塔式太阳能电站中定日镜的关键技术综述

杨延坤

摘 要 定日镜场是塔式太阳能电站中的核心系统，其建设费用约占整个电厂总成本的50%，能量损失占整个系统的47%，因此降低定日镜成本、提高定日镜聚光效果对塔式电站至关重要。目前对定日镜场的研究主要分为三个部分：定日镜本身的设计、定日镜的跟踪系统以及定日镜场布局。

关键词 定日镜场;塔式太阳能电站;聚光效果

1定日镜的设计

定日镜主要由镜面、支架、基座等部分组成。镜面用以反射光线，其聚光性能至关重要，而聚光性能则与面型有关。定日镜面型有平面镜、曲面镜两种。平面镜对于光线没有汇聚作用，因此平面镜的面积不能过大，一般在1～2m2间，采用，否则无法形成较好的光斑;曲面镜则与之相反，面积可达到100m2以上，但其成本高、安装调试困难。

镜面材料主要有两种，一种是镀银的低铁玻璃反射镜，这种镜面结构简单、反射率高，是目前主要应用的材料;另一种是张力金属膜反射镜，镜面由一张金属膜构成，可以通过调节定日镜内部压力来调节定日镜的焦距，但镜面结构复杂，金属膜的清洁烦琐。

定日镜有矩形、圆形、多边形等多种形状，考虑土地利用率的情况下，定日镜最好设计为六边形，而考虑强风作用下反射光会偏离原有轨道的话，定日镜设计为正方形最好。

定日镜的支架一般采用金属框架，能减小镜面重量，减小定日镜运行时的能耗。定日镜的底座分为独臂式和圆形底座式，独臂支架式结构简单但需要更多材料，圆形底座式稳定性较好但结构复杂[1]。

2定日镜的跟踪系统

定日镜为保证将不同时刻的太阳光反射至吸热器，必须跟踪太阳运动。定日镜的跟踪方式有闭环、开环以及开闭环相结合3种。闭环跟踪是使用传感器形成反馈跟踪，传感器测定太阳的位置作为反馈信号，提供位置的误差来控制定日镜调整形态。常用的传感器有光敏传感器、光电池等。这种方法精度高、成本高，但在多云等恶劣的天气情况下无法使用，无法规模化应用;开环跟踪是确定当前时刻太阳位置、定日镜的空间位置和吸热器的空间位置，通过光的反射定理即入射角等于反射镜，从而确定定日镜的姿态。这种方式成本低，被广泛应用，但存在累计误差，需要定时校正定日镜。计算太阳位置有多种算法，迄今为止最精确的算法是由Reda和Andreas发表的太阳位置算法（SPA），精度可达0.0003°;开闭环结合是以开环跟踪为主，闭环跟踪为辅，利用传感器进行误差校正。

定日镜采用双轴转动以保证跟踪精度，目前转动方式有两种：方位角-仰角转动和自旋-仰角转动，如图所示：（a）为方位角-仰角转动，分为绕竖直轴和水平轴旋转;（b）为自旋-仰角转动，采用镜面自旋，同时调整镜面仰角的方式实现定日镜朝向的改變。与方位角-仰角转动相比，自旋-仰角转动可以使光斑更均匀地集中在吸热器上，但自旋-仰角转动方式会消耗更多的能量[2]。

3定日镜场布局

在技术允许范围内以经济性为目标确定定日镜场布局，主要遵循两个原则：定日镜近塔密、远塔疏;在北半球的电站塔北密，塔南疏，南半球则反之。以塔的数量划分，布局有单塔镜场和多塔镜场两种.

单塔镜场的布局常见的有长方形、圆形、扇形、贝形等。在长方形、圆形的镜场中，吸热塔位于在镜场中心位置，因此将镜场分为南北镜场两部分，由于余弦效应的存在，北镜场定日镜密度应大于南镜场;而在扇形、贝形镜场中，镜场应位于吸热塔的北面，定日镜布置一般采用径向交错方式，这种排列方式可以避免定日镜处于相邻定日镜反射光线的正前方而造成的遮挡损失。此外，还有根据吸热器的开口大小和定日镜的效率因子进行镜场优化的方法，以确保系统整体效率的提高。

考虑到余弦损失的影响，单塔镜场面积不能无限大，因此多塔镜场是实现更大规模发电的有效方式，以eSolar公司的多塔式镜场设计为例，其采用了四个六边形的子镜场围绕一个吸热塔作为一个模块，能够有效提高土地利用率，获得更多的热量[3]。

4结束语

塔式太阳能热发电聚光比大，工作温度高，与其他太阳能热发电相比成本更低，可实现大功率发电，具有广阔的发展前景。目前国外塔式太阳能电站的技术较为成熟，每度电的成本能够降低到10美分，相信在不久后将能与火电站的成本相竞争。而国内塔式太阳能热发电起步晚，在定日镜场方面的技术还不成熟，成本高产能低，除了需要技术的不断进步外，更需要关键设备国产化来降低成本，为了实现这个目标还需要建设单位、科研单位、设备制造单位的共同努力，突破技术上的难关。

参考文献

[1] 中华人民共和国科学技术部，国家自然科学基金委员会.中国基础学科发展报告[R].北京：国家自然科学基金委员会，2001.

[2] 杨琛，薛铮，方彦军，等. 塔式太阳能镜场三轴支撑定日镜控制装置[J]. 热力发电，2018（12）：35-40.

[3] 丁伟杰.塔式电站中定日镜转动角度分析[J].电子测试，2017 （17）：43-44.