定日鏡及其成本分析

張宏麗，王樹(shù)群

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a新能源學(xué)院；b.能源與動(dòng)力學(xué)院；遼寧 沈陽(yáng) 110136)

定日鏡及其成本分析

張宏麗a，王樹(shù)群b

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a新能源學(xué)院；b.能源與動(dòng)力學(xué)院；遼寧 沈陽(yáng) 110136)

定日鏡是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中最基本的聚光單元，也是系統(tǒng)中花費(fèi)成本最大的部分，占整個(gè)電站成本的40%～50%。介紹了定日鏡的主要組成部分及其在定日鏡總成本中所占的比例，以及定日鏡尺寸和規(guī)模與定日鏡成本之間的關(guān)系，由此探討了降低定日鏡成本的主要途徑，為降低塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本，使其更好地替代化石燃料提供了思路。

太陽(yáng)能；定日鏡；成本

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)因綜合效率高、發(fā)電成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于較大規(guī)模發(fā)電。定日鏡是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中最基本的聚光單元。為了得到較高的聚光倍數(shù)，獲得較高的溫度用于發(fā)電，在塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中通常采用幾百或幾千個(gè)定日鏡。研究表明，1個(gè)100 MW的塔式電站將需要近100萬(wàn)m2的反射面積，相當(dāng)于需要10 000個(gè)100 m2的定日鏡。表1為世界上規(guī)模較大的塔式電站所采用的定日鏡情況。

表1 塔式電站中所采用的定日鏡

由于定日鏡是整個(gè)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中花費(fèi)最多的部分，占整個(gè)電站成本的40%～50%，因此，降低定日鏡成本將有利于降低塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本，提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 定日鏡的組成

由于定日鏡要通過(guò)二維跟蹤控制機(jī)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)的高度角和方位角進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，為了有效地反射和利用太陽(yáng)輻射能，要求定日鏡具有較高的鏡面反射率、較高的鏡面平整度和較小的面型誤差、較高的跟蹤控制精度、較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗風(fēng)載能力、較低的制造成本并易于安裝和維護(hù)。定日鏡主要由鏡面單元、鏡面支架、基座和地基，以及跟蹤控制和驅(qū)動(dòng)裝置組成，如圖1所示。

1.1 鏡面單元

定日鏡的反射面都是由一系列小的鏡面單元所組成，負(fù)責(zé)進(jìn)行太陽(yáng)輻射光線的反射。表2為定日鏡的尺寸與鏡面單元大小的示例。

圖1 定日鏡的主要組成部分

定日鏡尺寸/m2鏡面單元個(gè)數(shù)鏡面單元面積/m213.434.4730.165.0253124.4695165.95148207.43214248.92

傳統(tǒng)的鏡面單元一般采用玻璃和金屬所組成的三明治結(jié)構(gòu)，中間的金屬鍍層可以采用銀、鋁或其他金屬。在20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了在拋物型框架上將高反射率的膜進(jìn)行拉伸的拉伸膜反射面。目前還出現(xiàn)了采用重量輕、便于運(yùn)輸?shù)母叻肿幽ぜ夹g(shù)進(jìn)行反射面的制作。傳統(tǒng)鏡面單元的底層玻璃要通過(guò)粘附劑或機(jī)械緊固等方式與定日鏡的金屬框架固定在一起。鏡面單元要求具有較高的光學(xué)性能(如反射率、透過(guò)率、表面質(zhì)量等)。目前玻璃反射鏡的鏡面反射率一般在0.93～0.94，若沒(méi)有過(guò)度腐蝕或紫外線退化，使用壽命一般都在20～25年。

1.2 鏡面支架

鏡面單元需固定和安裝在鏡面支架上。鏡面支架不但要在空間上準(zhǔn)確地承載鏡面，使其便于對(duì)光調(diào)試，而且還要保證在跟蹤運(yùn)行過(guò)程中整體定日鏡的剛度，使其具有一定的抗風(fēng)載能力。鏡面支架通常為鋼結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。

圖2 定日鏡的支架

1.3 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置能夠保證定日鏡對(duì)太陽(yáng)的高度角和方位角進(jìn)行雙軸跟蹤，以使聚光光線能夠準(zhǔn)確地反射到設(shè)定好的塔頂吸熱器上。驅(qū)動(dòng)裝置可以采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)(見(jiàn)圖3)。驅(qū)動(dòng)裝置不但要確保定日鏡對(duì)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)跟蹤，而且還要將定日鏡的重量和風(fēng)載荷傳遞給基座和地基。

1.4 基座和地基

定日鏡最常見(jiàn)的地面支撐類型是現(xiàn)場(chǎng)澆筑的柱狀地基?；话闶菫榱吮ＷC大尺寸的定日鏡有一定的離地凈高。

1.5 跟蹤控制系統(tǒng)

跟蹤控制通過(guò)電子設(shè)備和控制程序?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)提供信號(hào)，以保證定日鏡與太陽(yáng)之間準(zhǔn)確的相對(duì)位置。每個(gè)定日鏡都需要有一套跟蹤控制系統(tǒng)，由傳感器準(zhǔn)確地測(cè)定太陽(yáng)的位置，再通過(guò)控制器操縱定日鏡的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以控制和調(diào)整定日鏡的姿態(tài)。

2 定日鏡的成本

美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室一直致力于定日鏡成本方面的研究。由于鋼材的價(jià)格一直在變化，再加之技術(shù)的進(jìn)步，因此，定日鏡的成本也一直在隨之更新。

圖3 定日鏡的驅(qū)動(dòng)裝置

2.1 定日鏡的成本與發(fā)電成本之間的關(guān)系

對(duì)總重量為13 893 lb的ATS定日鏡進(jìn)行的重量分解，可了解定日鏡所采用的材料情況，并由材料的價(jià)格推算出定日鏡的成本(見(jiàn)表3)。

表3 定日鏡所采用的材料情況 lb

定日鏡是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中花費(fèi)最大的部分，因此定日鏡的成本將直接影響到塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本(見(jiàn)表4)。

表4 定日鏡的成本與發(fā)電成本之間的關(guān)系

2.2 定日鏡各組成部分所占成本的比例

根據(jù)SolarPACES2000年的研究報(bào)告，定日鏡的各個(gè)組成部分在定日鏡的總成本中所占的比例如表5所示。

表5 定日鏡各組成部分所占成本的比例

由于要將鏡面單元固定在鏡面支架上，同時(shí)還要安裝驅(qū)動(dòng)裝置，因此，在定日鏡總成本中還要包括裝配和安裝的部分。

2.3 不同尺寸定日鏡的成本

定日鏡的鏡面反射面積及其光學(xué)性能是考察定日鏡的重要指標(biāo)。因此，通常采用定日鏡單位反射面積的制作成本來(lái)表達(dá)定日鏡的造價(jià)，即美元·m-2，其數(shù)值一般由生產(chǎn)商提供。但這種表達(dá)容易造成定日鏡的成本與定日鏡的面積成正比，而定日鏡尺寸越小越便宜的誤解。為此，美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室還專門研究了相同鏡面反射面積235 000 m2下采用小尺寸定日鏡和采用大尺寸定日鏡進(jìn)行定日鏡場(chǎng)布置后所花費(fèi)的成本比較，如表6所示。

表6 不同尺寸定日鏡費(fèi)用 美元·m-2

2.4 不同生產(chǎn)規(guī)模下定日鏡的成本

針對(duì)尺寸為148 m2的定日鏡，美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室專門估算了將年產(chǎn)量從22.7萬(wàn)m2提高到1億m2所花費(fèi)的成本，部分結(jié)果如表7所示。

表7 不同生產(chǎn)規(guī)模下定日鏡成本 美元

3 分析與討論

1)由表3可知，制作定日鏡所使用的材料中，8 709 lb結(jié)構(gòu)鋼和3 300 lb玻璃反射鏡，分別占定日鏡總重量的63%和24%。由此，可按當(dāng)年各種材料的價(jià)格，大致推算出定日鏡的制造成本。

2)由表4可知，定日鏡的成本將直接影響到塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本。當(dāng)定日鏡成本從300美元·m-2降低到100美元·m-2時(shí)，熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱電站的發(fā)電成本也將從12 美分·kWh-1降低到5.9美分·kWh-1，降幅達(dá)50%。

3)由表5和表6可知，無(wú)論是大尺寸定日鏡還是小尺寸定日鏡，占花費(fèi)成本中較高的3個(gè)組成部分均為：鏡面單元、驅(qū)動(dòng)裝置和鏡面支架。雖然單個(gè)大尺寸定日鏡所承受的風(fēng)載荷較大、用鋼量較多、制造成本較高，但因單個(gè)定日鏡反射面積較大從而使得電站整體上所采用的定日鏡總數(shù)量減少，同時(shí)，安裝、運(yùn)行維護(hù)效率的提高，使得定日鏡總體費(fèi)用降低。為此，國(guó)際上一些定日鏡生產(chǎn)商也在逐漸開(kāi)發(fā)更大尺寸的定日鏡。比如，Abengoa將定日鏡尺寸從120 m2提高到140 m2，BrightSource將定日鏡尺寸從15.2 m2提高到19.0 m2，eSolar將定日鏡尺寸從1.14 m2提高到2.2 m2。研究表明，如果將定日鏡的運(yùn)行和維護(hù)成本、定日鏡場(chǎng)布線等也考慮在內(nèi)的話，定日鏡的尺寸要在50 m2以上，才能達(dá)到最低生命周期成本。

4)由表5可知，鏡面單元在定日鏡總成本中所占比例較高，而高效反射鏡面也是減小光學(xué)損失、降低發(fā)電成本的首要環(huán)節(jié)。為此，開(kāi)發(fā)低成本、高反射率、持久性好的鏡面單元?jiǎng)菰诒匦小p小鏡面玻璃的厚度是提高鏡面反射率的有效途徑。同時(shí)，鏡面玻璃厚度的減小還有利于克服泄露、腐蝕等問(wèn)題，從而有利于保持鏡面單元的清潔。玻璃鏡面的反射率有望提高到95%到96%，其數(shù)值大小取決于玻璃中重金屬的含量。為此，要想辦法去除玻璃中鐵、鉛等重金屬的含量。研究表明，提高鏡面清潔度并不能有效提高鏡面反射率，再清潔的玻璃表面反射率也只能停留在95%。

5)由表3和表5可知，定日鏡支架因用鋼量較大，因而花費(fèi)的成本也較大。在定日鏡支架的設(shè)計(jì)中，一般是采用分析建模和經(jīng)驗(yàn)測(cè)試的方法，主要考慮定日鏡的抗風(fēng)載能力。因此，在確保定日鏡正常運(yùn)行和強(qiáng)風(fēng)下光學(xué)和結(jié)構(gòu)性能的前提下，要優(yōu)化確定定日鏡支架的用鋼量。

6)由表5可知，在定日鏡總成本中，基座和地基所占比例較低，其次是跟蹤控制部分，而定日鏡驅(qū)動(dòng)裝置所占比例最高，特別是對(duì)于大尺寸的定日鏡來(lái)說(shuō)，因自身重量較重，所受風(fēng)載荷較大，驅(qū)動(dòng)裝置所占成本可達(dá)35%，甚至是50%。而在高度角和方位角兩軸驅(qū)動(dòng)方面，方位角驅(qū)動(dòng)裝置要更加昂貴。如表7中，最初成本下，方位角驅(qū)動(dòng)是高度角驅(qū)動(dòng)的3倍以上。因此，要降低定日鏡的成本，需盡可能地降低定日鏡驅(qū)動(dòng)裝置的成本，這就需要在方位角驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和準(zhǔn)確定位跟蹤算法方面進(jìn)行改進(jìn)。

7)由表7可知，定日鏡的成本雖然與尺寸和性能有關(guān)，但很大程度上取決于產(chǎn)量。產(chǎn)量越大，生產(chǎn)的自動(dòng)化程度越高，加之制造、裝配和安裝方法的改進(jìn)，價(jià)格也就隨之降低。在提高定日鏡生產(chǎn)的年產(chǎn)量后，定日鏡鏡面單元、支架、驅(qū)動(dòng)裝置等各部件的制造成本均可大幅度降低，制造的總成本可由最初的16 053美元降低到11 114美元，降低了約30%。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，要降低定日鏡成本，要從定日鏡支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)裝置改進(jìn)、鏡面光學(xué)性能提高幾方面入手。綜合考慮，應(yīng)當(dāng)存在一個(gè)最低生命周期成本的最佳定日鏡尺寸，但對(duì)其數(shù)值目前在國(guó)際上還未達(dá)成共識(shí)，還需進(jìn)一步地研究和探討。

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(責(zé)任編輯 佟金鍇 校對(duì) 魏靜敏)

Solar Heliostat and Its Cost Analysis

ZHANG Hong-lia，WANG Shu-qunb

(a.School of Renewable Energy;b.College of Energy and Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Heliostats are the main elements of the collector subsystem,which represent 40% to 50% of the capital cost of a solar power tower plant,so they must be relatively low cost,in order for the cost of solar power tower plant can compete with that of the fossil fuels.Therefore,the major components of the heliostat and their costs,the relationship between the size of the heliostats,the scale of heliostats manufacturing and the cost of heliostats as well,are all discussed in this paper,as a result,ways to reduce the total costs of heliostatsare analyzed.

Solar power tower system;Heliostat;Cost

2016-08-01

張宏麗(1971-)，女，黑龍江梅林人，副教授，博士，主要從事太陽(yáng)能熱利用方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.04.002

TK513.1

A

1673-1603(2016)04-0297-05