇形分布且印有單個阿拉伯?dāng)?shù)字的圖案。在碟面的正前方放置一攝像機，以便于觀察和記錄標(biāo)靶的成像，理論而言，攝像機應(yīng)放在碟面正前方無窮遠(yuǎn)處，才能觀察到清晰的標(biāo)靶圖案在反射面板上的成像，但在實際操作過程中，當(dāng)攝像機離碟面距離大于4倍焦距時，基本能滿足調(diào)焦要求［4］。

圖2　成像原理調(diào)焦系統(tǒng)圖（1-標(biāo)靶、2-攝像機）

圖2　標(biāo)靶圖案分布圖

圖4　調(diào)焦后標(biāo)靶圖案在整個碟面上的成像

通過觀察攝像機，調(diào)整碟式聚熱器的反射面板，使得反射面板上的標(biāo)靶圖案虛像正好完全布滿整塊反射面板，按照此要求對每一反射面板進行調(diào)節(jié)，最終整個標(biāo)靶的圖案將完成成像與碟面上，如圖4所示，至此調(diào)焦工作結(jié)束。

成像原理調(diào)焦法是利用光學(xué)成像的原理，有其自身獨特的特性。首先，相對于常規(guī)的在太陽直射光下，靠人眼觀察的調(diào)焦方法，具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。其次，該方法無需任何專業(yè)設(shè)備和高端技術(shù)，所用標(biāo)靶亦可手工制作，調(diào)試工作成本低廉，實施相對容易。第三，該調(diào)焦方法雖在戶外進行，但沒有太陽光仍能繼續(xù)作業(yè)，碟式熱電站的施工安裝工期更加可控，同時施工人員的安全性得到可靠保障。需要指出的是，成像原理調(diào)焦的方法也存在其局限性，綜合而言，其碟面反射面板的調(diào)節(jié)工作主要依靠人力手動完成，相率相對較低，僅適應(yīng)于測試樣機調(diào)試或者10臺左右的小型碟式斯特林太陽能光熱示范電站的調(diào)試。

1.3影像系統(tǒng)調(diào)焦

影像系統(tǒng)調(diào)焦主要應(yīng)用光學(xué)反射及感光原理，建立一套完全自動化的調(diào)焦系統(tǒng)，它涵蓋光學(xué)、機械、傳動及自動控制等多個技術(shù)領(lǐng)域，具有高度的集成性及協(xié)作性［5］。

該影像調(diào)焦系統(tǒng)通常由旋轉(zhuǎn)調(diào)試平臺、伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)、感光系統(tǒng)、平行光發(fā)射器、顯示/控制中心所組成。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　影像調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在實際調(diào)試工程中，將整個被調(diào)試的碟式裝置放置與旋轉(zhuǎn)調(diào)試平臺上，并進行水平校準(zhǔn)，使得碟面的中心軸與旋轉(zhuǎn)平臺平面垂直（允許一定的誤差）。在碟式裝置的正上方設(shè)置平行光發(fā)射器，其主要目的是通過一定的光學(xué)手段，產(chǎn)生一束平行光用以模擬太陽直射光。調(diào)整平行光發(fā)射器使得射出平行光與碟面中心軸線保持平行。平行光射入碟面，經(jīng)反射面板反射聚焦后，在安裝于碟面焦點處的感光系統(tǒng)上形成光斑［6］。

感光系統(tǒng)的主要部件為感光屏。感光屏的大小與實際斯特林發(fā)動機吸熱器大小相當(dāng)，并將其以周向和徑向方式劃分為多個單元。其單元的劃分形式與碟式系統(tǒng)反射面板的布置形式相同，以保證在感光屏上的每一區(qū)域都有唯一的一塊反射面板與之對應(yīng)。感光系統(tǒng)通過感光屏上光斑的實際位置、形狀與理論位置、形狀（感光屏上劃分好的區(qū)域）的相對位置進行比較，發(fā)出對應(yīng)信號至控制中心，并同時將光斑圖形輸出在顯示屏上。控制中心對感光系統(tǒng)的輸入信號進行處理運算，并發(fā)出控制信號至伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)，精準(zhǔn)的驅(qū)動伺服電機調(diào)節(jié)反射面板的位置，從而改變光斑的大小、形狀和位置。通過不斷的循環(huán)，使得實際光斑與理論位置的偏移達(dá)到預(yù)設(shè)值后停止動作，從而結(jié)束單塊面板的調(diào)節(jié)工作。

當(dāng)單塊面板的調(diào)節(jié)工作結(jié)束后，伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)暫時退出，旋轉(zhuǎn)調(diào)試平臺旋轉(zhuǎn)一定的角度，使得下一塊預(yù)調(diào)節(jié)面板就位，再進行上述調(diào)節(jié)工作。通過不斷的循環(huán)，而實現(xiàn)整個碟式系統(tǒng)的自動化調(diào)焦工作。調(diào)焦工作結(jié)束后，最終感光屏上的光斑形狀如圖6所示。

圖6　調(diào)整后感光屏上光斑的示意圖

影像調(diào)焦系統(tǒng)實現(xiàn)了碟式聚熱器調(diào)焦工作的真正自動化，其運作的高效性、準(zhǔn)確性毋庸置疑，必要時也可多套系統(tǒng)同時工作，以更大的加快調(diào)試工作進度。同時，該調(diào)焦方法利用人工光源進行工作，其不受天氣因素影響，使得調(diào)試安裝工期更加可控。值得注意的是，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟硬件技術(shù)高，同是需在工地現(xiàn)場搭建廠房，與自動化或半自動化的框架組裝流水線共同作業(yè)。該套系統(tǒng)的設(shè)計生產(chǎn)和調(diào)試，需要投入大量的資金，因此僅適用于大型碟式斯特林太陽能光熱電站的應(yīng)用。據(jù)了解，美國太陽能設(shè)備制造商Stirling Energy Systems（SES）在Maricopa建立含60套25kW碟式系統(tǒng)的光熱電站，其調(diào)試用的就是此類影像調(diào)焦系統(tǒng)。當(dāng)然，這也是后期碟式斯特林太陽能熱電系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

2　結(jié)語

碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術(shù)是光熱領(lǐng)域的重點發(fā)展方向，其反射碟面的調(diào)焦工作作為其工程應(yīng)用的重要安裝工藝，應(yīng)引起足夠重視。本文所介紹的三種調(diào)焦方法，各有優(yōu)缺點，在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的調(diào)焦方法。

［1］Beninga，K.，and R.Davenport，Design，Testing，and Commercialization Plans for the SAIC/STM 20 kW Solar Dish/Stirling System，Proceedings of the 30th IECEC，Orlando，F(xiàn)L，August 1995，pp.2.487-2.490.

［2］Gineste，J.M.，F(xiàn)lamant，G.，and Olalde，G.，1999，“Incident Solar Radiation Data at Odeillo Solar Furnaces，”J.Phys.IV，9，pp.623-628.

［3］Ulmer，S.，Reinalter，W.，Heller，P.，Lupfert，E.，and Martínez，D.，2002，“Beam Characterization and Improvement With a Flux Mapping System for Dish Concentrators，”ASME J.Sol.Energy Eng.，124（2），pp. 182～188.

［4］Stine，W.B.，1995，“Experimentally Validated Long-Term Energy Production Prediction Model for Solar Dish/Stirling Electric Generating Systems，”Proceedings of the Intersociety Energy Conversion Engineering Conference，Orlando，F(xiàn)L，Paper No.95～166.

［5］Bean，J.R.，and R.B.Diver，Performance of the CPG 7.5 kW Dish Stirling System，Proceedings of the 28th IECEC，Atlanta，GA.，August 8-13，1993，pp.2.627-2.632，ISBN O 7918-1221-9.

［6］Andraka，Charles E."Alignment Strategy Optimization Method for Dish Stirling Faceted Concentrators."Energy Sustainability 2007.Long Beach，CA，June 27～30.

Focusing Methods of Solar-electric Dish Stirling System

LAN Wei， LIU Xiao-guang
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Nowadays，the high-speed economic development has caused significant consumption of energy.While the energy change is getting severer，solar energy is taken as a clean，environmental friendly resource with infinite storage that has aroused a wide public concern.Photovoltaic and solar thermal are two main categories of solar energy applications.Because of its high conversion efficiency，low emission and flexible installation，dish Stirling solar energy power technology is more preferable to be used among the solar thermal area.From the view of practical engineering application，this paper illustrates multiple focusing methods of the current dish Stirling solar energy power systems in detail，and the comparison of these methods are given to analyze their advantages，disadvantages and their application scenarios.It can be used for the future development of dish Stirling solar energy power technology and applied as a reference for large dish solar thermal power plants'installations and tests.

dish； Stirling； solar thermal power； solar energy collector； focusinghotspot

TM615

B

2095-3429（2015）02-0017-04

蘭維（1981-），男，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事新能源行業(yè)技術(shù)開發(fā)及技術(shù)服務(wù)工作。

2015-03-04

2015-04-20