張宏麗，王樹群

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.新能源學(xué)院；b.能源與動(dòng)力學(xué)院；遼寧 沈陽(yáng) 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(yáng)工程學(xué)院 a.新能源學(xué)院；b.能源與動(dòng)力學(xué)院；遼寧 沈陽(yáng) 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(fèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǎng)的大小以及定日鏡的跟蹤控制及維修。因此，針對(duì)商業(yè)化運(yùn)行塔式電站中的定日鏡進(jìn)行研究，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)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(guó)家能源局關(guān)于組織太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目建設(shè)的通知》(國(guó)能新能[2015]355號(hào))要求，為推動(dòng)我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，2016年9月14日，國(guó)家能源局確定了第一批太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目，總裝機(jī)容量134.9萬(wàn)kW[1]。在20個(gè)示范項(xiàng)目中，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目共有9個(gè)，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(gè)定日鏡。定日鏡是整個(gè)塔式電站中花費(fèi)最多的部分，占整個(gè)電站成本的40%～50%。全球各制造商所提供的傳統(tǒng)玻璃-鋼結(jié)構(gòu)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(guó)際上對(duì)最佳定日鏡尺寸的大小，還沒(méi)有形成統(tǒng)一的說(shuō)法。為此，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度，對(duì)塔式電站中采用小尺寸定日鏡和大尺寸定日鏡的利弊進(jìn)行了分析，從而為塔式電站定日鏡尺寸的適當(dāng)選取提供依據(jù)。

1 商業(yè)化運(yùn)行塔式電站中的定日鏡

隨著能源形勢(shì)的日益緊張，世界上很多國(guó)家都在進(jìn)行塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)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(yùn)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(guó)是塔式電站商業(yè)化程度較高的國(guó)家，各有3座商業(yè)化運(yùn)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(shì)：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(jì)問(wèn)題

2.1 單個(gè)定日鏡的成本

目前國(guó)際上在定日鏡成本方面進(jìn)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(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室對(duì)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(jìn)行的評(píng)估[9]。從圖2中可知，無(wú)論對(duì)大尺寸定日鏡還是小尺寸定日鏡來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)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(duì)大尺寸定日鏡來(lái)說(shuō)，鏡面支架占比較大；而對(duì)小尺寸定日鏡來(lái)說(shuō)，鏡場(chǎng)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(yùn)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(dòng)裝置相比高度驅(qū)動(dòng)裝置要昂貴得多，可以說(shuō)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(dòng)產(chǎn)品。

在單位面積鏡面單元成本一定的情況下，因抗風(fēng)載要求，鏡面支架、基座以及地基方面的花費(fèi)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(chǎng)布線、控制及驅(qū)動(dòng)方面的花費(fèi)隨鏡面反射面積的增加而增加較少(表2)[10]?？傊?，大尺寸定日鏡的整體成本較大，但主要花費(fèi)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(chǎng)布線和控制方面的花費(fèi)會(huì)較多。

表2 定日鏡各組成部分花費(fèi)與鏡面尺寸的關(guān)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(shè)計(jì)風(fēng)速的大小。設(shè)計(jì)風(fēng)速越大，定日鏡各組成部分的花費(fèi)越高，單位面積鏡面單元成本也越高。在5 m/s較小的設(shè)計(jì)風(fēng)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(gè)常數(shù)；而在15 m/s較大的設(shè)計(jì)風(fēng)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(guān)系。大規(guī)模生產(chǎn)后，使得定日鏡各部件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和加工的成本顯著降低。美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室針對(duì)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(jìn)行定日鏡場(chǎng)布置的研究結(jié)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(jià)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(gè)數(shù)較少，在鏡場(chǎng)布線及控制方面的花費(fèi)也要少一些，安裝、運(yùn)行維護(hù)的效率也得以提高。

2.3 定日鏡的生命周期成本

在實(shí)際工程項(xiàng)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(dòng)裝置、基座及支架、控制系統(tǒng)、鏡場(chǎng)通訊與布線等部件的材料費(fèi)用以及由此產(chǎn)生的設(shè)計(jì)、管理等其他間接費(fèi)用)，還要考慮到很多與定日鏡有關(guān)的其他花費(fèi)，如安裝檢查成本(定日鏡地基材料及建設(shè)、基座安裝、整體裝配、定日鏡及場(chǎng)地布線、檢查及啟動(dòng)、鏡面校準(zhǔn)等產(chǎn)生的直接成本，以及由此產(chǎn)生的現(xiàn)場(chǎng)制造設(shè)施及鏡面單元安裝工具的租用和購(gòu)買、吊車、鏟車等場(chǎng)地工作設(shè)備的租賃、安裝檢查以及設(shè)計(jì)、管理等)、其他間接費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)成本(年度人工維護(hù)、維修、清洗等費(fèi)用)。以上直接成本、間接成本及運(yùn)行維護(hù)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(xué)模型還不是很成熟，其計(jì)算也相當(dāng)?shù)貜?fù)雜。因此，國(guó)際上關(guān)于最低生命周期成本的最佳定日鏡尺寸還未達(dá)成共識(shí)，還有待于進(jìn)一步的研究和探索。

目前在工程實(shí)踐中所獲得的經(jīng)驗(yàn)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(hù)的時(shí)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(guò)程均較為簡(jiǎn)單；而大尺寸定日鏡因承受風(fēng)載荷較大，自身重量較重，所需驅(qū)動(dòng)裝置功率較大，現(xiàn)場(chǎng)安裝較為困難，需要起吊設(shè)備，而且鏡面校準(zhǔn)耗時(shí)較長(zhǎng)。為了保持定日鏡的鏡面反射率，確保鏡場(chǎng)光學(xué)效率，除了大的雨或雪對(duì)定日鏡的自然清洗之外，定日鏡還要進(jìn)行定期或不定期清洗。Kramer Junction Corporation(KJC)認(rèn)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(fèi)用，不但包括水費(fèi)和清洗設(shè)備的費(fèi)用，還包括由此產(chǎn)生的人工費(fèi)用[13]。當(dāng)定日鏡之間間距較大時(shí)，如果不關(guān)閉水閥會(huì)造成水的浪費(fèi)，而人工費(fèi)用的多少取決于所在的國(guó)家以及這些工人是否為正式職工。在美國(guó)以及歐洲的一些發(fā)達(dá)國(guó)家，人工費(fèi)用占定日鏡清洗費(fèi)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(shí)間內(nèi)完成對(duì)定日鏡場(chǎng)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(fèi)用。

3 定日鏡尺寸選擇的技術(shù)問(wèn)題

定日鏡作為單獨(dú)的聚光原件，其設(shè)計(jì)與吸熱器內(nèi)的工作介質(zhì)類型、吸熱器的結(jié)構(gòu)以及聚光集熱用途無(wú)關(guān)，但定日鏡場(chǎng)作為塔式電站中最初的聚光集熱部分，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)就顯得非常重要。定日鏡場(chǎng)的設(shè)計(jì)需要機(jī)械、結(jié)構(gòu)、制造、電氣、通訊、氣體動(dòng)力學(xué)以及光學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的工程師共同完成。為此，要求各學(xué)科領(lǐng)域的工程師從最初的定日鏡設(shè)計(jì)到定日鏡的整個(gè)生命周期維護(hù)都要進(jìn)行密切地合作。

3.1 環(huán)境條件要求

對(duì)于單個(gè)定日鏡來(lái)說(shuō)，重力和風(fēng)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(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等)在裝載模式以及運(yùn)行模式下的強(qiáng)度安全。定日鏡在安裝時(shí)，還要有一定的離地凈高。對(duì)離地凈高的要求，可能是來(lái)自于對(duì)沙漠生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的需要，避免定日鏡在運(yùn)行時(shí)刮碰植被；也可能是為了保護(hù)鏡面，避免其受到沙塵的侵蝕；也可能是為了給安裝和維護(hù)設(shè)備留有一定操作空間[14]。因此，對(duì)于5 m2的定日鏡，離地凈高應(yīng)在1.5 m左右；而對(duì)于10 m2的定日鏡，離地凈高應(yīng)在2 m左右[14]。同時(shí)，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(shí)，不需要大的起吊設(shè)備，但因定日鏡之間間距過(guò)小，這些定日鏡也只能選擇半自動(dòng)或人工清洗，這無(wú)形中又增大了維護(hù)定日鏡的費(fèi)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(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)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(jiǎn)單、便宜的驅(qū)動(dòng)裝置。需要注意的是，當(dāng)采用低成本的驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，跟蹤精度也會(huì)比較低，同時(shí)，在運(yùn)行及強(qiáng)風(fēng)條件下，因結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的定日鏡跟蹤誤差和立柱傾斜對(duì)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(duì)一定尺寸的吸熱器來(lái)說(shuō)，大尺寸定日鏡更容易導(dǎo)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(duì)聚光的準(zhǔn)確性要求也要更高些。因此，在采用大尺寸定日鏡時(shí)，可以通過(guò)鏡面反射率的提高、聚光校準(zhǔn)技術(shù)的改進(jìn)以及定日鏡場(chǎng)可用率的提高來(lái)改善整個(gè)定日鏡場(chǎng)的聚光性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)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(gè)涉及技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性多方面的問(wèn)題。不但要考慮定日鏡的設(shè)計(jì)、規(guī)?；圃臁⒉考M裝、調(diào)試、跟蹤控制及清洗等整個(gè)生命周期的各項(xiàng)成本，還要考慮吸熱器對(duì)聚光性能的要求。為此，西班牙學(xué)者E.Carrizosa提出了采用多尺寸定日鏡進(jìn)行定日鏡場(chǎng)布置的想法，即在鏡場(chǎng)中效率較高的區(qū)域布置大尺寸定日鏡，而在定日鏡場(chǎng)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(jìn)行填補(bǔ)[15]。這一方法雖然比較容易滿足吸熱器對(duì)聚光性能的要求，但在經(jīng)濟(jì)性方面的問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研究。

[1]北極星太陽(yáng)能光伏網(wǎng).首批20個(gè)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目簡(jiǎn)況[EB/OL].[2016-9-26].http://guangfu.bjx.com.cn/news/20160926/775762.shtml.

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(責(zé)任編輯張凱校對(duì)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(yáng)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