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

0　引言

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　鏡場設(shè)計方法

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。

2　鏡場布局方法

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

3　總結(jié)

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