中科院电工所：定日镜双轴跟踪聚光方式比较(3)

时间：2018-07-05 16:06来源：太阳能光热联盟

　　四、方位俯仰跟踪的聚光特点

图16 方位俯仰跟踪应用最广泛

　　方位俯仰跟踪也最常见，在天文望远或者一些天线里面，经常用到方位俯仰这种跟踪方式。方位俯仰跟踪定日镜是应用最为广泛，基本上现在大规模的商业化电站用的都是方位俯仰跟踪方式。图16中左上角是一个方位俯仰跟踪的一个例子，固定轴是上下的，水平的是一个俯仰轴。图16的右下角是我们北京延庆八达岭镇的1兆瓦水工质塔式电站，1万平米定日镜场聚光到腔式吸热器。图16中右下角是西班牙2012年投入商业化运行的熔融盐作为传输储存介质的塔式光热电站。两个电站用的都是方位俯仰跟踪定日镜。

　　以下阐述方位俯仰跟踪特点：

图17 方位俯仰跟踪定日镜的姿态轮廓及其反射投影的变化

　　在吸热面的北边取一个位置，有一个2米宽2米高的定日镜，它由五行五列单元镜组成。假设吸热靶面有20度的倾斜角度。图17左边是三维图，为了好对比右边是一个主视平面图。图17展示了6月21日上午，定日镜边缘轮廓和它在靶面上的反射投影轮廓的变化情况。

　　上面是6月21日夏至日上午的定日镜跟踪姿态显示图，左边是一个定日镜轮廓在地面上的一个垂直投影的一个图，右边是一个定日镜轮廓在靶面上反射投影。我们观察者在定日镜和吸热靶之间。我们会发现，定日镜在地面上的轮廓是沿顺时针方向旋转，而反射投影轮廓沿逆时针方向旋转。正午的时候，它上下边缘都是与地面水平的。方位-俯仰跟踪最大特点，就是它的固定轴是上下方向的，从而镜面的上下边缘永远是与地面平行的。下面展示的是6月21日下午，定日镜姿态轮廓及其反射投影轮廓的变化。

图18 定日镜轮廓及其反射投影的平面视图

　　图18中，左边是定日镜轮廓的平面图，右边是反射投影图。我们发现，镜面在地面上投影也还是沿顺时针方向旋转，在靶面上的反射投影沿逆时针方向旋转，表现出旋转特征。下面再看对应的聚光光斑有什么不同。

图19 方位俯仰跟踪定日镜早上7时的聚光光斑

　　基于等效太阳光锥的计算方法，模拟计算定日镜在靶面的聚光光斑。图19中左边展示的是定日镜的姿态以及边缘轮廓在靶面反射投影，右边展示模拟出来的聚光光斑。图20是6月20日-21日中午时的聚光光斑,光斑是圆的,而且光斑变得比较小。

图20 方位俯仰跟踪定日镜中午12时的聚光光斑

　　图21是下午时候的聚光光斑。下午的光斑跟上午、中午都不一样，有旋转特征。也就是说，这个光斑在一天中是在变化的，变化还是比较大。

图21 方位俯仰跟踪定日镜下午5时的聚光光斑

　　五、俯仰-侧滚跟踪方式的聚光特点

　　以下介绍几种具体的俯仰-侧滚跟踪方式。俯仰-侧滚旋转就是有两个旋转轴，固定轴是水平布置的俯仰轴，侧滚轴是从动轴，与镜面一起绕固定轴旋转，带动镜面跟踪太阳。俯仰-侧滚跟踪方式最大特点是，镜面活动范围小；活动范围小有个好处，就是在布置定日镜场的时候，定日镜之间的间隙可以布置小一些，可以紧密布置定日镜场，提高土地的利用率。

图22 CSIRO蜘蛛型定日镜和德国巨蜥型定日镜都用俯仰侧滚跟踪

　　方位-俯仰跟踪，即定日镜沿方位轴360度旋转，扫掠范围大，因而必须在定日镜和定日镜之间留足够大间隙。所以，与前面方位-俯仰跟踪比起来，俯仰-侧滚跟踪方式有优势，即跟踪方式比较紧凑，适合紧密布置定日镜场，这是它的一个特征。图22左边是澳大利亚CSIRO研发的双推杆定日镜，右边是德国公司联合体生产的一种Stellio定日镜,也就是蜥蜴定日镜,也采用双推杆传动。也许等效的俯仰轴不严格水平，但总体上运动方式属于俯仰-侧滚跟踪方式。

　　俯仰-侧滚跟踪方式还有什么特点呢？

　　下面是模拟比较下定日镜跟踪姿态一些聚光特点：

图23 俯仰侧滚定日镜在上午的姿态轮廓和反射投影变化

　　图23中，定日镜和靶面的位置和尺寸信息，与前面设置和展示的一样。图23中左边是空间三维图，右边是一个主视图，都展示6月21日上午定日镜的姿态变化。我们发现有这样一个特点，就是定日镜左右边缘在地平面上的投影总是沿一个方向平行，镜面左右两边在靶面上的反射投影也是沿上下方向平行的。这也说明，定日镜姿态变化范围是比较少的。这个例子里，定日镜俯仰轴是沿东西向严格水平布置，那么镜面左右两边在地面投影，总是与东西向固定轴垂直。既然有这样的特点，有人就想着利用它。比如说2008年西班牙人想到用柱面作为定日镜的面形进行聚光。条形平板镜面，条形聚光，光斑的变化比较小。