1.4.2　塔式太阳能光热发电系统

塔式系统采用点聚焦式的集热方式，其结构如图1.32所示[34]。塔式系统主要由定日镜场、吸热塔和电力转换3个主要的子系统组成。定日镜跟踪太阳，将太阳光聚集至吸热塔上的吸热器，加热吸热器中的载热流体，以产生高温蒸汽，驱动汽轮机发电。整个定日镜场中的太阳辐射能聚集到吸热器上，因此塔式系统可以达到较高的温度（最高可达1000℃）和较大的功率级别（1～500MW），从而有效降低成本，提高效益。其中，定日镜场是塔式太阳能光热发电的核心部件，也是清洁维护的主要对象。

图1.32　塔式太阳能光热电站结构

定日镜由镜面（反射镜）、镜架（支撑结构）、跟踪传动机构和控制系统构成，用于跟踪接收并聚集反射太阳光线进入吸热塔顶端的吸热器内，是塔式太阳能光热电站的主要装置[35]。反射镜是定日镜的核心组件，根据镜表面形状可分为平凹面镜、曲面镜等几种。目前国内外采用的定日镜大多是镜表面具有微小弧度的平凹面镜。从镜面材料上分，主要有两种反射镜。一种是张力金属膜反射镜，其镜面用0.2～0.5mm厚的不锈钢等金属材料制作而成，通过调节反射镜内部压力来调整张力金属膜的曲度，其形貌如图1.33（a）所示。

图1.33　两种塔式定日反射镜

张力金属膜反射镜的缺点是反射率低、结构复杂。另一种是玻璃反射镜，目前建成投产的塔式光热电站定日镜，以及待建的塔式电站均采用玻璃反射镜，其形貌如图1.33（b）所示。玻璃反射镜的优点是质量轻、抗变形能力强、反射率高。从清洁的角度讲，金属膜反射镜呈大曲面，而玻璃反射镜则呈平面，玻璃反射镜更易于清洁。通常反射镜采用玻璃作为基体，表面镀厚度为70nm的银层，再镀厚度为30nm的铜作为过渡层，然后再涂两层保护漆。尘土沉积对定日镜反射性能影响很大，清洁维护是塔式聚光集热的难题，目前唯一有效可行的方法是采用机械清洗设备定期清洗[35]。

定日镜基座有独臂支架式（见图1.33（b））和圆形底座式（见图1.33（a））两种，圆形底座式的基座一般采用金属结构。目前大多数塔式光热电站采用的均是独臂支架式，其基座有金属结构和混凝土结构两种。独臂支架式定日镜具有体积小、结构简单、较易密封等优点，但其稳定性和抗风性差，为达到足够的机械强度和抗风性能，需要消耗大量钢材和水泥，建设成本较高。

为保证将不同时刻的太阳光反射到吸热器，定日镜必须跟踪太阳运动，其跟踪方式有两种，分别为方位角—仰角跟踪方式和自旋—仰角跟踪方式，如图1.34所示。方位角—仰角跟踪方式是指定日镜运行时采用转动基座（圆形底座式）或转动基座上部转动机构（独臂支架式）来调整定日镜方位变化，调整镜面仰角的方式。自旋—仰角跟踪方式是指采用镜面自旋，同时调整镜面仰角的方式来实现定日镜的运行跟踪，这是由新的聚光跟踪理论推导出来的一种新的跟踪方法，也称“陈氏跟踪方法”[35]。定日镜的传动方式多采用齿轮传动、液压传动或两者相结合的方式，其跟踪控制方式与光伏双轴跟踪一样，有开环、闭环和开闭环结合3种方式[34]。

图1.34　塔式定日镜跟踪方式

定日镜场布局主要遵循的原则是，定日镜近塔密、远塔疏。北半球电站塔北密，塔南疏，南半球则反之。以塔的数量划分，有单塔镜场和多塔镜场两种。单塔镜场的布局有长方形、圆形、扇形、贝形等。在长方形、圆形镜场中，吸热塔位于镜场中心位置，因此镜场分为南北两部分，如图1.35（a）所示[34]。为避免定日镜处于相邻定日镜反射光线的正前方而造成遮光损失，定日镜布局一般采用径向交错方式，如图1.35（b）所示。单塔镜场不能无限大，镜场的边界由吸热塔的高度和吸热器的相关尺寸决定。一般塔的高度越高，镜场面积越大。塔高一定时，则要求边界定日镜的反射光斑能够被吸热塔吸收。为了避免定日镜相互干涉，定日镜之间需要留有安全空间。荒漠中，昂然而立的吸热塔与定日镜场蔚为壮观。图1.36所示为雪后德令哈地区塔式太阳能光热电站［8］。吸热塔仿若荒漠中的一盏航站指示塔，照亮着高海拔荒漠地区的光伏产业，也照亮着从事光伏事业者的心灵。

图1.35　塔式定日镜场布局

图1.36　雪后德令哈地区塔式光热电站