不同定日鏡場排布形式對鏡場光學(xué)效率的影響*

□關(guān)弘揚(yáng) □張艷梅 □廖文俊 □顧清之 □段洋 □張亞偉

上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院上海200070

不同定日鏡場排布形式對鏡場光學(xué)效率的影響*

□關(guān)弘揚(yáng) □張艷梅 □廖文俊 □顧清之 □段洋 □張亞偉

上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院上海200070

應(yīng)用塔式光熱電站設(shè)計軟件模擬圓形散點(diǎn)、方形散點(diǎn)和方形麥田等三種不同排布形式的定日鏡場，分析三種定日鏡場的光學(xué)效率及損失，對比三種鏡場的定日鏡數(shù)量、吸熱器功率、儲熱介質(zhì)儲熱功率、占地面積及土地利用率等參數(shù)，為定日鏡場布置及提高定日鏡場效率提供參考。模擬結(jié)果顯示，圓形散點(diǎn)布置形式的定日鏡場整體光學(xué)效率最高，在相同電站設(shè)計容量條件下其所需的定日鏡數(shù)量最少，占地面積最小。

太陽能；定日鏡場；光學(xué)效率

1 課題背景

面對嚴(yán)峻的能源形勢，新能源的開發(fā)利用正引起世界各國重視，對于解決能源枯竭及日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題具有重大意義[1]。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，太陽能熱發(fā)電是太陽能利用中的一項重要技術(shù)[2]。它利用聚光系統(tǒng)將太陽能收集起來，達(dá)到較高的溫度，用以加熱傳熱介質(zhì)；傳熱介質(zhì)獲得的熱量在發(fā)電島中釋放，產(chǎn)生蒸汽，推動汽輪機(jī)并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

根據(jù)聚光方式的不同，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可分為槽式、碟式、塔式和菲涅耳式。其中，塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)由于具有聚光比高、發(fā)電效率高、技術(shù)成熟度高、適宜大規(guī)模應(yīng)用，以及可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)，成為各國爭相關(guān)注的熱點(diǎn)[3-4]。

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)利用大量實(shí)時跟蹤太陽能運(yùn)行的定日鏡，將太陽光聚焦并反射到吸收塔的接收器上，產(chǎn)生高達(dá)1 000℃的高溫，用以加熱接收器中的傳熱介質(zhì)，完成太陽能熱量的收集。定日鏡場是塔式光熱電站中的關(guān)鍵設(shè)備，在電站總投資中占有較大的比重，通常情況下，定日鏡場投資為電站總投資的40%～50%[5]。此外，定日鏡場的設(shè)計還直接關(guān)系到吸熱器接收到的能量，從而影響后續(xù)常規(guī)島模塊的能量輸出[6]。因此，定日鏡場布局的優(yōu)化設(shè)計對塔式光熱電站的提效降本有著重要意義。

筆者通過對目前常見的圓形散點(diǎn)、方形散點(diǎn)和方形麥田三種定日鏡場排布形式，應(yīng)用塔式光熱電站設(shè)計軟件進(jìn)行模擬分析，得到三種鏡場的整體光學(xué)效率和光學(xué)損失，并對比三種鏡場所需的定日鏡數(shù)量、吸熱器功率、儲熱介質(zhì)儲熱功率、占地面積及土地利用率，為定日鏡場布局設(shè)計及優(yōu)化提供有益參考。

2 定日鏡場光學(xué)效率分析

太陽光經(jīng)定日鏡反射后，在到達(dá)吸熱器的過程中會有一定的能量損失，這些損失主要包括余弦損失、大氣衰減損失、陰影損失、遮擋損失及溢出損失等。

2.1 余弦損失

定日鏡場通常按一定規(guī)律布置，在設(shè)計過程中，余弦損失占總損失的50%～70%[7]。為將更多的太陽輻射能反射到吸熱器上，需保證定日鏡表面與太陽入射光束垂直。但實(shí)際上，余弦損失是不可避免的，因?yàn)槎ㄈ甄R在能量轉(zhuǎn)換過程中，其表面可能會與入射光束成一傾斜角度。另一方面，余弦效率的大小不僅取決于太陽的位置，也取決于定日鏡所在的坐標(biāo)位置[8]。因此，在設(shè)計定日鏡場時，將定日鏡布置在余弦效率較高的區(qū)域中，對于提高定日鏡場的余弦效率很重要。

余弦效率是太陽入射角θi（如圖1所示）的余弦值，太陽入射角越小，反射到定日鏡上的有效面積就越大，余弦效率也就越高。反之，太陽入射角越大，反射到定日鏡上的有效面積就越小，余弦效率也就越低[9]。余弦效率直接影響整個系統(tǒng)的發(fā)電效率，因此，確定較高余弦效率的定日鏡分布區(qū)域?qū)τ诙ㄈ甄R場的設(shè)計和布置非常重要。

2.2 大氣衰減損失

由于大氣中含有不同成分，如粉塵、濕氣等，且這些成分分布不均，因此，經(jīng)過定日鏡反射的太陽光線能量并不能全部到達(dá)吸熱器表面，其中一部分要被大氣中的顆粒吸收，導(dǎo)致能量有一定的衰減[10]。定日鏡的大氣衰減損失主要與定日鏡和吸熱器之間的距離有關(guān)，定日鏡與吸熱器之間的距離越遠(yuǎn)，大氣衰減就越嚴(yán)重。

圖1 余弦效率示意圖

2.3 陰影與遮擋損失

在定日鏡場設(shè)計時，定日鏡之間的距離是一個十分重要的參數(shù)，它主要影響鏡場陰影和遮擋損失。如圖2所示，當(dāng)定日鏡間距較小、鏡場排布較密時，一部分定日鏡就會出現(xiàn)入射或反射光線被其它定日鏡遮擋的情況。其中，入射光線被擋住導(dǎo)致的能量損失稱為陰影損失，反射光線被擋住導(dǎo)致的能量損失稱為遮擋損失。陰影和遮擋損失除了與定日鏡排布有關(guān)外，還與太陽運(yùn)行位置有關(guān)。當(dāng)太陽高度角較小時，如清晨或黃昏時分，相鄰定日鏡產(chǎn)生陰影與遮擋損失的現(xiàn)象就較為嚴(yán)重[11]。因此，合理安排定日鏡之間的距離，避免陰影與遮擋損失，對提高鏡場光學(xué)效率有著重要意義。

圖2 陰影遮擋損失示意圖

2.4 溢出損失

溢出損失是指經(jīng)定日鏡反射的太陽光線沒有到達(dá)吸熱器表面，而是溢出到大氣中所導(dǎo)致的能量損失[12]。溢出損失與定日鏡的跟蹤精度及鏡場調(diào)控策略都有密切關(guān)系。

3 不同排布形式定日鏡場分析

3.1 設(shè)計參數(shù)

定日鏡場的排布形式多種多樣，目前，較為常見的主要有三種形式：圓形散點(diǎn)（CRS）、方形散點(diǎn)（SQS）和方形麥田（SQC），三種形式的定日鏡場排布如圖3所示。

圖3 三種不同形式的定日鏡場排布

要比較不同形式的定日鏡場光學(xué)效率，必須選定同一設(shè)計點(diǎn)，并保持其它參數(shù)（包括氣象條件、常規(guī)島模塊參數(shù)、定日鏡參數(shù)、吸熱器參數(shù)等）不變。筆者取某年3月20日正午12：00為設(shè)計點(diǎn)，以1 MW作為設(shè)計電站容量，其它主要參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 主要設(shè)計參數(shù)

3.2 定日鏡場整體光學(xué)效率和光學(xué)效率損失

由圖4可見：圓形散點(diǎn)形式的定日鏡場整體光學(xué)效率最高，約為0.7；方形散點(diǎn)形式次之，約為0.66；方形麥田形式最低，約為0.64。造成這一現(xiàn)象的主要原因是圓形散點(diǎn)形式的定日鏡場，定日鏡之間的干擾較少，各種光學(xué)效率損失都較小。此外，由圖4還可以看出，在各類光學(xué)效率損失中，無論何種鏡場排布形式，余弦效率損失都是最大的。余弦損失始終存在，不可避免，但無論是在設(shè)計鏡場還是在調(diào)控鏡場時，都應(yīng)盡力降低余弦損失，從而提高鏡場效率。除了余弦損失，溢出損失也占有較大的比重，這主要是由于該軟件建立的鏡場調(diào)控模型較為簡單，并沒有考慮每面定日鏡的具體朝向和反射路徑，因?yàn)檫@會帶來巨大的工作量。這一模型對于電站預(yù)設(shè)計而言已經(jīng)足夠了，在后續(xù)的鏡場調(diào)控環(huán)節(jié)，溢出損失是可以得到有效控制的。

3.3 定日鏡數(shù)量

由圖5可見，由于電站設(shè)計容量相同，為達(dá)到設(shè)計容量，光學(xué)效率較低的鏡場排布就必須通過增加定日鏡數(shù)量來保證吸熱器及儲熱介質(zhì)獲得足夠的能量。需要指出的是，鏡場光學(xué)效率和定日鏡數(shù)量并不是簡單的反比關(guān)系，兩者都受多種因素的影響，如定日鏡規(guī)格、吸熱器尺寸、吸熱塔高等。

圖4 不同鏡場排布形式的定日鏡場光學(xué)效率和光學(xué)損失

圖5 不同鏡場排布形式的定日鏡數(shù)量

3.4 吸熱器功率及儲熱介質(zhì)儲熱功率

隨著定日鏡數(shù)量的增加，吸熱器功率和儲熱介質(zhì)儲熱功率都有明顯的增加，如圖6、圖7所示，原因是當(dāng)布置更多的定日鏡時，吸熱器表面接收到的反射太陽光就更多。雖然方形麥田形式的定日鏡場整體光學(xué)效率最低，但是由于布置了最多的定日鏡數(shù)量，吸熱器功率和儲熱介質(zhì)儲熱功率都達(dá)到了最高，分別為10.07 MW和8.51 MW。對于1 MW熔鹽塔式光熱電站設(shè)計而言，通過軟件常規(guī)島模塊計算，儲熱介質(zhì)的設(shè)計儲熱功率達(dá)到6.52 MW即可。圓形散點(diǎn)布置形式的定日鏡場光學(xué)效率最高，僅需112面定日鏡就可達(dá)到7.09 MW的儲熱功率，即可滿足設(shè)計要求。同時，圓形散點(diǎn)定日鏡場的吸熱器功率為8.44 MW，吸熱器表面能流密度也沒有超過最大允許值。

圖6 不同鏡場排布形式的吸熱器功率

圖7 不同鏡場排布形式的儲熱介質(zhì)儲熱功率

3.5 鏡場占地面積和土地利用率

圖8、圖9顯示了不同鏡場排布形式的鏡場占地面積和土地利用率。需要指出的是，定日鏡規(guī)格為10.95 m×10.95 m，方形麥田形式鏡場中定日鏡間距設(shè)定為20 m，為定日鏡的轉(zhuǎn)動留出余量，同時避免產(chǎn)生過大的陰影與遮擋損失。由于方形麥田形式使用的定日鏡數(shù)量最多，達(dá)到了144面，因此其鏡場占地面積也最大，達(dá)到了67 600 m2，而土地利用率卻只有0.25。圓形散點(diǎn)形式的鏡場土地利用率最高，同時由于其使用的定日鏡數(shù)量最少，僅為112面，其鏡場占地面積比方形麥田形式小28%左右，僅為48605m2。

圖8 不同鏡場排布形式的鏡場占地面積

圖9 不同鏡場排布形式的土地利用率

4 結(jié)論

通過使用塔式光熱電站設(shè)計軟件，對三種不同排布形式的定日鏡場進(jìn)行仿真模擬，得到不同形式定日鏡場的整體光學(xué)效率及各類損失，對比了不同鏡場的定日鏡數(shù)量、吸熱器功率、儲熱介質(zhì)儲熱功率、鏡場占地面積及土地利用率，得出了研究結(jié)論。

（1）圓形散點(diǎn)形式的定日鏡場整體光學(xué)效率最高，方形麥田形式的鏡場效率最低。在各類光學(xué)效率損失中，余弦損失占較大比重。

（2）由于圓形散點(diǎn)形式的鏡場整體光學(xué)效率最高，在電站設(shè)計容量相同的情況下，這種形式的鏡場所需定日鏡數(shù)量最少。

（3）方形麥田形式的鏡場由于布置了較多的定日鏡，其吸熱器功率及儲熱介質(zhì)儲熱功率也較高。

（4）圓形散點(diǎn)形式的定日鏡場土地利用率最高，需要的建設(shè)面積最小。

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（編輯：啟德）

我國成功研發(fā)全球第一套發(fā)電機(jī)鐵芯自動疊裝系統(tǒng)

日前，中車株洲電機(jī)有限公司在電機(jī)鐵芯疊裝工序生產(chǎn)過程中成功運(yùn)用信息化智能化先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)出工效提高超過30%，且產(chǎn)品一次交驗(yàn)合格率達(dá)到99.5%以上、完工準(zhǔn)時率達(dá)到99.9%的全球第一套發(fā)電機(jī)鐵芯自動疊裝系統(tǒng)。

電機(jī)產(chǎn)品作為軌道交通裝備、風(fēng)力發(fā)電和新能源的動力核心，其制造水平的智能化、自動化發(fā)展將有助于推動整個產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。在發(fā)電機(jī)生產(chǎn)過程中，鐵芯疊裝生產(chǎn)工序全世界目前普遍采用人工手工作業(yè)，技術(shù)含量偏低，生產(chǎn)步驟繁瑣，定位整形失控，作業(yè)效率低下，準(zhǔn)確度質(zhì)量不高。為此，中車株洲電機(jī)歷經(jīng)10個多月的自主創(chuàng)新探索，終于成功研發(fā)出這套發(fā)電機(jī)鐵芯自動疊裝系統(tǒng)。

目前，該套鐵芯自動疊裝系統(tǒng)已申報1項國際專利、3項發(fā)明專利和6項實(shí)用新型專利。

（據(jù)《湖南日報》報道）

Three types ofheliostat fields were simulated byusingthe tower-type thermal power station design software in different configurations includingcircle staggered（CRS），square staggered（SQS）and square cornfield（SQC）with an attempt to analyze the optical efficiency and loss of three types of heliostat fields,and compared the parameters of three heliostat fields involving heliostat quantity,heat absorber power,heat storage amount of heat storage medium,floor space and land-use ratio which can provide a reference for layout of the heliostat field and for efficiency improvement of the heliostat field.The simulation results show that the heliostat field in configuration of CRS has the highest optical efficiency,the min.number of heliostats and the smallest floor space under the same design capacity of the power station.

Solar Power；Heliostat Field；OpticalEfficiency

TH123；TK51

B

1672-0555（2017）01-006-05

*上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會專項（編號：ZB-ZBYZ-02-14-1049，JJ-YJCX-01-16-0991）

2016年11月

關(guān)弘揚(yáng)（1990—），男，碩士，工程師，主要從事太陽能熱發(fā)電研究工作