塔式电站中定日镜尺寸的选择

张宏丽，王树群

(沈阳工程学院 a.新能源学院；b.能源与动力学院；辽宁 沈阳 110136)



塔式电站中定日镜尺寸的选择

张宏丽a，王树群b

(沈阳工程学院 a.新能源学院；b.能源与动力学院；辽宁 沈阳 110136)

定日镜是塔式电站中最基本的聚光单元，也是电站中花费成本最大的部分。由于定日镜镜面尺寸的大小直接决定了定日镜的结构设计和生产成本，也决定了电站中定日镜总数目和定日镜场的大小以及定日镜的跟踪控制及维修。因此，针对商业化运行塔式电站中的定日镜进行研究，从技术和经济的角度，探讨了塔式电站中采用小尺寸定日镜和大尺寸定日镜的利弊，可为塔式电站定日镜尺寸的选取提供依据。

塔式电站；定日镜；尺寸；成本

根据《国家能源局关于组织太阳能热发电示范项目建设的通知》(国能新能[2015]355号)要求，为推动我国太阳能热发电技术产业化发展，2016年9月14日，国家能源局确定了第一批太阳能热发电示范项目，总装机容量134.9万kW[1]。在20个示范项目中，塔式太阳能热发电项目共有9个，分别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县50 MW、甘肃省敦煌100 MW、甘肃省酒泉市金塔县100 MW、甘肃玉门50 MW和100 MW、河北省张家口市尚义县50 MW和新疆哈密50 MW。

定日镜是塔式电站中最基本的聚光单元，在塔式电站中通常采用几百或几千个定日镜。定日镜是整个塔式电站中花费最多的部分，占整个电站成本的40%～50%。全球各制造商所提供的传统玻璃-钢结构的定日镜尺寸分为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)，尺寸差别非常大[2-4]。

目前，国际上对最佳定日镜尺寸的大小，还没有形成统一的说法。为此，从技术和经济的角度，对塔式电站中采用小尺寸定日镜和大尺寸定日镜的利弊进行了分析，从而为塔式电站定日镜尺寸的适当选取提供依据。

1 商业化运行塔式电站中的定日镜

随着能源形势的日益紧张，世界上很多国家都在进行塔式太阳能热发电技术的研究和探索，陆续建立了很多研究型和示范型的塔式电站。但目前商业化运行的塔式电站只有7座，如表1所示[5-9]。由表1可知，西班牙和美国是塔式电站商业化程度较高的国家，各有3座商业化运行的塔式电站。根据这些塔式电站中所采用的定日镜情况可知，目前在定日镜的尺寸选择上存在两种趋势：一种是选择120 m2和140 m2的大尺寸定日镜；另一种是选择20 m2以下的小尺寸定日镜，如图1所示。

2 定日镜尺寸选择的经济问题

2.1 单个定日镜的成本

目前国际上在定日镜成本方面进行了很多研究。研究发现，定日镜尺寸不同，其各组成部分所占定日镜总成本的比例也不同。图2为美国Sandia实验室对自30 m2至148 m2不同尺寸定日镜各组成部分所占总成本的比例进行的评估[9]。从图2中可知，无论对大尺寸定日镜还是小尺寸定日镜来说，驱动装置和镜面单元都是定日镜成本中占比较大的部分，大约占20%；其次，对大尺寸定日镜来说，镜面支架占比较大；而对小尺寸定日镜来说，镜场布线及控制占比较大。

图1 商业化塔式电站中所采用的定日镜

表1 目前商业化运行塔式电站中所采用的定日镜[4-9]

图2 大小尺寸定日镜各组成部分所占总成本比例

在定日镜成本中，方位驱动装置相比高度驱动装置要昂贵得多，可以说是定日镜成本中占比较高的部分。因此，为了降低其成本，全球各制造商，如Sener、Flender Siemens、Winsmith、CENER和 Cone Drive，都开发了一些特制的方位驱动产品。

在单位面积镜面单元成本一定的情况下，因抗风载要求，镜面支架、基座以及地基方面的花费均随镜面反射面积的增加而急剧增大(呈1.5次方)，但在镜场布线、控制及驱动方面的花费随镜面反射面积的增加而增加较少(表2)[10]。总之，大尺寸定日镜的整体成本较大，但主要花费在镜面支架、基座以及地基方面；小尺寸定日镜整体成本较小，但在镜场布线和控制方面的花费会较多。

表2 定日镜各组成部分花费与镜面尺寸的关系

然而，也有研究表明，定日镜单位面积镜面单元成本($/m2)取决于定日镜设计风速的大小。设计风速越大，定日镜各组成部分的花费越高，单位面积镜面单元成本也越高。在5 m/s较小的设计风速下，40 m2以上定日镜的单位面积镜面单元成本基本上是一个常数；而在15 m/s较大的设计风速下，40 m2以上定日镜的单位面积镜面成本随定日镜镜面反射面积的增大而增加[10]。

2.2 规模化生产下定日镜的成本

定日镜的成本与生产规模有着非常密切的关系。大规模生产后，使得定日镜各部件的设计、生产和加工的成本显著降低。美国Sandia实验室针对相同镜面反射面积235 000 m2下采用30 m2小尺寸定日镜和采用148 m2大尺寸定日镜进行定日镜场布置的研究结果表明：大尺寸定日镜单位面积镜面单元的制作成本仅为198 $/m2，而小尺寸定日镜单位面积镜面单元的制作成本为237 $/m2[11]。这就意味着，在规模化生产下大尺寸定日镜将更受益，成本造价更低。在电站规模一定的情况下，采用大尺寸定日镜因所需定日镜个数较少，在镜场布线及控制方面的花费也要少一些，安装、运行维护的效率也得以提高。

2.3 定日镜的生命周期成本

在实际工程项目中，不但要考虑定日镜的制造成本，即定日镜各组成部件的成本(定日镜镜面单元、驱动装置、基座及支架、控制系统、镜场通讯与布线等部件的材料费用以及由此产生的设计、管理等其他间接费用)，还要考虑到很多与定日镜有关的其他花费，如安装检查成本(定日镜地基材料及建设、基座安装、整体装配、定日镜及场地布线、检查及启动、镜面校准等产生的直接成本，以及由此产生的现场制造设施及镜面单元安装工具的租用和购买、吊车、铲车等场地工作设备的租赁、安装检查以及设计、管理等)、其他间接费用和运行维护成本(年度人工维护、维修、清洗等费用)。以上直接成本、间接成本及运行维护成本等等加在一起，统称为定日镜的生命周期成本[12]。

由于定日镜直接成本和间接成本的数学模型还不是很成熟，其计算也相当地复杂。因此，国际上关于最低生命周期成本的最佳定日镜尺寸还未达成共识，还有待于进一步的研究和探索。

目前在工程实践中所获得的经验是：定日镜的尺寸(镜面反射面积)大小直接决定了定日镜的重量、制造、安装和维护的时间。小尺寸定日镜因尺寸较小且重量较轻，其安装及调试过程均较为简单；而大尺寸定日镜因承受风载荷较大，自身重量较重，所需驱动装置功率较大，现场安装较为困难，需要起吊设备，而且镜面校准耗时较长。为了保持定日镜的镜面反射率，确保镜场光学效率，除了大的雨或雪对定日镜的自然清洗之外，定日镜还要进行定期或不定期清洗。Kramer Junction Corporation(KJC)认为夏季清洗定日镜要比冬季清洗定日镜收益更多，因此，KJC选择在每年的8～9月份清洗定日镜。在定日镜的清洗方面，可以采用中低压去离子水冲洗、酸洗和直接刷洗的方法。定日镜清洗所涉及的费用，不但包括水费和清洗设备的费用，还包括由此产生的人工费用[13]。当定日镜之间间距较大时，如果不关闭水阀会造成水的浪费，而人工费用的多少取决于所在的国家以及这些工人是否为正式职工。在美国以及欧洲的一些发达国家，人工费用占定日镜清洗费用中的主要部分。在电站规模一定的情况下，由于小尺寸定日镜所采用的清洗装置较小，要在相同的清洗时间内完成对定日镜场内所有定日镜的清洗，就需要比大尺寸定日镜更多的清洗装置和操作人员，由此也增加了清洗所需的费用。

3 定日镜尺寸选择的技术问题

定日镜作为单独的聚光原件，其设计与吸热器内的工作介质类型、吸热器的结构以及聚光集热用途无关，但定日镜场作为塔式电站中最初的聚光集热部分，其系统设计就显得非常重要。定日镜场的设计需要机械、结构、制造、电气、通讯、气体动力学以及光学等多个领域的工程师共同完成。为此，要求各学科领域的工程师从最初的定日镜设计到定日镜的整个生命周期维护都要进行密切地合作。

3.1 环境条件要求

对于单个定日镜来说，重力和风载荷是决定定日镜尺寸的主要因素，要保证定日镜各部件(镜面单元、支撑结构、驱动装置等)在装载模式以及运行模式下的强度安全。定日镜在安装时，还要有一定的离地净高。对离地净高的要求，可能是来自于对沙漠生态系统保护的需要，避免定日镜在运行时刮碰植被；也可能是为了保护镜面，避免其受到沙尘的侵蚀；也可能是为了给安装和维护设备留有一定操作空间[14]。因此，对于5 m2的定日镜，离地净高应在1.5 m左右；而对于10 m2的定日镜，离地净高应在2 m左右[14]。同时，相邻定日镜之间的距离要确保定日镜在垂直和水平装载下有足够的间隙，且定日镜行间距至少也得有3～4.5 m，以保证普通的清洗卡车所需的单车道间距[14]。小尺寸定日镜一般在离塔较近区域布置得较密。这样即使在安装时，不需要大的起吊设备，但因定日镜之间间距过小，这些定日镜也只能选择半自动或人工清洗，这无形中又增大了维护定日镜的费用。因此，即使采用小尺寸定日镜，离塔较近区域定日镜之间的间距也要考虑到清洗、维修及更换定日镜的需要。

3.2 聚光性能的要求

在定日镜场系统设计中，定日镜尺寸的选择还要考虑到吸热器的尺寸及其受热面对热流密度均匀性的要求[3]。小尺寸定日镜因其自身重量较轻，只需要较为简单、便宜的驱动装置。需要注意的是，当采用低成本的驱动装置时，跟踪精度也会比较低，同时，在运行及强风条件下，因结构变形导致的定日镜跟踪误差和立柱倾斜对聚光效果的影响也较大。通常，在面型误差、跟踪误差一定的情况下，小尺寸定日镜所产生的光斑较小，聚光效果较好。而且，小尺寸定日镜还可以采用较薄的、反射率较高的镜片，提高聚光性能[14]。相对一定尺寸的吸热器来说，大尺寸定日镜更容易导致吸热器表面出现热流不均和光线溢出的现象，为此，对聚光的准确性要求也要更高些。因此，在采用大尺寸定日镜时，可以通过镜面反射率的提高、聚光校准技术的改进以及定日镜场可用率的提高来改善整个定日镜场的聚光性能。

4 结 语

通过以上分析可知，塔式电站系统中定日镜尺寸的选择是一个涉及技术性和经济性多方面的问题。不但要考虑定日镜的设计、规模化制造、部件组装、调试、跟踪控制及清洗等整个生命周期的各项成本，还要考虑吸热器对聚光性能的要求。为此，西班牙学者E.Carrizosa提出了采用多尺寸定日镜进行定日镜场布置的想法，即在镜场中效率较高的区域布置大尺寸定日镜，而在定日镜场边界或者其他间隙较大的区域采用灵活性较高的小尺寸定日镜进行填补[15]。这一方法虽然比较容易满足吸热器对聚光性能的要求，但在经济性方面的问题还有待进一步的研究。

[1]北极星太阳能光伏网.首批20个光热发电示范项目简况[EB/OL].[2016-9-26].http://guangfu.bjx.com.cn/news/20160926/775762.shtml.

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[11]张宏丽,王树群.定日镜及其成本分析[J].沈阳工程学院学报：自然科学版,2016,12(4):297-301.

[12]Bhargav R K,Gross F,Schramek P.Life Cycle Cost Optimized Heliostat Size For Power Towers [J].Energy Procedia,2014,49:40-49.

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(责任编辑张凯校对魏静敏)

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

张宏丽(1971-)，女，黑龙江梅林人，副教授，博士，主要从事太阳能热利用方面的研究。

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

TK513.1

： A

： 1673-1603(2017)03-0199-05