塔式太阳能热发电站镜场设计分析

2016-09-23浙江中控太阳能技术有限公司宓霄凌王伊娜李建华李心

太阳能 2016年6期

关键词：塔式阴影电站

浙江中控太阳能技术有限公司 ■ 宓霄凌王伊娜李建华李心

塔式太阳能热发电站镜场设计分析

浙江中控太阳能技术有限公司 ■ 宓霄凌王伊娜李建华李心*

通过对国内外现有镜场设计方法的分析与总结，从镜场效率、定日镜数目、土地利用率、电站安装和运维等方面进行比较。结果表明，并非所有的理论镜场设计方法都适用于实际电站，镜场设计必须兼顾项目的实际运营，如安装、清洗等。

塔式太阳能热发电；镜场设计；镜场效率

0　引言

随着全球环境污染的日益严重，传统资源的逐渐耗尽，人类已开始陷入能源危机，人们也在不断寻找替代传统资源的新能源。太阳能作为一种清洁无污染能源，其到达大气层外的辐射通量高达1.75×105TW，即每秒投射到地球上的能量相当于5.9×106吨标准煤，太阳能资源非常丰富。

塔式太阳能热发电［1］作为一种太阳能发电的重要形式，其关键设备定日镜约占电站总成本的40％～50％［2，3］。国内外已建成的塔式太阳能电站主要有：美国eSolar公司的Sierra Sun Tower［4］太阳能电站（如图1所示）、西班牙PS10和PS20电站、西班牙Torresol能源公司的Gemasoalr电站、美国Bright Source公司的Ivanpah电站、美国Solar Reserve公司的Crescent Dunes电站（如图2所示）等。

图1　Sierra Sun Tower示范电站

图2　Crescent Dunes商业化电站

1　镜场设计方法

1.1镜场设计的基本概念

镜场是由大量具有双轴跟踪系统的、按一定方式排布（以下简称镜场布局）的定日镜组成，定日镜实时跟踪太阳轨迹，将太阳辐射能反射至位于镜场中间高塔（以下简称吸热塔）上的吸热器上，加热流经吸热器内的工作介质，以达到收集太阳辐射能的目的。

一般来说，镜场设计的基本要求是镜场的输出热功率Efield满足吸热器输入热功率Ereceiver的要求，即：

式中，Am为镜面反射面积；Nm为总定日镜数目；DNI为太阳直接辐射量；ηfield为镜场效率。

镜场效率ηfield的表达式为：

式中，ηsb为阴影遮挡效率；ηcos为余弦效率；ηatt为大气透射率；ηtrunc为吸热器截断效率；ηcln为镜面清洁度；ηref为镜面反射率。

为满足镜场设计能量的要求，文献［5-13］中提出了设计点的概念。所谓设计点是指用于确定太阳能集热系统参数的某年、某日、某时刻，以及对应的气象条件和太阳法向直接辐照度等；大部分文献中取该时刻为春分正午时刻，文献［12］中取该时刻为夏至正午时刻。该时刻的DNI值一般根据电站所在地辐射情况取850～1000 W/ m2之间。

1.2镜场优化目标

一般情况下，塔式太阳能热发电站系统采用成本-效益作为系统的优化设计目标，如运用平准化电价成本（LCOE）［14～16］作为评价指标的优化目标，镜场仅为塔式太阳能热发电站系统的一个子系统。因为LCOE涉及到电站的总成本及电站的运营成本，是一个很复杂的系统，本文仅从镜场效率、定日镜数目、镜场占地面积、工程施工及运营维护难度等方面对镜场设计进行评价。

2　镜场布局方法

从目前已建成的塔式太阳能电站的镜场布局来看，镜场布局具有各自的规律性，如Sierra Sun Tower电站镜场以直线型布局、Crescent Dunes镜场以圆形布局。另外，镜场布局还包括Collado F J等［17，18］提出的一种Campo镜场布局方法（如图3所示）和Noone C J等［14］提出的一种仿生型镜场布局方法（如图4所示）。下文将针对这几种布局方法的优劣势进行分析。

图3　Campo镜场排布

图4　仿生型镜场布局

2.1直线型布局

直线型布局镜场相对比较简单，其特点是定日镜按照直线进行排布，每行上的定日镜位于同一条直线上，相邻行之间的定日镜东西方向交错布局，不同行之间的行间距相等或不完全相等，同一行上的定日镜镜间距相等。

直线型布局的优点是可最大化地运用土地面积，镜地密度高达48％。但是其阴影遮挡损失也会相对较大，特别是距离吸热塔较远的东西两个角落区域，定日镜之间的交错效果并不明显，如图5所示。

图5　余弦效率、阴影遮挡效率、镜场效率分布图

为了提高镜场效率，eSolar公司在专利《用于多塔中心接收器太阳能发电站的定日镜阵列布局》［19］中提到，离吸热塔远的定日镜采用镜面面积相对较小的定日镜，以减少定日镜之间的阴影遮挡损失。虽然专利中提到的方法一定程度上可以提高镜场的效率，但由于运用了更小的镜面，这种方法将导致定日镜数目的增加。

为了减少定日镜之间的阴影遮挡效率损失，Mills等［20］提出了一种独特的定日镜投射方法，该方法较好地解决了定日镜之间的阴影遮挡损失，即离吸热塔较远的定日镜“面对面”地将太阳光反射到对方的吸热器上，如图6所示。

综上，直线型布局镜场为了保证镜场效率，单塔规模不宜太大，故一般采用多模块的思路，以解决单塔规模小的问题。但多模块在系统运营上是存在一定难度的。

图6　双塔重叠区域部分定日镜投射方向

2.2圆形布局

与直线型布局不同的是，圆形布局几乎每一面定日镜都处于交错状态。因此，其可较好地解决直线型布局东西两侧阴影遮挡损失严重的问题，如图7所示。

图7　圆形布局阴影遮挡效率分布图

圆形布局的特点是定日镜按照以吸热塔为圆心的同心圆环排布，相邻圆环之间的定日镜按照半径方向交错排布；圆形布局按分区布置，同一区域的径向间距相等，镜环上的定日镜数目相等；不同区域圆环上的定日镜数目随着区域与塔的距离的增加而增加。

圆形布局虽然在一定范围内使东西两侧的阴影遮挡损失不至于太严重，提高了镜场的效率，但是随着镜塔距离的不断增加，受相间镜环之间定日镜距离的限制，其阴影遮挡损失同样比较严重。

2.3Campo布局

Campo布局方法是为了解决圆形布局远距离定日镜阴影遮挡比较严重的问题。该方法适当增加了远距离定日镜北镜场镜环之间的距离，又由于在北半球南镜场的阴影遮挡效率相对高很多，其还适当（在保证定日镜之间的安全距离下）减小了南镜场远距离定日镜镜环之间的距离，不但增加了南镜场的余弦效率，也有利于镜场土地利用率的提高。不过，Campo布局镜场仍然无法解决区域变化时，由定日镜数目骤增引起的局部区域遮挡阴影损失的增加，如图3所示。

2.4仿生型布局

针对Campo布局镜场区域变化处局部定日镜的阴影遮挡损失较严重这一问题，仿生型镜场布局可使定日镜的镜地密度几乎是连续地减小，即相同土地面积上的定日镜随着镜塔距离的增加，逐渐连续地减少，如图4所示。

仿生型镜场布局的特点［21］是定日镜均位于仿生型螺旋线之上，并以黄金分割角确定每个定日镜的方位，如图8所示。其中，r为仿生型螺旋线半径；θ为黄金分割角（约137.5 °）；3是指定日镜数目。

图8　仿生型镜场布局点示意图

2.5镜场清洗

图9为全球光资源分布图，大部分光资源丰富地区都位于沙漠或戈壁滩地区，如美国加利福尼亚州沙漠地区、非洲沙漠地区和澳大利亚荒漠地区等，但扬尘、风沙都比较严重。定日镜的清洁度是保证镜场提供能量的一个关键因素，直接影响着电站的发电量。因此，镜场清洗是塔式太阳能电站运营中所必需的。

镜场是由大量定日镜组成的，依靠人力进行清洗是一件不现实的事情，必须配置一定数量的清洗设备进行清洗。清洗设备一般是自动或人工操作，且需要按照一定的线路在镜场中行走。

图9　全球太阳能资源分布

从上述几种镜场布局来看，镜场布局越复杂，清洗设备的操作复杂度越高，受清洗设备影响的定日镜的安全系数就越低。受清洗设备影响的定日镜的安全系数由高到低排序为：直线型布局、圆形布局、Campo布局、仿生型布局。

Campo布局镜场，由于南北镜场相邻镜环间距由北向南是逐渐减小的，对于清洗设备的驾驶员而言，不同的镜场位置要求驾驶员的驾驶距离不同，这样就不利于定日镜的安全。而且，仿生型布局镜场，镜场中根本不存在规则的直线型或环形的清洗路线可供清洗设备通行。

定日镜的安装和清洗都是需要定点定位操作，仿生型布局和Campo远距离定日镜的定位可行性也较差。出于上述两点，目前世界范围内均未采用这两种镜场布局方法。

2.6几种布局方式比较

根据上述分析可知，相同规模的各镜场布局各特性由高到低排序如表1所示。

表1　镜场布局属性排序

3　总结

通过上述分析可知，目前已有或正在研究的镜场布局中，并非所有的镜场布局都适用于实际的电站中，即便它具有更高的效率。实际的镜场设计并不能只停留在理论分析上，必须兼顾项目的实际运营，如安装、清洗等。

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更正

本刊2016年第4期刊登的《一种半片设计的高效晶体硅光伏组件》一文中，因作者失误导致第13页的“图6半片组件的排布和连接方式”刊登出现错误，现将图进行更正：

修改前：