引言

塔式光熱發(fā)電是指利用大規(guī)模陣列式定日鏡反射太陽(yáng)光至吸熱塔,通過(guò)換熱裝置提供蒸汽,結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的工藝,從而達(dá)到發(fā)電的目的。而且,通過(guò)加熱溶鹽的方式可以將太陽(yáng)能儲(chǔ)存在巨大的容器中,在太陽(yáng)落山后幾個(gè)小時(shí)仍然能夠帶動(dòng)汽輪發(fā)電。定日鏡是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中用于跟蹤太陽(yáng)并聚集反射太陽(yáng)光進(jìn)入位于吸熱塔頂部吸熱器內(nèi)的重要設(shè)備,其跟蹤準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性直接影響太陽(yáng)能熱發(fā)電的效率。近年來(lái),隨著光熱發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展,大尺寸定日鏡被更多地應(yīng)用于塔式光熱電站,同時(shí)采用液壓技術(shù)替代小定日鏡所采用的傳統(tǒng)"雙回轉(zhuǎn)減速機(jī)"或"回轉(zhuǎn)減速機(jī)+電動(dòng)推桿"電傳動(dòng)技術(shù),成為驅(qū)動(dòng)定日鏡跟蹤系統(tǒng)的一種新選擇。

1傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的不同類(lèi)型

由于光熱電站需要定日鏡一直追蹤太陽(yáng)實(shí)時(shí)軌跡,因此,白天需要長(zhǎng)時(shí)間不間斷地調(diào)整定日鏡方位,以便可以使反射太陽(yáng)光一直聚焦于光塔吸熱器上。高頻率的短時(shí)動(dòng)作是塔式光熱電站定日鏡的主要工作方式。摩洛哥NOOP3期光熱電站和青海海西光熱電站都采用了大面積定日鏡,也都采用了液壓驅(qū)動(dòng)的方式,但由于出自不同的設(shè)計(jì)院,還是有著不同的風(fēng)格。

1.1蓄能器方式

摩洛哥NOOP3期光熱電站位于努奧光熱發(fā)電園區(qū)內(nèi),工程裝機(jī)容量150Mw,是目前世界上已投入商業(yè)發(fā)電的最大規(guī)模塔式光熱電站,于2018年10月20日順利完成可靠性運(yùn)行試驗(yàn)。其使用178m2大尺寸定日鏡,共7500面,是單體面積全球最大的定日鏡。鏡場(chǎng)部分由西班牙SENOR設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì),使用液壓+蓄能器的方式進(jìn)行定日鏡控制。全套液壓系統(tǒng)使用西班牙GLUAL公司的液壓缸和活塞式蓄能器,分別在水平方向布置3個(gè)水平缸,豎直方向布置1個(gè)俯仰缸,如圖1所示。通過(guò)8個(gè)單電控電磁閥進(jìn)行控制:在油缸過(guò)濾器部位設(shè)有一個(gè)壓力傳感器,對(duì)過(guò)濾器壓力進(jìn)行監(jiān)控,過(guò)濾器達(dá)到設(shè)定值進(jìn)行清理:使用蓄能器儲(chǔ)能,在定日鏡動(dòng)作最頻繁的時(shí)候,可以做到15min進(jìn)行一次儲(chǔ)能。

圖1  N00R電站定日鏡（上部白色圓筒為蓄能器及俯仰缸,下方為3個(gè)水平缸）

使用蓄能器可以起到儲(chǔ)存能量和穩(wěn)定壓力的作用,避免油泵的頻繁啟動(dòng),另外,如果需要對(duì)定日鏡進(jìn)行高速動(dòng)作,蓄能器還能起到平穩(wěn)壓力的作用,可使定日鏡在高速動(dòng)作的同時(shí)基本保持相同速度:3個(gè)水平缸的布置方式,在追日模式下可以對(duì)驅(qū)動(dòng)油缸位置進(jìn)行精確控制,使進(jìn)油量控制在1～2mL級(jí)別,對(duì)應(yīng)定日鏡跟蹤精度可達(dá)士0.3mrad:同時(shí)使用密閉式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),軸承元件整體密封,避免了風(fēng)沙及異物對(duì)軸承的影響,可以使定日鏡在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)做到平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)然,使用3個(gè)水平缸,增加了穩(wěn)定性的同時(shí),也增加了硬件采購(gòu)方面的成本:密閉式的軸承使所有的組裝作業(yè)都要在定日鏡組裝車(chē)間內(nèi)完成,現(xiàn)場(chǎng)如果出現(xiàn)問(wèn)題,無(wú)法進(jìn)行故障排查,必須整體吊裝回到組裝車(chē)間重新安裝,不利于后期的檢修與維護(hù)。

1.2變頻器方式

青海海西50Mw光熱電站位于青海省格爾木市,屬于魯能海西州多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程中的光熱發(fā)電站,是世界上首個(gè)集風(fēng)光熱儲(chǔ)調(diào)荷于一體的多能互補(bǔ)科技創(chuàng)新項(xiàng)目。該項(xiàng)目使用4400面l44m2大尺寸定日鏡,是目前國(guó)內(nèi)單體定日鏡面積最大、儲(chǔ)熱時(shí)間最長(zhǎng)的項(xiàng)目,于2020年8月27日順利完成l20h可靠性運(yùn)行。鏡場(chǎng)部分由西班牙ABENGo設(shè)計(jì)院與中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力

設(shè)計(jì)院共同設(shè)計(jì),使用變頻器+液壓泵的方式對(duì)定日鏡進(jìn)行控制。采用國(guó)產(chǎn)370w電機(jī)+小功率變頻器對(duì)液壓泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng),通過(guò)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)微型定量柱塞泵為系統(tǒng)提供壓力源,變頻電機(jī)分別在高頻和低頻狀態(tài)下工作,以應(yīng)對(duì)定日鏡的快速和慢速運(yùn)動(dòng)。通過(guò)主回路的電磁換向閥控制泵源向驅(qū)動(dòng)供油。

海西電站定日鏡在水平方向布置2個(gè)水平缸,豎直方向布置1個(gè)俯仰缸,如圖2所示,通過(guò)3個(gè)雙電控電磁閥進(jìn)行控制。在追日模式下,通過(guò)變頻器給定低頻率對(duì)油缸進(jìn)行精確控制:在早午晚太陽(yáng)角度變化規(guī)律不同的情況下,再對(duì)變頻器低頻進(jìn)行分段設(shè)置,而在遇到突然的大風(fēng)天氣或其他需要緊急收起定日鏡的情況下,可以使用變頻器給定高頻率進(jìn)行操作,這樣就提升了操作的靈活性與多樣性:同樣地,使用壓力傳感器監(jiān)控過(guò)濾器壓力,可以及時(shí)清理油缸。

圖2  海西電站定日鏡（分別布置2個(gè)水平缸及1個(gè)俯仰缸,無(wú)蓄能器）

由于定日鏡水平方向上的驅(qū)動(dòng)由2個(gè)油缸來(lái)完成,那么不可避免地,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)經(jīng)過(guò)士45o和士135o這4個(gè)切缸角時(shí),從2個(gè)水平缸配合動(dòng)作變?yōu)?個(gè)水平缸單獨(dú)動(dòng)作,在追日模式下速度較慢時(shí),對(duì)定日鏡的動(dòng)作影響不明顯,但當(dāng)使用高速模式操作時(shí),在經(jīng)過(guò)切缸點(diǎn)時(shí)就能明顯感覺(jué)到速度的遲緩,而且長(zhǎng)時(shí)間在固定點(diǎn)位降速也會(huì)對(duì)回轉(zhuǎn)軸承造成一定的磨損。

相對(duì)于采用蓄能器方式的定日鏡,此方式減少了一套水平缸以及相應(yīng)的電磁閥,在成本上具有一定優(yōu)勢(shì),變頻器可以通過(guò)編程的方式對(duì)頻率進(jìn)行按需切換,操作更加靈活:而將蓄能器替換為變頻器,變頻器安裝在就地LoC箱內(nèi)部,位于立柱上人手可及的高度,在檢修上也更為便捷:但是在定日鏡的運(yùn)動(dòng)控制上存在些許不足之處,當(dāng)然這個(gè)也要具體情況具體分析,不同的項(xiàng)目需求是選擇方案的一個(gè)重要因素。

2數(shù)字液壓方式

除上述兩種液壓驅(qū)動(dòng)方式之外,還有一種數(shù)字液壓技術(shù)正在光熱發(fā)電中逐步開(kāi)展應(yīng)用。數(shù)字液壓,即液壓執(zhí)行器件(油缸、油馬達(dá)）的運(yùn)動(dòng)特性與電脈沖一一對(duì)應(yīng),電脈沖的頻率對(duì)應(yīng)油缸的運(yùn)動(dòng)速度(油馬達(dá)角速度）,電脈沖的數(shù)量對(duì)應(yīng)油缸的運(yùn)動(dòng)行程(油馬達(dá)角度）,執(zhí)行器件的精度不受負(fù)載、油壓等影響而發(fā)生變化。

數(shù)字液壓與傳統(tǒng)液壓最大的區(qū)別在于,傳統(tǒng)液壓控制方式需要通過(guò)外置的傳感器對(duì)定日鏡的水平及俯仰方向進(jìn)行角度測(cè)量,而數(shù)字液壓只對(duì)油缸進(jìn)行精確控制,通過(guò)伸出長(zhǎng)度推算當(dāng)前角度,省去了額外儀表的開(kāi)支。數(shù)字液壓集成了伺服閥精確的控制能力和精度,在構(gòu)成上更簡(jiǎn)單,具有成本優(yōu)勢(shì)。但是由于控制方式的不同,數(shù)字液壓無(wú)法對(duì)鏡片的偏移、定日鏡長(zhǎng)時(shí)間的地基沉降等其他干擾做出及時(shí)有效的響應(yīng),在定日鏡面積較小、鏡場(chǎng)場(chǎng)地規(guī)模不大的情況下,低成本的數(shù)字液壓具有一定的推廣價(jià)值。目前已經(jīng)由北京某公司在西班牙光熱發(fā)電測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試,作為光熱發(fā)電中的新興力量,在解決好干擾源的擾動(dòng)問(wèn)題之后,作為一個(gè)低成本的液壓驅(qū)動(dòng)方式,數(shù)字液壓未來(lái)還有很大的發(fā)展空間。

3結(jié)語(yǔ)

由于光熱項(xiàng)目的特殊性,定日鏡具有規(guī)?；奶攸c(diǎn),一個(gè)設(shè)備在定標(biāo)后,出貨量是以百甚至以千為單位進(jìn)行計(jì)算的,這對(duì)于國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)制造企業(yè)是一個(gè)非常好的發(fā)展機(jī)會(huì)。在2018年國(guó)內(nèi)某光熱電站正式動(dòng)工前,EPC方對(duì)國(guó)內(nèi)定日鏡的液壓驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行過(guò)一次比對(duì),國(guó)內(nèi)總共只有5個(gè)廠(chǎng)家參與,驅(qū)動(dòng)方式無(wú)外乎以上3種。國(guó)際上,光熱發(fā)電目前正處在一個(gè)裝機(jī)容量不斷增加,配套廠(chǎng)商不斷增多,單位發(fā)電成本不斷下降的大環(huán)境中,與此同時(shí),我國(guó)不論是在政策還是資金上都在大力扶持新能源項(xiàng)目。在光熱發(fā)電領(lǐng)域,相比美國(guó)、西班牙這些光熱發(fā)展較早的國(guó)家,我國(guó)在理論和技術(shù)上還相對(duì)落后,相關(guān)配套廠(chǎng)家也不多,但未來(lái),光熱發(fā)電在中國(guó)一定會(huì)有更大更好的發(fā)展,各廠(chǎng)家也有更多的機(jī)會(huì)參與到國(guó)內(nèi)外的競(jìng)爭(zhēng)中去,為國(guó)家創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。