不同定日镜场排布形式对镜场光学效率的影响*

□关弘扬 □张艳梅 □廖文俊 □顾清之 □段洋 □张亚伟

上海电气集团股份有限公司中央研究院上海200070

不同定日镜场排布形式对镜场光学效率的影响*

□关弘扬 □张艳梅 □廖文俊 □顾清之 □段洋 □张亚伟

上海电气集团股份有限公司中央研究院上海200070

应用塔式光热电站设计软件模拟圆形散点、方形散点和方形麦田等三种不同排布形式的定日镜场，分析三种定日镜场的光学效率及损失，对比三种镜场的定日镜数量、吸热器功率、储热介质储热功率、占地面积及土地利用率等参数，为定日镜场布置及提高定日镜场效率提供参考。模拟结果显示，圆形散点布置形式的定日镜场整体光学效率最高，在相同电站设计容量条件下其所需的定日镜数量最少，占地面积最小。

太阳能；定日镜场；光学效率

1 课题背景

面对严峻的能源形势，新能源的开发利用正引起世界各国重视，对于解决能源枯竭及日益严重的环境污染问题具有重大意义[1]。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，太阳能热发电是太阳能利用中的一项重要技术[2]。它利用聚光系统将太阳能收集起来，达到较高的温度，用以加热传热介质；传热介质获得的热量在发电岛中释放，产生蒸汽，推动汽轮机并带动发电机发电。

根据聚光方式的不同，太阳能热发电系统可分为槽式、碟式、塔式和菲涅耳式。其中，塔式光热发电系统由于具有聚光比高、发电效率高、技术成熟度高、适宜大规模应用，以及可实现连续、稳定发电等优点，成为各国争相关注的热点[3-4]。

塔式太阳能热发电系统利用大量实时跟踪太阳能运行的定日镜，将太阳光聚焦并反射到吸收塔的接收器上，产生高达1 000℃的高温，用以加热接收器中的传热介质，完成太阳能热量的收集。定日镜场是塔式光热电站中的关键设备，在电站总投资中占有较大的比重，通常情况下，定日镜场投资为电站总投资的40%～50%[5]。此外，定日镜场的设计还直接关系到吸热器接收到的能量，从而影响后续常规岛模块的能量输出[6]。因此，定日镜场布局的优化设计对塔式光热电站的提效降本有着重要意义。

笔者通过对目前常见的圆形散点、方形散点和方形麦田三种定日镜场排布形式，应用塔式光热电站设计软件进行模拟分析，得到三种镜场的整体光学效率和光学损失，并对比三种镜场所需的定日镜数量、吸热器功率、储热介质储热功率、占地面积及土地利用率，为定日镜场布局设计及优化提供有益参考。

2 定日镜场光学效率分析

太阳光经定日镜反射后，在到达吸热器的过程中会有一定的能量损失，这些损失主要包括余弦损失、大气衰减损失、阴影损失、遮挡损失及溢出损失等。

2.1 余弦损失

定日镜场通常按一定规律布置，在设计过程中，余弦损失占总损失的50%～70%[7]。为将更多的太阳辐射能反射到吸热器上，需保证定日镜表面与太阳入射光束垂直。但实际上，余弦损失是不可避免的，因为定日镜在能量转换过程中，其表面可能会与入射光束成一倾斜角度。另一方面，余弦效率的大小不仅取决于太阳的位置，也取决于定日镜所在的坐标位置[8]。因此，在设计定日镜场时，将定日镜布置在余弦效率较高的区域中，对于提高定日镜场的余弦效率很重要。

余弦效率是太阳入射角θi（如图1所示）的余弦值，太阳入射角越小，反射到定日镜上的有效面积就越大，余弦效率也就越高。反之，太阳入射角越大，反射到定日镜上的有效面积就越小，余弦效率也就越低[9]。余弦效率直接影响整个系统的发电效率，因此，确定较高余弦效率的定日镜分布区域对于定日镜场的设计和布置非常重要。

2.2 大气衰减损失

由于大气中含有不同成分，如粉尘、湿气等，且这些成分分布不均，因此，经过定日镜反射的太阳光线能量并不能全部到达吸热器表面，其中一部分要被大气中的颗粒吸收，导致能量有一定的衰减[10]。定日镜的大气衰减损失主要与定日镜和吸热器之间的距离有关，定日镜与吸热器之间的距离越远，大气衰减就越严重。

图1 余弦效率示意图

2.3 阴影与遮挡损失

在定日镜场设计时，定日镜之间的距离是一个十分重要的参数，它主要影响镜场阴影和遮挡损失。如图2所示，当定日镜间距较小、镜场排布较密时，一部分定日镜就会出现入射或反射光线被其它定日镜遮挡的情况。其中，入射光线被挡住导致的能量损失称为阴影损失，反射光线被挡住导致的能量损失称为遮挡损失。阴影和遮挡损失除了与定日镜排布有关外，还与太阳运行位置有关。当太阳高度角较小时，如清晨或黄昏时分，相邻定日镜产生阴影与遮挡损失的现象就较为严重[11]。因此，合理安排定日镜之间的距离，避免阴影与遮挡损失，对提高镜场光学效率有着重要意义。

图2 阴影遮挡损失示意图

2.4 溢出损失

溢出损失是指经定日镜反射的太阳光线没有到达吸热器表面，而是溢出到大气中所导致的能量损失[12]。溢出损失与定日镜的跟踪精度及镜场调控策略都有密切关系。

3 不同排布形式定日镜场分析

3.1 设计参数

定日镜场的排布形式多种多样，目前，较为常见的主要有三种形式：圆形散点（CRS）、方形散点（SQS）和方形麦田（SQC），三种形式的定日镜场排布如图3所示。

图3 三种不同形式的定日镜场排布

要比较不同形式的定日镜场光学效率，必须选定同一设计点，并保持其它参数（包括气象条件、常规岛模块参数、定日镜参数、吸热器参数等）不变。笔者取某年3月20日正午12：00为设计点，以1 MW作为设计电站容量，其它主要参数设置见表1。

表1 主要设计参数

3.2 定日镜场整体光学效率和光学效率损失

由图4可见：圆形散点形式的定日镜场整体光学效率最高，约为0.7；方形散点形式次之，约为0.66；方形麦田形式最低，约为0.64。造成这一现象的主要原因是圆形散点形式的定日镜场，定日镜之间的干扰较少，各种光学效率损失都较小。此外，由图4还可以看出，在各类光学效率损失中，无论何种镜场排布形式，余弦效率损失都是最大的。余弦损失始终存在，不可避免，但无论是在设计镜场还是在调控镜场时，都应尽力降低余弦损失，从而提高镜场效率。除了余弦损失，溢出损失也占有较大的比重，这主要是由于该软件建立的镜场调控模型较为简单，并没有考虑每面定日镜的具体朝向和反射路径，因为这会带来巨大的工作量。这一模型对于电站预设计而言已经足够了，在后续的镜场调控环节，溢出损失是可以得到有效控制的。

3.3 定日镜数量

由图5可见，由于电站设计容量相同，为达到设计容量，光学效率较低的镜场排布就必须通过增加定日镜数量来保证吸热器及储热介质获得足够的能量。需要指出的是，镜场光学效率和定日镜数量并不是简单的反比关系，两者都受多种因素的影响，如定日镜规格、吸热器尺寸、吸热塔高等。

图4 不同镜场排布形式的定日镜场光学效率和光学损失

图5 不同镜场排布形式的定日镜数量

3.4 吸热器功率及储热介质储热功率

随着定日镜数量的增加，吸热器功率和储热介质储热功率都有明显的增加，如图6、图7所示，原因是当布置更多的定日镜时，吸热器表面接收到的反射太阳光就更多。虽然方形麦田形式的定日镜场整体光学效率最低，但是由于布置了最多的定日镜数量，吸热器功率和储热介质储热功率都达到了最高，分别为10.07 MW和8.51 MW。对于1 MW熔盐塔式光热电站设计而言，通过软件常规岛模块计算，储热介质的设计储热功率达到6.52 MW即可。圆形散点布置形式的定日镜场光学效率最高，仅需112面定日镜就可达到7.09 MW的储热功率，即可满足设计要求。同时，圆形散点定日镜场的吸热器功率为8.44 MW，吸热器表面能流密度也没有超过最大允许值。

图6 不同镜场排布形式的吸热器功率

图7 不同镜场排布形式的储热介质储热功率

3.5 镜场占地面积和土地利用率

图8、图9显示了不同镜场排布形式的镜场占地面积和土地利用率。需要指出的是，定日镜规格为10.95 m×10.95 m，方形麦田形式镜场中定日镜间距设定为20 m，为定日镜的转动留出余量，同时避免产生过大的阴影与遮挡损失。由于方形麦田形式使用的定日镜数量最多，达到了144面，因此其镜场占地面积也最大，达到了67 600 m2，而土地利用率却只有0.25。圆形散点形式的镜场土地利用率最高，同时由于其使用的定日镜数量最少，仅为112面，其镜场占地面积比方形麦田形式小28%左右，仅为48605m2。

图8 不同镜场排布形式的镜场占地面积

图9 不同镜场排布形式的土地利用率

4 结论

通过使用塔式光热电站设计软件，对三种不同排布形式的定日镜场进行仿真模拟，得到不同形式定日镜场的整体光学效率及各类损失，对比了不同镜场的定日镜数量、吸热器功率、储热介质储热功率、镜场占地面积及土地利用率，得出了研究结论。

（1）圆形散点形式的定日镜场整体光学效率最高，方形麦田形式的镜场效率最低。在各类光学效率损失中，余弦损失占较大比重。

（2）由于圆形散点形式的镜场整体光学效率最高，在电站设计容量相同的情况下，这种形式的镜场所需定日镜数量最少。

（3）方形麦田形式的镜场由于布置了较多的定日镜，其吸热器功率及储热介质储热功率也较高。

（4）圆形散点形式的定日镜场土地利用率最高，需要的建设面积最小。

[1]朱成章.世界能源的未来[J].中国电力,2003,36（9）：11-20.

[2]段洋,丁柳柳,张艳梅,等.熔融盐对吸热器基体材料的腐蚀特性研究[J].装备机械,2015（4）:1-5.

[3]丁柳柳,廖文俊,张艳梅,等.熔融盐对蓄热系统部件材料腐蚀行为的研究[J].装备机械,2015（1）:41～46.

[4]段洋,廖文俊,张艳梅,等.太阳能集热技术及其在海水淡化中的应用[J].装备机械,2015（1）:21-25.

[5]顾清之,廖文俊,张艳梅,等.熔融盐圆管内强制对流换热的数值模拟[J].装备机械,2014（4）:66-70.

[6]WEI X D,LU Z W,YU W X et al.A NewCode for the Design and Analysis of Heliostat Field Layout for Power Tower System[J].Solar Energy,2010,84（4）:685～690.

[7]王锦侠.塔式太阳能热电站定日镜集光系统的计算[J].太阳能学报，1982,3（1）:88-93.

[8]LIU D,XU C,WANG D S，et al.Study on the Integrated Control System at Solar Power Tower Plants[C].Proceedings ofISES World Congress 2007,Beijing,2007.

[9]张宏丽,王志峰.塔式电站定日镜场布置范围的理论分析[J].太阳能学报,2011,32（1）:89-94.

[10]王炳忠,汤洁.几种太阳位置计算方法的比较研究[J].太阳能学报,2001,22（4）:413-417.

[11]余强,徐二树,常春,等.塔式太阳能电站定日镜场的建模与仿真[J].中国电机工程学报,2012,32（23）:90-97.

[12]丁婷婷.塔式太阳能热发电镜场的优化与仿真研究[D].南京:南京师范大学,2013.

（编辑：启德）

我国成功研发全球第一套发电机铁芯自动叠装系统

日前，中车株洲电机有限公司在电机铁芯叠装工序生产过程中成功运用信息化智能化先进技术，开发出工效提高超过30%，且产品一次交验合格率达到99.5%以上、完工准时率达到99.9%的全球第一套发电机铁芯自动叠装系统。

电机产品作为轨道交通装备、风力发电和新能源的动力核心，其制造水平的智能化、自动化发展将有助于推动整个产业的健康快速发展。在发电机生产过程中，铁芯叠装生产工序全世界目前普遍采用人工手工作业，技术含量偏低，生产步骤繁琐，定位整形失控，作业效率低下，准确度质量不高。为此，中车株洲电机历经10个多月的自主创新探索，终于成功研发出这套发电机铁芯自动叠装系统。

目前，该套铁芯自动叠装系统已申报1项国际专利、3项发明专利和6项实用新型专利。

（据《湖南日报》报道）

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

*上海市经济和信息化委员会专项（编号：ZB-ZBYZ-02-14-1049，JJ-YJCX-01-16-0991）

2016年11月

关弘扬（1990—），男，硕士，工程师，主要从事太阳能热发电研究工作