浙江中控太陽能技術(shù)有限公司 ■ 宓霄凌 王伊娜 李建華 李心
塔式太陽能熱發(fā)電站鏡場設(shè)計分析
浙江中控太陽能技術(shù)有限公司 ■ 宓霄凌 王伊娜 李建華 李心*
通過對國內(nèi)外現(xiàn)有鏡場設(shè)計方法的分析與總結(jié),從鏡場效率、定日鏡數(shù)目、土地利用率、電站安裝和運維等方面進(jìn)行比較。結(jié)果表明,并非所有的理論鏡場設(shè)計方法都適用于實際電站,鏡場設(shè)計必須兼顧項目的實際運營,如安裝、清洗等。
塔式太陽能熱發(fā)電;鏡場設(shè)計;鏡場效率
隨著全球環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,傳統(tǒng)資源的逐漸耗盡,人類已開始陷入能源危機(jī),人們也在不斷尋找替代傳統(tǒng)資源的新能源。太陽能作為一種清潔無污染能源,其到達(dá)大氣層外的輻射通量高達(dá)1.75×105TW,即每秒投射到地球上的能量相當(dāng)于5.9×106噸標(biāo)準(zhǔn)煤,太陽能資源非常豐富。
塔式太陽能熱發(fā)電[1]作為一種太陽能發(fā)電的重要形式,其關(guān)鍵設(shè)備定日鏡約占電站總成本的40%~50%[2,3]。國內(nèi)外已建成的塔式太陽能電站主要有:美國eSolar公司的Sierra Sun Tower[4]太陽能電站(如圖1所示)、西班牙PS10和PS20電站、西班牙Torresol能源公司的Gemasoalr電站、美國Bright Source公司的Ivanpah電站、美國Solar Reserve公司的Crescent Dunes電站(如圖2所示)等。
圖1 Sierra Sun Tower示范電站
圖2 Crescent Dunes商業(yè)化電站
1.1鏡場設(shè)計的基本概念
鏡場是由大量具有雙軸跟蹤系統(tǒng)的、按一定方式排布(以下簡稱鏡場布局)的定日鏡組成,定日鏡實時跟蹤太陽軌跡,將太陽輻射能反射至位于鏡場中間高塔(以下簡稱吸熱塔)上的吸熱器上,加熱流經(jīng)吸熱器內(nèi)的工作介質(zhì),以達(dá)到收集太陽輻射能的目的。
一般來說,鏡場設(shè)計的基本要求是鏡場的輸出熱功率Efield滿足吸熱器輸入熱功率Ereceiver的要求,即:
式中,Am為鏡面反射面積;Nm為總定日鏡數(shù)目;DNI為太陽直接輻射量;ηfield為鏡場效率。
鏡場效率ηfield的表達(dá)式為:
式中,ηsb為陰影遮擋效率;ηcos為余弦效率;ηatt為大氣透射率;ηtrunc為吸熱器截斷效率;ηcln為鏡面清潔度;ηref為鏡面反射率。
為滿足鏡場設(shè)計能量的要求,文獻(xiàn)[5-13]中提出了設(shè)計點的概念。所謂設(shè)計點是指用于確定太陽能集熱系統(tǒng)參數(shù)的某年、某日、某時刻,以及對應(yīng)的氣象條件和太陽法向直接輻照度等;大部分文獻(xiàn)中取該時刻為春分正午時刻,文獻(xiàn)[12]中取該時刻為夏至正午時刻。該時刻的DNI值一般根據(jù)電站所在地輻射情況取850~1000 W/ m2之間。
1.2鏡場優(yōu)化目標(biāo)
一般情況下,塔式太陽能熱發(fā)電站系統(tǒng)采用成本-效益作為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo),如運用平準(zhǔn)化電價成本(LCOE)[14~16]作為評價指標(biāo)的優(yōu)化目標(biāo),鏡場僅為塔式太陽能熱發(fā)電站系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。因為LCOE涉及到電站的總成本及電站的運營成本,是一個很復(fù)雜的系統(tǒng),本文僅從鏡場效率、定日鏡數(shù)目、鏡場占地面積、工程施工及運營維護(hù)難度等方面對鏡場設(shè)計進(jìn)行評價。
從目前已建成的塔式太陽能電站的鏡場布局來看,鏡場布局具有各自的規(guī)律性,如Sierra Sun Tower電站鏡場以直線型布局、Crescent Dunes鏡場以圓形布局。另外,鏡場布局還包括Collado F J等[17,18]提出的一種Campo鏡場布局方法(如圖3所示)和Noone C J等[14]提出的一種仿生型鏡場布局方法(如圖4所示)。下文將針對這幾種布局方法的優(yōu)劣勢進(jìn)行分析。
圖3 Campo鏡場排布
圖4 仿生型鏡場布局
2.1直線型布局
直線型布局鏡場相對比較簡單,其特點是定日鏡按照直線進(jìn)行排布,每行上的定日鏡位于同一條直線上,相鄰行之間的定日鏡東西方向交錯布局,不同行之間的行間距相等或不完全相等,同一行上的定日鏡鏡間距相等。
直線型布局的優(yōu)點是可最大化地運用土地面積,鏡地密度高達(dá)48%。但是其陰影遮擋損失也會相對較大,特別是距離吸熱塔較遠(yuǎn)的東西兩個角落區(qū)域,定日鏡之間的交錯效果并不明顯,如圖5所示。
圖5 余弦效率、陰影遮擋效率、鏡場效率分布圖
為了提高鏡場效率,eSolar公司在專利《用于多塔中心接收器太陽能發(fā)電站的定日鏡陣列布局》[19]中提到,離吸熱塔遠(yuǎn)的定日鏡采用鏡面面積相對較小的定日鏡,以減少定日鏡之間的陰影遮擋損失。雖然專利中提到的方法一定程度上可以提高鏡場的效率,但由于運用了更小的鏡面,這種方法將導(dǎo)致定日鏡數(shù)目的增加。
為了減少定日鏡之間的陰影遮擋效率損失,Mills等[20]提出了一種獨特的定日鏡投射方法,該方法較好地解決了定日鏡之間的陰影遮擋損失,即離吸熱塔較遠(yuǎn)的定日鏡“面對面”地將太陽光反射到對方的吸熱器上,如圖6所示。
綜上,直線型布局鏡場為了保證鏡場效率,單塔規(guī)模不宜太大,故一般采用多模塊的思路,以解決單塔規(guī)模小的問題。但多模塊在系統(tǒng)運營上是存在一定難度的。
圖6 雙塔重疊區(qū)域部分定日鏡投射方向
2.2圓形布局
與直線型布局不同的是,圓形布局幾乎每一面定日鏡都處于交錯狀態(tài)。因此,其可較好地解決直線型布局東西兩側(cè)陰影遮擋損失嚴(yán)重的問題,如圖7所示。
圖7 圓形布局陰影遮擋效率分布圖
圓形布局的特點是定日鏡按照以吸熱塔為圓心的同心圓環(huán)排布,相鄰圓環(huán)之間的定日鏡按照半徑方向交錯排布;圓形布局按分區(qū)布置,同一區(qū)域的徑向間距相等,鏡環(huán)上的定日鏡數(shù)目相等;不同區(qū)域圓環(huán)上的定日鏡數(shù)目隨著區(qū)域與塔的距離的增加而增加。
圓形布局雖然在一定范圍內(nèi)使東西兩側(cè)的陰影遮擋損失不至于太嚴(yán)重,提高了鏡場的效率,但是隨著鏡塔距離的不斷增加,受相間鏡環(huán)之間定日鏡距離的限制,其陰影遮擋損失同樣比較嚴(yán)重。
2.3Campo布局
Campo布局方法是為了解決圓形布局遠(yuǎn)距離定日鏡陰影遮擋比較嚴(yán)重的問題。該方法適當(dāng)增加了遠(yuǎn)距離定日鏡北鏡場鏡環(huán)之間的距離,又由于在北半球南鏡場的陰影遮擋效率相對高很多,其還適當(dāng)(在保證定日鏡之間的安全距離下)減小了南鏡場遠(yuǎn)距離定日鏡鏡環(huán)之間的距離,不但增加了南鏡場的余弦效率,也有利于鏡場土地利用率的提高。不過,Campo布局鏡場仍然無法解決區(qū)域變化時,由定日鏡數(shù)目驟增引起的局部區(qū)域遮擋陰影損失的增加,如圖3所示。
2.4仿生型布局
針對Campo布局鏡場區(qū)域變化處局部定日鏡的陰影遮擋損失較嚴(yán)重這一問題,仿生型鏡場布局可使定日鏡的鏡地密度幾乎是連續(xù)地減小,即相同土地面積上的定日鏡隨著鏡塔距離的增加,逐漸連續(xù)地減少,如圖4所示。
仿生型鏡場布局的特點[21]是定日鏡均位于仿生型螺旋線之上,并以黃金分割角確定每個定日鏡的方位,如圖8所示。其中,r為仿生型螺旋線半徑;θ為黃金分割角(約137.5 °);3是指定日鏡數(shù)目。
圖8 仿生型鏡場布局點示意圖
2.5鏡場清洗
圖9為全球光資源分布圖,大部分光資源豐富地區(qū)都位于沙漠或戈壁灘地區(qū),如美國加利福尼亞州沙漠地區(qū)、非洲沙漠地區(qū)和澳大利亞荒漠地區(qū)等,但揚塵、風(fēng)沙都比較嚴(yán)重。定日鏡的清潔度是保證鏡場提供能量的一個關(guān)鍵因素,直接影響著電站的發(fā)電量。因此,鏡場清洗是塔式太陽能電站運營中所必需的。
鏡場是由大量定日鏡組成的,依靠人力進(jìn)行清洗是一件不現(xiàn)實的事情,必須配置一定數(shù)量的清洗設(shè)備進(jìn)行清洗。清洗設(shè)備一般是自動或人工操作,且需要按照一定的線路在鏡場中行走。
圖9 全球太陽能資源分布
從上述幾種鏡場布局來看,鏡場布局越復(fù)雜,清洗設(shè)備的操作復(fù)雜度越高,受清洗設(shè)備影響的定日鏡的安全系數(shù)就越低。受清洗設(shè)備影響的定日鏡的安全系數(shù)由高到低排序為:直線型布局、圓形布局、Campo布局、仿生型布局。
Campo布局鏡場,由于南北鏡場相鄰鏡環(huán)間距由北向南是逐漸減小的,對于清洗設(shè)備的駕駛員而言,不同的鏡場位置要求駕駛員的駕駛距離不同,這樣就不利于定日鏡的安全。而且,仿生型布局鏡場,鏡場中根本不存在規(guī)則的直線型或環(huán)形的清洗路線可供清洗設(shè)備通行。
定日鏡的安裝和清洗都是需要定點定位操作,仿生型布局和Campo遠(yuǎn)距離定日鏡的定位可行性也較差。出于上述兩點,目前世界范圍內(nèi)均未采用這兩種鏡場布局方法。
2.6幾種布局方式比較
根據(jù)上述分析可知,相同規(guī)模的各鏡場布局各特性由高到低排序如表1所示。
表1 鏡場布局屬性排序
通過上述分析可知,目前已有或正在研究的鏡場布局中,并非所有的鏡場布局都適用于實際的電站中,即便它具有更高的效率。實際的鏡場設(shè)計并不能只停留在理論分析上,必須兼顧項目的實際運營,如安裝、清洗等。
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更 正
本刊2016年第4期刊登的《一種半片設(shè)計的高效晶體硅光伏組件》一文中, 因作者失誤導(dǎo)致第13頁的“圖6半片組件的排布和連接方式”刊登出現(xiàn)錯誤,現(xiàn)將圖進(jìn)行更正:
修改前:
圖6 半片組件的排布和連接方式
修改后:
圖6 半片組件的排布和連接方式
2015-12-10
國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計劃(2013AA050201)
李心 (1983—),男,高級工程師、博士,主要從事塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)方面的研究。lixin@supcon.com