塔式太陽能熱發(fā)電站鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)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

塔式太陽能熱發(fā)電站鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)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(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)方法的分析與總結(jié)，從鏡場(chǎng)效率、定日鏡數(shù)目、土地利用率、電站安裝和運(yùn)維等方面進(jìn)行比較。結(jié)果表明，并非所有的理論鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)方法都適用于實(shí)際電站，鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)必須兼顧項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)營，如安裝、清洗等。

塔式太陽能熱發(fā)電；鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)；鏡場(chǎng)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(chǎng)設(shè)計(jì)方法

1.1鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)的基本概念

鏡場(chǎng)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(chǎng)布局）的定日鏡組成，定日鏡實(shí)時(shí)跟蹤太陽軌跡，將太陽輻射能反射至位于鏡場(chǎng)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(chǎng)設(shè)計(jì)的基本要求是鏡場(chǎng)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(chǎng)效率。

鏡場(chǎng)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?cái)嘈剩沪莄ln為鏡面清潔度；ηref為鏡面反射率。

為滿足鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)能量的要求，文獻(xiàn)［5-13］中提出了設(shè)計(jì)點(diǎn)的概念。所謂設(shè)計(jì)點(diǎn)是指用于確定太陽能集熱系統(tǒng)參數(shù)的某年、某日、某時(shí)刻，以及對(duì)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(shí)刻為春分正午時(shí)刻，文獻(xiàn)［12］中取該時(shí)刻為夏至正午時(shí)刻。該時(shí)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(chǎng)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(jì)目標(biāo)，如運(yùn)用平準(zhǔn)化電價(jià)成本（LCOE）［14～16］作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化目標(biāo)，鏡場(chǎng)僅為塔式太陽能熱發(fā)電站系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。因?yàn)長COE涉及到電站的總成本及電站的運(yùn)營成本，是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)，本文僅從鏡場(chǎng)效率、定日鏡數(shù)目、鏡場(chǎng)占地面積、工程施工及運(yùn)營維護(hù)難度等方面對(duì)鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2　鏡場(chǎng)布局方法

從目前已建成的塔式太陽能電站的鏡場(chǎng)布局來看，鏡場(chǎng)布局具有各自的規(guī)律性，如Sierra Sun Tower電站鏡場(chǎng)以直線型布局、Crescent Dunes鏡場(chǎng)以圓形布局。另外，鏡場(chǎng)布局還包括Collado F J等［17，18］提出的一種Campo鏡場(chǎng)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(chǎng)布局方法（如圖4所示）。下文將針對(duì)這幾種布局方法的優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行分析。

圖3　Campo鏡場(chǎng)排布

圖4　仿生型鏡場(chǎng)布局

2.1直線型布局

直線型布局鏡場(chǎng)相對(duì)比較簡單，其特點(diǎn)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(cuò)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(diǎn)是可最大化地運(yùn)用土地面積，鏡地密度高達(dá)48％。但是其陰影遮擋損失也會(huì)相對(duì)較大，特別是距離吸熱塔較遠(yuǎn)的東西兩個(gè)角落區(qū)域，定日鏡之間的交錯(cuò)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(chǎng)效率分布圖

為了提高鏡場(chǎng)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(duì)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(chǎng)的效率，但由于運(yùn)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(dú)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(duì)面”地將太陽光反射到對(duì)方的吸熱器上，如圖6所示。

綜上，直線型布局鏡場(chǎng)為了保證鏡場(chǎng)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(yùn)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(cuò)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(diǎn)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(cuò)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(chǎng)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(chǎng)鏡環(huán)之間的距離，又由于在北半球南鏡場(chǎng)的陰影遮擋效率相對(duì)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(chǎng)遠(yuǎn)距離定日鏡鏡環(huán)之間的距離，不但增加了南鏡場(chǎng)的余弦效率，也有利于鏡場(chǎng)土地利用率的提高。不過，Campo布局鏡場(chǎng)仍然無法解決區(qū)域變化時(shí)，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(duì)Campo布局鏡場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)布局的特點(diǎn)［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(gè)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(chǎng)布局點(diǎn)示意圖

2.5鏡場(chǎng)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(yáng)塵、風(fēng)沙都比較嚴(yán)重。定日鏡的清潔度是保證鏡場(chǎng)提供能量的一個(gè)關(guān)鍵因素，直接影響著電站的發(fā)電量。因此，鏡場(chǎng)清洗是塔式太陽能電站運(yùn)營中所必需的。

鏡場(chǎng)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(shí)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(dòng)或人工操作，且需要按照一定的線路在鏡場(chǎng)中行走。

圖9　全球太陽能資源分布

從上述幾種鏡場(chǎng)布局來看，鏡場(chǎng)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?yàn)椋褐本€型布局、圓形布局、Campo布局、仿生型布局。

Campo布局鏡場(chǎng)，由于南北鏡場(chǎng)相鄰鏡環(huán)間距由北向南是逐漸減小的，對(duì)于清洗設(shè)備的駕駛員而言，不同的鏡場(chǎng)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(chǎng)，鏡場(chǎng)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(diǎn)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(diǎn)，目前世界范圍內(nèi)均未采用這兩種鏡場(chǎng)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(chǎng)布局各特性由高到低排序如表1所示。

表1　鏡場(chǎng)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(chǎng)布局中，并非所有的鏡場(chǎng)布局都適用于實(shí)際的電站中，即便它具有更高的效率。實(shí)際的鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)并不能只停留在理論分析上，必須兼顧項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)營，如安裝、清洗等。

［1］ Carrizosa E， Domínguez-Bravo C， Fernández-Cara E， et al. An optimization approach to the design of multi-size heliostat fields［D］. Seville： University of Seville， 2014 .

［2］ García-Barberena J， Monreal A， Mutuberria A， et al. Towards cost-competitive solar towers--energy cost reductions based on Decoupled Solar Combined Cycles （DSCC）［J］. Energy Procedia， 2014， （49）：1350-1360.

［3］ Larmuth J， Malan K， Gauché P. Design and cost review of 2 m2heliostat prototypes［D］. Stellenbosch： Stellenbosch University， 2014.

［4］ Steve Schell. Design and evaluation of esolar’s heliostat fields ［J］. Solar Energy， 2011， （85）： 614-619.

［5］ Collado F J. Preliminary design of surrounding heliostat fields ［J］. Renewable Energy， 2009， （34）：1359-1363.

［6］ Behar O， Khellaf A， Mohammedi K. A review of studies on central receiver solar thermal power plants［J］. Renewable Sustainable Energy Reviews， 2013， 23 （4）： 12-39.

［7］ Mutuberria A ， Pascual J ， Guisado M V ， et al. Comparison of heliostat field layout design methodologies and impact on power plant efficiency［A］. SolarPaces Congress［C］， 2014， China，Beijing.

［8］ Collado F J ， Guallar J . Design of solar tower plants heliostat by heliostat： the blocking factor［D］. Spain： University Zaragoza.

［9］ Ramos F， Crespo L. A new powerful tool for heliostat field layout and receiver geometry optimization： NSPOC［A］. Proceedings of the 15th SolarPACES International Symposium on Concentrating Solar Power and Chemical Energy［C］， Almería，Spain， 2009.

［10］ Carrizosa E， Domínguez-Bravo C， Fernández-Cara E， et al. A heuristic method for simultaneous tower and pattern-free field optimization on solar power systems ［J］. Computers & Operations Research， 2015， （57）： 109-122.

［11］ Collado F J. Quick evaluation of the annual heliostat field efficiency ［J］. Solar Energy， 2008， （82）： 379-384.

［12］ Pacheco J E. Esolar’s modular concentrating solar power tower plant and construction of the sierra solar generating station［A］. Proceedings of the ASME 2009 3rd International Conference of Energy Sustainability［C］， San Francisco， USA，2009.

［13］ Sánchez M， Romero M. Methodology for generation of heliostat field layout in central receiver systems based on yearly normalized energy surfaces［J］. Solar Energy， 2006， 80（7）：861-874.

［14］ Noone C J， Torrilhon M， Mitsos A. Heliostat field optimization： A new computationally efficient model and biomimetic layout ［J］. Solar Energy， 2012， 86 （2）：792-803.

［15］ Sherif R. Concentrating solar power technologies［R］. San Jose， California， 2010.

［16］ Kolb G J， Ho C K， Mancini T R， et al. Power Tower Technology Roadmap and Cost Reduction Plan［R］. California，USA， 2011.

［17］ Collado F J， Guallar J. A review of optimized design layout for solar power tower plants with campo code［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2013， （20）： 142-154.

［18］ Collado F J， Guallar J. Campo： Generation of regular heliostat field［J］. Renewable Energy， 2012， （46）： 49-59.

［19］ Pham Q， Gregory C， Slack M， et al. Heliostat array layouts for multi-tower central receiver solar power plants［P］. US：US2009/0133685 A1， 2009.

［20］ Mills D R ， Schramek P. Multi-tower solar array project ［J］. Solar Energy， 2003， （75）： 249-260.

［21］ Manuel Q G， Markus P， Christian G， et al. Method for distributing heliostats in tower plant［P］. EP： WO 2011/067434，2011.

更 正

本刊2016年第4期刊登的《一種半片設(shè)計(jì)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(cuò)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(jì)劃（2013AA050201）

李心 （1983—），男，高級(jí)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