塔式電站中定日鏡尺寸的選擇

張宏麗，王樹群

(沈陽工程學院 a.新能源學院；b.能源與動力學院；遼寧 沈陽 110136)

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塔式電站中定日鏡尺寸的選擇

張宏麗a，王樹群b

(沈陽工程學院 a.新能源學院；b.能源與動力學院；遼寧 沈陽 110136)

定日鏡是塔式電站中最基本的聚光單元，也是電站中花費成本最大的部分。由于定日鏡鏡面尺寸的大小直接決定了定日鏡的結構設計和生產(chǎn)成本，也決定了電站中定日鏡總數(shù)目和定日鏡場的大小以及定日鏡的跟蹤控制及維修。因此，針對商業(yè)化運行塔式電站中的定日鏡進行研究，從技術和經(jīng)濟的角度，探討了塔式電站中采用小尺寸定日鏡和大尺寸定日鏡的利弊，可為塔式電站定日鏡尺寸的選取提供依據(jù)。

塔式電站；定日鏡；尺寸；成本

根據(jù)《國家能源局關于組織太陽能熱發(fā)電示范項目建設的通知》(國能新能[2015]355號)要求，為推動我國太陽能熱發(fā)電技術產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，2016年9月14日，國家能源局確定了第一批太陽能熱發(fā)電示范項目，總裝機容量134.9萬kW[1]。在20個示范項目中，塔式太陽能熱發(fā)電項目共有9個，分別分布在青海省德令哈市50 MW和135 MW、青海省海南藏族自治州共和縣50 MW、甘肅省敦煌100 MW、甘肅省酒泉市金塔縣100 MW、甘肅玉門50 MW和100 MW、河北省張家口市尚義縣50 MW和新疆哈密50 MW。

定日鏡是塔式電站中最基本的聚光單元，在塔式電站中通常采用幾百或幾千個定日鏡。定日鏡是整個塔式電站中花費最多的部分，占整個電站成本的40%～50%。全球各制造商所提供的傳統(tǒng)玻璃-鋼結構的定日鏡尺寸分為1.14 m2(eSolar)、2 m2(Supcon Solar)、15.2 m2(Bright source)、19 m2(Hellas)，62.5 m2(Pratt & Whitney)、116 m2(Sener)到120 m2和140 m2(Abengoa)，尺寸差別非常大[2-4]。

目前，國際上對最佳定日鏡尺寸的大小，還沒有形成統(tǒng)一的說法。為此，從技術和經(jīng)濟的角度，對塔式電站中采用小尺寸定日鏡和大尺寸定日鏡的利弊進行了分析，從而為塔式電站定日鏡尺寸的適當選取提供依據(jù)。

1 商業(yè)化運行塔式電站中的定日鏡

隨著能源形勢的日益緊張，世界上很多國家都在進行塔式太陽能熱發(fā)電技術的研究和探索，陸續(xù)建立了很多研究型和示范型的塔式電站。但目前商業(yè)化運行的塔式電站只有7座，如表1所示[5-9]。由表1可知，西班牙和美國是塔式電站商業(yè)化程度較高的國家，各有3座商業(yè)化運行的塔式電站。根據(jù)這些塔式電站中所采用的定日鏡情況可知，目前在定日鏡的尺寸選擇上存在兩種趨勢：一種是選擇120 m2和140 m2的大尺寸定日鏡；另一種是選擇20 m2以下的小尺寸定日鏡，如圖1所示。

2 定日鏡尺寸選擇的經(jīng)濟問題

2.1 單個定日鏡的成本

目前國際上在定日鏡成本方面進行了很多研究。研究發(fā)現(xiàn)，定日鏡尺寸不同，其各組成部分所占定日鏡總成本的比例也不同。圖2為美國Sandia實驗室對自30 m2至148 m2不同尺寸定日鏡各組成部分所占總成本的比例進行的評估[9]。從圖2中可知，無論對大尺寸定日鏡還是小尺寸定日鏡來說，驅(qū)動裝置和鏡面單元都是定日鏡成本中占比較大的部分，大約占20%；其次，對大尺寸定日鏡來說，鏡面支架占比較大；而對小尺寸定日鏡來說，鏡場布線及控制占比較大。

圖1 商業(yè)化塔式電站中所采用的定日鏡

表1 目前商業(yè)化運行塔式電站中所采用的定日鏡[4-9]

圖2 大小尺寸定日鏡各組成部分所占總成本比例

在定日鏡成本中，方位驅(qū)動裝置相比高度驅(qū)動裝置要昂貴得多，可以說是定日鏡成本中占比較高的部分。因此，為了降低其成本，全球各制造商，如Sener、Flender Siemens、Winsmith、CENER和 Cone Drive，都開發(fā)了一些特制的方位驅(qū)動產(chǎn)品。

在單位面積鏡面單元成本一定的情況下，因抗風載要求，鏡面支架、基座以及地基方面的花費均隨鏡面反射面積的增加而急劇增大(呈1.5次方)，但在鏡場布線、控制及驅(qū)動方面的花費隨鏡面反射面積的增加而增加較少(表2)[10]。總之，大尺寸定日鏡的整體成本較大，但主要花費在鏡面支架、基座以及地基方面；小尺寸定日鏡整體成本較小，但在鏡場布線和控制方面的花費會較多。

表2 定日鏡各組成部分花費與鏡面尺寸的關系

然而，也有研究表明，定日鏡單位面積鏡面單元成本($/m2)取決于定日鏡設計風速的大小。設計風速越大，定日鏡各組成部分的花費越高，單位面積鏡面單元成本也越高。在5 m/s較小的設計風速下，40 m2以上定日鏡的單位面積鏡面單元成本基本上是一個常數(shù)；而在15 m/s較大的設計風速下，40 m2以上定日鏡的單位面積鏡面成本隨定日鏡鏡面反射面積的增大而增加[10]。

2.2 規(guī)?；a(chǎn)下定日鏡的成本

定日鏡的成本與生產(chǎn)規(guī)模有著非常密切的關系。大規(guī)模生產(chǎn)后，使得定日鏡各部件的設計、生產(chǎn)和加工的成本顯著降低。美國Sandia實驗室針對相同鏡面反射面積235 000 m2下采用30 m2小尺寸定日鏡和采用148 m2大尺寸定日鏡進行定日鏡場布置的研究結果表明：大尺寸定日鏡單位面積鏡面單元的制作成本僅為198 $/m2，而小尺寸定日鏡單位面積鏡面單元的制作成本為237 $/m2[11]。這就意味著，在規(guī)?；a(chǎn)下大尺寸定日鏡將更受益，成本造價更低。在電站規(guī)模一定的情況下，采用大尺寸定日鏡因所需定日鏡個數(shù)較少，在鏡場布線及控制方面的花費也要少一些，安裝、運行維護的效率也得以提高。

2.3 定日鏡的生命周期成本

在實際工程項目中，不但要考慮定日鏡的制造成本，即定日鏡各組成部件的成本(定日鏡鏡面單元、驅(qū)動裝置、基座及支架、控制系統(tǒng)、鏡場通訊與布線等部件的材料費用以及由此產(chǎn)生的設計、管理等其他間接費用)，還要考慮到很多與定日鏡有關的其他花費，如安裝檢查成本(定日鏡地基材料及建設、基座安裝、整體裝配、定日鏡及場地布線、檢查及啟動、鏡面校準等產(chǎn)生的直接成本，以及由此產(chǎn)生的現(xiàn)場制造設施及鏡面單元安裝工具的租用和購買、吊車、鏟車等場地工作設備的租賃、安裝檢查以及設計、管理等)、其他間接費用和運行維護成本(年度人工維護、維修、清洗等費用)。以上直接成本、間接成本及運行維護成本等等加在一起，統(tǒng)稱為定日鏡的生命周期成本[12]。

由于定日鏡直接成本和間接成本的數(shù)學模型還不是很成熟，其計算也相當?shù)貜碗s。因此，國際上關于最低生命周期成本的最佳定日鏡尺寸還未達成共識，還有待于進一步的研究和探索。

目前在工程實踐中所獲得的經(jīng)驗是：定日鏡的尺寸(鏡面反射面積)大小直接決定了定日鏡的重量、制造、安裝和維護的時間。小尺寸定日鏡因尺寸較小且重量較輕，其安裝及調(diào)試過程均較為簡單；而大尺寸定日鏡因承受風載荷較大，自身重量較重，所需驅(qū)動裝置功率較大，現(xiàn)場安裝較為困難，需要起吊設備，而且鏡面校準耗時較長。為了保持定日鏡的鏡面反射率，確保鏡場光學效率，除了大的雨或雪對定日鏡的自然清洗之外，定日鏡還要進行定期或不定期清洗。Kramer Junction Corporation(KJC)認為夏季清洗定日鏡要比冬季清洗定日鏡收益更多，因此，KJC選擇在每年的8～9月份清洗定日鏡。在定日鏡的清洗方面，可以采用中低壓去離子水沖洗、酸洗和直接刷洗的方法。定日鏡清洗所涉及的費用，不但包括水費和清洗設備的費用，還包括由此產(chǎn)生的人工費用[13]。當定日鏡之間間距較大時，如果不關閉水閥會造成水的浪費，而人工費用的多少取決于所在的國家以及這些工人是否為正式職工。在美國以及歐洲的一些發(fā)達國家，人工費用占定日鏡清洗費用中的主要部分。在電站規(guī)模一定的情況下，由于小尺寸定日鏡所采用的清洗裝置較小，要在相同的清洗時間內(nèi)完成對定日鏡場內(nèi)所有定日鏡的清洗，就需要比大尺寸定日鏡更多的清洗裝置和操作人員，由此也增加了清洗所需的費用。

3 定日鏡尺寸選擇的技術問題

定日鏡作為單獨的聚光原件，其設計與吸熱器內(nèi)的工作介質(zhì)類型、吸熱器的結構以及聚光集熱用途無關，但定日鏡場作為塔式電站中最初的聚光集熱部分，其系統(tǒng)設計就顯得非常重要。定日鏡場的設計需要機械、結構、制造、電氣、通訊、氣體動力學以及光學等多個領域的工程師共同完成。為此，要求各學科領域的工程師從最初的定日鏡設計到定日鏡的整個生命周期維護都要進行密切地合作。

3.1 環(huán)境條件要求

對于單個定日鏡來說，重力和風載荷是決定定日鏡尺寸的主要因素，要保證定日鏡各部件(鏡面單元、支撐結構、驅(qū)動裝置等)在裝載模式以及運行模式下的強度安全。定日鏡在安裝時，還要有一定的離地凈高。對離地凈高的要求，可能是來自于對沙漠生態(tài)系統(tǒng)保護的需要，避免定日鏡在運行時刮碰植被；也可能是為了保護鏡面，避免其受到沙塵的侵蝕；也可能是為了給安裝和維護設備留有一定操作空間[14]。因此，對于5 m2的定日鏡，離地凈高應在1.5 m左右；而對于10 m2的定日鏡，離地凈高應在2 m左右[14]。同時，相鄰定日鏡之間的距離要確保定日鏡在垂直和水平裝載下有足夠的間隙，且定日鏡行間距至少也得有3～4.5 m，以保證普通的清洗卡車所需的單車道間距[14]。小尺寸定日鏡一般在離塔較近區(qū)域布置得較密。這樣即使在安裝時，不需要大的起吊設備，但因定日鏡之間間距過小，這些定日鏡也只能選擇半自動或人工清洗，這無形中又增大了維護定日鏡的費用。因此，即使采用小尺寸定日鏡，離塔較近區(qū)域定日鏡之間的間距也要考慮到清洗、維修及更換定日鏡的需要。

3.2 聚光性能的要求

在定日鏡場系統(tǒng)設計中，定日鏡尺寸的選擇還要考慮到吸熱器的尺寸及其受熱面對熱流密度均勻性的要求[3]。小尺寸定日鏡因其自身重量較輕，只需要較為簡單、便宜的驅(qū)動裝置。需要注意的是，當采用低成本的驅(qū)動裝置時，跟蹤精度也會比較低，同時，在運行及強風條件下，因結構變形導致的定日鏡跟蹤誤差和立柱傾斜對聚光效果的影響也較大。通常，在面型誤差、跟蹤誤差一定的情況下，小尺寸定日鏡所產(chǎn)生的光斑較小，聚光效果較好。而且，小尺寸定日鏡還可以采用較薄的、反射率較高的鏡片，提高聚光性能[14]。相對一定尺寸的吸熱器來說，大尺寸定日鏡更容易導致吸熱器表面出現(xiàn)熱流不均和光線溢出的現(xiàn)象，為此，對聚光的準確性要求也要更高些。因此，在采用大尺寸定日鏡時，可以通過鏡面反射率的提高、聚光校準技術的改進以及定日鏡場可用率的提高來改善整個定日鏡場的聚光性能。

4 結 語

通過以上分析可知，塔式電站系統(tǒng)中定日鏡尺寸的選擇是一個涉及技術性和經(jīng)濟性多方面的問題。不但要考慮定日鏡的設計、規(guī)?；圃?、部件組裝、調(diào)試、跟蹤控制及清洗等整個生命周期的各項成本，還要考慮吸熱器對聚光性能的要求。為此，西班牙學者E.Carrizosa提出了采用多尺寸定日鏡進行定日鏡場布置的想法，即在鏡場中效率較高的區(qū)域布置大尺寸定日鏡，而在定日鏡場邊界或者其他間隙較大的區(qū)域采用靈活性較高的小尺寸定日鏡進行填補[15]。這一方法雖然比較容易滿足吸熱器對聚光性能的要求，但在經(jīng)濟性方面的問題還有待進一步的研究。

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(責任編輯張凱校對魏靜敏)

DiscussiononSelectingtheSizeofHeliostatsforSolarPowerTowerPlants

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.For the size of heliostat is a decisive factor in itsstructural design and manufacture,as a result,influences quite much the total number,tracking,control and maintenance of heliostats,therefore,it is crucial in the system design of the solar power tower plant.In this paper,the heliostats in commercial solar power tower plants were investigated,and the advantages and disadvantages of large size heliostats and small size heliostats were discussed from the technical and economical views.

solar power tower plant;heliostat;size;cost

2017-05-23

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

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.002

TK513.1

： A

： 1673-1603(2017)03-0199-05