跟踪太阳光照的装置(2019年品牌推荐）

跟踪太阳光照的装置

单位名称：  

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所在期刊： 2012 

专利(申请)号： 201010184192.8 

所属领域： 无  

项目名称： 无  

项目的主要用途和技术特点：

 

无能耗、抗风沙，工业化（重型）日照跟踪技术专利简介

----------大规模、高精度、超稳定性，低成本

辽宁·大连

一、项目目标：解决大型太阳能电站“建得起”、“用得住”的根本性问题

太阳能的利用，全世界各国政府、企业都投入了大量的人力、物力予与研究开发，几十年过去了，虽然在光电转换效率等方面取得了长足的进步，但是太阳能的大规模的工业化利用始终没有走出“实验研究阶段”，其根本原因还是综合发电成本太高而影响其走向商业化开发与利用。而构成其成本的绝大部分是建设电站时投入的采光设施的建造成本和后期的运营维护成本，占到整个发电成本的50%～70%以上，规模化转换利用太阳能是进一步降低太阳能使用成本的必由之路。

据各国近十几年的实践证明，现有的光电检测——有源驱动式的跟踪技术，不仅技术复杂、材料成本、工艺成本、制造成本高，而且一般只能在野外环境中有效运行2～3年就要报废或更新，抗风沙能力差，只适合做小规模实验研究或是家庭使用，是造成太阳能电站“建得起”、“用不住”的主要原因。

本技术立足于低成本制造，“0”维护运行，着眼于大规模采光，重载荷运行的设计目标。

二、所属的技术领域及概况

本项目属太阳能开发与利用领域的采光技术范畴，尤其涉及大规模采光的日照跟踪技术。

众所周知，太阳能的工业化利用，必须以大面积、大规模的采光、聚光为前提。日照的跟踪是太阳能利用领域里前端的、基础性的关键技术与装备，对有效提高太阳能的转化利用效率、降低发电成本，提高整个系统效益等都具有十分重要的前提性作用。

目前在国内、外，大规模的跟踪聚光仍是行业的技术短板，致使大规模工业化、商业化利用太阳能的做法一直不能走出实验研究阶段，已经严重制约了人类新能源的开发与利用，阻碍了太阳能行业的进一步发展。这里面包含着几个相互制约的技术因素：⑴、大面积采光与抗风能力的矛盾；⑵、大规模精确跟踪与伺服成本的矛盾；⑶、设备低成本制造与材料成本、工艺成本的矛盾；⑷、长期在野外风沙环境中运行的维护、镜面保洁等运营成本的问题；⑸、聚光材料的抗老化问题等等。

三、立项的前提和依据

本项目的立项前提是：人类社会必将以大规模的工业化利用太阳能来缓解未来的能源危机的主要途径之一为前提条件。

立项依据是：大规模、工业化利用太阳能，必须以大面积采光，大规模聚光为前提性的必要条件。

在我们的地球上，自然界的太阳能是分布极广的低密度能源，很不利于集中的工业化开发与利用。就好比是低品位广泛分布的矿藏，要想开采利用，就必须先进行“选矿”和“提纯”，其成本将占到整个矿产品成本的70%以上或是全部。

太阳能的开发利用过程大致可以分为阳光采集、能量转换和输变电运营三个环节。显然采光环节是前端的、基础性的关键环节，决定整个利用过程的效率基础。

由于自然界的太阳能是按面积分布的，要想将其聚拢起来，从物理理论研究的结果看，只有两种方法可供选择，其一是设法利用一个强大的引力场，在其作用下改变光线的传播方向达到汇聚的目的，其工程期望特点是可以达到相对较小的工程体积。另一种方法是利用光线在不同的物质界面处产生的光折射或反射效果达到聚光的目的，工程特点是需要相对较大的工程体积。

目前看，显然只有后一种方法是唯一可行的，尽管需要庞大的工程体积也是必须面对的。

四、主要解决的技术问题：

1.聚光稳定性的基础问题

1)增加光路系统的惯性，加强定日镜系统的结构强度和刚度是克服光斑因风载因素颤动的有效做法。

2)抛开传统的跟踪控制理论及技术方法是解决光斑晃动问题的根本做法。

3)集热塔的塔顶摆动也是必须考虑的问题，它不仅增加建设成本，也可能导致整个项目的失败。本专利技术还适合脐式聚光场合。

2.跟踪动力的来源问题

大面积的日照采光，跟踪设备都是工作在重载荷、超低速的状态——接近于静止。需要克服的摩擦阻力也是其它设备的1.2～1.5倍左右，而且与设备的尺寸规模、载重量呈正相关。因此保证供给伺服机构以强劲、稳定的动力是实现其它各项经济技术指标的决定性因素。

3.大规模制造与应用的成本效益问题

本技术产品着眼于规模化实施，重载荷运行的目标，立足于低成本制造，“0”维护运行。

1)全部使用普通黑金属结构材料，无须高精密加工等。

2)大规模使用廉价的，抗老化聚光材料，如：玻璃等。

3)工作时，无须外部能量的供给设计。

4)风沙环境中无高速部件运行等的无磨损、免维护的运营设计等。

五、主要的技术创新点

1)蓄能式结构设计

可利用低质、低价能源夜间蓄能。

2)恒源式动力供给

利用重力势能工作，解决伺服动力要求稳定、强劲、可靠的问题，使设备运行平稳可靠。

3)无源式液压阻尼控制技术

避开传统的控制理论及技术缺陷。

4)液压扼流圈技术

满足超低速、持续大作用力的恒速阻尼控制。

5)滑车—轨道式方案

适宜大结构设计、制造，重载荷运行；抗风沙能力强，大规模运营成本低。

6)可脐式聚光。可利用环山、盆地等地形地物建设超大规模的定日场。

六、实施的意义及社会、经济效益：

以光伏发电为例，双轴跟踪系统要比“不跟踪”或“单轴跟踪”有效接收日照的比率提高30%--50%。这意味着在已有的光电转换效率的条件下，不用任何提高，就可以增加30%--50%的收益。这是一个可观的数据，对整个电站系统的运营效益是不可忽视的，也足以使整个行业摆脱靠政策补贴的尴尬！

另外，聚光形式的太阳能发电要比普通平板式的电池板具有更大的成本效益优势（又可达其150%左右），但这也是要基于高精度的稳定的日照跟踪系统的前提。

一般大型太阳能电站的采光面积都应在几十万至数百万平米，当跟踪设备的尺寸增大时就会遇到2个不可逾越的障碍：⑴、设备结构不堪重负，风载荷严重影响设备的稳定运行和聚光效果；⑵、大规模应用与重载荷运行以及散热、镜面保洁等随动设施的安装都要急剧增加伺服能量,由此带来的成本激增等问题也越发突出。因而得不偿失，是大型太阳能电站不可承受的负担。以至于目前所有的大型光伏电站都放弃了日照跟踪的技术方案。一些已建或在建的所谓的聚焦式的太阳能项目也都是宣传、示范意义大于实际意义，都没有真正达到工业化、商业化的运营目的。

本项目采用自主创新的蓄能式结构设计，恒源式动力供给，液压扼流圈及无源式液压阻尼控制技术等；走大结构、重载荷的设计思路，大规模现场制做与安装调试等工艺技术路线，从根本上解决：①、塔式聚光的定日场规模不能太大的问题，其技术障碍——超远程、定焦式聚光的稳定性难题。②、光伏发电，尤其是大规模聚光光伏的跟踪伺服成本、聚光材料的老化问题、运营维护成本、材料及工艺成本以及散热、保洁等随动设施安装等一系列相互制约的问题。解决太阳能采集环节中的低成本、规模化、高效益、稳定性之间的矛盾，促进太阳能利用的产业化、工业化、商业化的进程。

七、本专利技术的成本优势

(一)方案优势

1)首先需要指出的是：本技术方案是目前唯一能够满足各种大型工业化太阳能电站运营要求的技术方案，其它技术只适合做小规模实验研究或家庭使用，都不具有可比性和可行性。

2)可在夜间利用低质、低价能量夜间蓄能，降低能量供给成本。

大面积的日照采光，跟踪设备都是工作在重载荷、超低速的状态——接近于静止。需要克服的摩擦阻力也是其它设备的1.2～1.5倍左右，而且与设备的尺寸规模、载重量呈正相关。因此保证供给伺服机构以强劲、稳定的动力是实现其它各项经济技术指标的决定性因素。仅以我国实行的“波峰波谷”电价计算就可节约成本50%左右。

3) “滑车—轨道式方案，适宜大规模，重载荷运行；抗风沙能力强，运营成本较其它方案低70%。而且规模越大效果越明显。

采光面积规模（M2）

本技术装备

其它技术设备

图  本技术装备与其它技术设备的实施成本的变化曲线

M2

 

 

          4)无源式液压阻尼控制技术，避开传统的控制理论及技术缺陷。

目前所有的跟踪控制技术原理都是基于系统的输入/输出响应，通过反馈控制效果分析，在“超调”与“欠调”之间不断摆动逐渐趋于目标值的。这对反射角精度十分敏感的远距离反射式聚光来讲是不可接受的。这一原理性缺陷，使得至今为止所有的努力都归于白费，这就是不论怎样加大技术含量和成本投入都不可能彻底解决光斑晃动问题的根本所在。

5)跟踪控制精度可达10-10以上，且连续可调、平滑控制。

由设备的运行控制原理可知，本系统的控制精密度由阻尼缸的截面积与液压扼流圈的毛细管的截面积之比来决定的，因此实际上，阻尼控制的精密度可以达到任何精细值。

6)不忌讳随动运行重量的增加。

由于设备跟踪工作时利用自身的重力势能，所以是超稳定的恒源式动力供给，不忌讳运行重量的增加，满足各种设计以及各种附加设施（如镜面保洁，散热设备）的随动安装的要求。结构材料及聚光材料都可以选用低价的常见钢铁材料和耐老化的玻璃材料等。

7)本技术方案还可采用“脐式”聚光的形式，省去了建设高大的集热塔的费用，避免了塔式聚光的缺点，并为后续的能量转换环节的实施提供了极大的方便。

(二)制造成本方面

8)材料成本优势，由于设备跟踪工作时利用自身的重力势能，不忌讳随动运行重量的增加。所以可以全部使用常见的、低价的普通黑金属材料制造，聚光组件也可使用抗老化的玻璃质材料，大大降低了设备的制造成本，提高了使用寿命。相比较节省成本可达70%左右。

9)工艺成本优势

本技术方案仅有少量的阻尼缸、活塞等部件需要在厂内进行较精密的加工，其它绝大部分结构件都是现场安装和调试，工艺极其简单。众所周知，液压油缸、活塞等的加工制造已经有几十年的历史，专业性很强，都有成熟的工艺、工装设备支撑，因此制造成本也是很低的。

(三)运营方面

10)本技术方案的特点是：无高速运动部件，运动部件仅包括阻尼缸，滑车脚轮，液压连杆等，都是超低速运动，接近静止，所以无磨损之虑，耐野外沙尘侵害。可以做到“0”维护。

11)各种附加设施（如镜面保洁，散热设备）等的随动设备的安装，又进一步提高的了长期野外运行的采光设备的采光、聚光效率和光电转换原器件的转换效率。

综上所述，本专利技术方案较其它的技术方案比较，其综合成本只及其它技术实施成本的三分之一左右，具有明显的成本优势和可行性。

可见，本技术可以在电厂建设（定日场建设）、跟踪设备制造、运营维护和聚光材料等各个环节都能大幅度降低成本，延长其使用寿命。至少可节省整个项目2/3的投资和运营成本，使日照跟踪技术真正得以低成本的在太阳能利用的工程实践中大规模的应用,最终大幅度的降低太阳能的发电成本。

八、知识产权情况：

目前已经形成技术专利4项。其中：

1)发明专利授权1项：

《跟踪太阳光照的装置》 ZL 201010184192.8。

2)实用新型专利授权3项：

《跟踪太阳光照的装置》 ZL 201020205008.9；

《跟踪日照的装置》ZL 201120027604.7；

《一种超低速、恒速阻尼缸》ZL 201120058108.8。

3)国际专利申请1项：PCT/CN2011/074660 《跟踪日照的装置》      

4)在申请的发明专利2项：专利受理号：

《蓄能式跟踪日照的装置》 201210056703.7

《脐式聚光的太阳能电站》 201220173917.8。

成本（￥）