塔式太陽能熱發電站定日鏡立柱復測技術

楊 帥，郭亞真，張海龍，孟 寧

(中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

在全球新能源發電占比日益增大的背景下，塔式太陽能熱發電因具有大規模、低熱損、高聚光比、高運行溫度、可儲能發電、輸出電力高穩定性及可調性等優勢而具有良好的發展空間和應用前景。

塔式太陽能熱發電站主要由聚光集熱、熱傳輸和儲能、常規發電等3部分組成。其中，聚光集熱部分由大規模的定日鏡場和位于吸熱塔頂端的吸熱器組成。定日鏡的追日反射精度是非常關鍵的參數，只有精度足夠高，才能保證太陽光能量準確反射聚集到吸熱器上，保障熱發電系統的工作效率[1]。為了提高定日鏡的跟蹤精度，需要精確確定當前太陽位置、定日鏡位置、吸熱器位置之間的相對關系，才能解算出定日鏡的法線方向。精確的定日鏡立柱信息是鏡場跟蹤控制系統必須輸入的參數，如何提高定日鏡立柱的復測精度和效率對于工程實際應用具有重大現實意義。

1 立柱安裝誤差分析

本文以我國西北地區某塔式太陽能熱發電項目作為工程實例，該項目布置如圖1所示，鏡場區域共埋設超過1萬根定日鏡立柱，在其上面安裝定日鏡，將太陽光反射至位于吸熱塔頂部的吸熱器內，將熔鹽加熱到560 ℃，并將熱量進行儲存；系統設計儲熱時長13 h，儲存的高溫熔鹽通過換熱產生高溫高壓的蒸汽，推動汽輪機組進行發電，年發電量約1.98億 kWh。

圖1 塔式太陽能熱發電項目布置圖

定日鏡主要由立柱、鏡面、鏡架、跟蹤傳動裝置和控制系統組成，定日鏡的工作原理如圖2所示。在不考慮立柱加工誤差和定日鏡組裝誤差的情況下，可以認為定日鏡的鏡面反射中心與立柱端板中心具有固定的相對位置關系。為了便于分析，本文認為鏡面反射中心與立柱端板中心是重合的。立柱安裝過程中存在的誤差主要包括立柱中心位置誤差、角度誤差和立柱傾斜誤差共3類[2]。

圖2 定日鏡工作原理示意圖

1)立柱中心位置誤差

立柱中心位置誤差如圖3所示。其中：O為太陽在定日鏡面上的實際入射點位置，O'為設計入射點位置；s為太陽實際入射光線，s'為設計入射光線；r為實際反射光線，r'為設計反射光線。當立柱中心位置誤差較大時，將會導致定日鏡反射光斑在吸熱器上發生漂移，影響吸熱效率。

圖3 立柱中心位置誤差示意圖

2)角度誤差

定日鏡控制系統中的太陽坐標角度為方位角和高度角。其中，方位角是指太陽與正北方向的夾角；當控制系統輸入日期、時間和地理位置時，可以通過太陽位置算法算出太陽的這2個角度。當定日鏡初始參考角度出現誤差，同樣會導致定日鏡反射光斑在吸熱器表面的偏移。立柱方位角誤差如圖4所示，其中，Y為設計角度，Y'為帶有誤差的角度。高度角安裝誤差如圖5所示，其中，Z為理想角度，Z'為帶有誤差的角度。高度角安裝誤差與立柱頂板平行度誤差相關。

圖4 方位角誤差示意圖

圖5 高度角誤差示意圖

3)立柱傾斜誤差

立柱傾斜誤差表示的是立柱與地球表面法線不平行產生的誤差(如圖6所示)，主要是由于立柱安裝或定日鏡基座隨著時間推移老化而發生傾斜導致的。傾斜可以是相對于任何方向的傾斜，可以由對地表法線的傾斜角度與正北方向的傾斜旋轉角度表示。

圖6 傾斜誤差示意圖

以示例項目為例，對定日鏡立柱施工安裝的要求和復測精度的要求見表1所列。

表1 立柱安裝與復測精度要求

2 立柱復測技術設計

立柱復測技術設計主要包括臨時基準點(temporary reference point，TRP)測設和利用測量工裝對立柱進行測量。

2.1 TRP測設

由于項目區域廣、立柱數量眾多、互相遮擋嚴重，加上復測精度要求高，常規電力工程在不受施工影響區域布置一定數量固定基準點的做法無法滿足立柱復測工作的要求。因此，需要布設一定數量的TRP點并施測，作為開展立柱復測工作的基礎。

2.1.1 TRP布設

基于已經施工完畢的混凝土立柱開展TRP布設，點位選擇應滿足以下3個要求：

1)每一面定日鏡應至少擁有一個距離不超過100 m的TRP點，相鄰TRP點之間的最大距離不超過150 m，如圖7所示。

圖7 TRP點位布置示意圖

2) TRP點位選擇好之后，應采用電鉆鉆孔、速凝膠固定的方式將預埋件埋設在立柱柱體內作為TRP標記，按“TRP-立柱編號”的規則進行編碼。鉆孔位置如圖8所示，距離地面的高度可以根據實際情況進行調整。預埋件的規格尺寸如圖9所示。

圖8 TRP點位埋設示意圖

圖9 預埋件尺寸圖

3)在進行TRP測量時，將已連接精密圓棱鏡的棱鏡連接桿插入預埋件，使棱鏡連接桿的突出部分橫截面和預埋件管口嚴密連接，以保證圓棱鏡中心位置的精確性。棱鏡連接桿尺寸如圖10所示。

圖10 棱鏡連接桿尺寸圖

2.1.2 TRP網測量

TRP網利用具有自動照準功能的超高精度全站儀采用自由測站邊角交會法施測，附合到附近固定基準點上，自由測站點至固定基準點的觀測邊長不大于300 m。TRP網沿圓弧施測，設站點設在便于觀測地方，每站施測2個內環點和2個外環點，一次搬站距離約100 m，每站重合2個點，如圖11所示。

圖11 TRP網觀測示意圖

2.2 立柱復測實施

立柱復測工作實施中，創新性應用特制測量工裝，以保證測量數據的精度，大幅度提高作業效率。

2.2.1 測量工裝使用

定日鏡立柱的復測數據結果包括立柱中心位置偏差、方位角誤差、傾斜誤差以及立柱端板高度偏差。在示例項目中，立柱為1根長度6.0 m、直徑0.5 m的中空圓柱，其中心位置無法直接確定；立柱的方位角由立柱端板上的2個定位孔確定，無法直接測量其坐標進行計算；另外兩個誤差數據也無法直接觀測獲得。為了解決這些問題，需要在復測工作中使用特制的測量工裝，測量工裝結構如圖12所示。

圖12 測量工裝結構圖

使用測量工裝時，將配套的永磁體基座和球棱鏡安裝在A位置，然后將B位置安裝固定在立柱端板的定位孔中即可使用。使用該方法進行測量數據傳遞路徑短，安裝使用方便，立柱復測的精度和效率均能得到很大提升。

2.2.2 立柱復測方法

立柱復測時，首先利用后方交會方式確定全站儀的設站坐標，要求每個測站至少觀測3個TRP點，設站點至TRP點的距離不大于120 m，設站精度應小于±3 mm。然后將測量工裝安置在立柱頂端，測量人員按順序利用全站儀的自動照準功能依次測量工裝上的三個球棱鏡坐標，再利用免棱鏡測量方法將立柱底端基礎面的高程測出，即可根據公式計算得到立柱復測所需的全部結果。立柱復測所需坐標數據的測量順序如圖13所示。

圖13 測量工裝三點測量順序圖

每一根立柱的測量步驟如下：

1)測前準備：對儀器進行通電檢查，確認儀器無系統故障后，導入TRP點坐標值。

2)在任意位置架設儀器，進行整平后新建項目；選擇后方交會程序，輸入測站點號。

3)依次選擇3個測站附近的TRP點，核對坐標值后進行精確測量。

4)進行后方交會程序計算，檢核交會質量，要求精度優于3 mm。

5)依次測量并記錄每根立柱的四組數據后，將測量工裝安置于另外一個立柱上繼續測量，直至該片區域可觀測立柱測量完畢。

3 立柱復測理論精度計算

3.1 邊角后方交會理論精度計算

在工程測量中，利用智能型全站儀結合邊角交會的方法求測站點坐標的方法已被廣泛運用，如圖14所示，在待定點A上設站觀測水平方向角度值A以及A點到已知控制點B、C的距離，由以上觀測值結合三角函數公式可以推導得到待定點A的坐標，見式(1)[3]。

圖14 兩點后方交會示意圖

式中：XB、YB及XC、YC分別為已知點B、C的坐標；、為兩條未知邊平差后的值，由觀測數據Sb、Sc及角度A通過條件平差求得；Sa為已知控制點之間邊長值。

1)方位角中誤差推導

以αBA表示BA邊的方位角，αBC表示BC邊的方位角，B'表示由觀測邊長按余弦定理求得B的值，則：

若不考慮已知方位角誤差，則由誤差傳播定律可得：

式中：mαBA為BA邊方位角中誤差；mB'為B測角中誤差。

mB'的推導如下，由圖14可知：

將上式微分、集項，整理后得：

式中：ρ為1弧度所對應的秒值，一般取206 265。

因Sasin B' = Sbsin A代入上式得：

按誤差傳播定律可得：

式中：mSb、mSc分別表示Sb、Sc的邊長觀測中誤差。

2)點位中誤差推導

通過先求A點XA坐標中誤差和YA坐標中誤差，從而求得A點的點位中誤差[4]。由圖14可知：

將式(8)求微分，得到：

同理，得到A點Y坐標的中誤差mYA為：

考慮到式(3)，可知待求點A的點位中誤差為：

由式(7)、式(12)可知，后方交會點位A的坐標中誤差與交會邊Sb、Sc的邊長以及交會角A的大小有關，考慮本工程的實際情況，假定兩條交會邊的邊長均為100 m，所用全站儀的測距精度為1 mm+1 ppm，那么不同的交會角時，得到后方交會點位的中誤差值，結果見表2所列。

表2 后方交會不同交會角時的點位中誤差

3.2 極坐標法坐標測量理論精度計算

基于兩個已知控制點A和B，利用全站儀極坐標法測定待定點P的坐標值，如圖15所示。

圖15 全站儀極坐標法測點示意圖

已知點A的坐標為(xA，yA)，點B的坐標為(xB，yB)，點A與點P之間的直線距離為DAP，邊AP的方位角為αAP，直線AB與AP之間的夾角為β，則P點坐標(xp，yp)的計算式為：

由于αAP= αAB- β，在不考慮已知方位角誤差的情況下，可得：

設DAP的中誤差為mS，將式(13)進行微分，并根據誤差傳播定律可得：

因此：

結合工程實際情況，假定測站點到工裝棱鏡的距離為100 m，所使用的全站儀標稱測距精度為1 mm+1 ppm，一測回方向中誤差為0.5"。由全站儀方向中誤差可知，半測回方向值中誤差為×0.5"；則×0.5" =1.0"；根據式(16)，計算全站儀測點的理論精度mP= 1.20 mm。

3.3 立柱復測坐標理論精度計算

在不考慮控制點誤差的情況下，立柱復測坐標的中誤差主要包括測站后方交會定位中誤差mA和全站儀極坐標法測點中誤差mP。因各項誤差相互獨立，則立柱復測坐標中誤差為：

由表2可知，當全站儀后方交會角為30°時，測站后方交會點位中誤差最大，為3.11 mm。根據式(17)可以計算出立柱復測理論坐標中誤差為mV= 3.33 mm。

實際測量中，一般要求交會角應在30°～120°之間。在現場測量時，測量人員會特別注意交會點位的選擇，避免出現極小或極大的交會角。當交會角在30°～120°之間變動時，由表2可知，此時后方交會點位中誤差會變小，表明立柱復測坐標的理論精度會更高，將小于3.33 mm。這說明運用高精度全站儀自由設站后方交會定位方式進行定日鏡立柱的復測工作可以滿足項目所提出的5 mm精度要求。

4 立柱復測實際精度分析

為了評估立柱復測工作的實際測量精度，測量人員在現場隨機選擇了97根立柱重新進行了第二次測量，兩次測量結果部分數據見表3所列。

表3 立柱兩次測量的部分結果數據

對每個立柱中心坐標，根據兩次測量結果可以分別計算出北坐標的差值dx和東坐標的差值dy。其中，dx的最大值為6.5 mm，最小值為-5.5 mm；dy的最大值為6.8 mm，最小值為-9.0 mm。dx值和dy值的分布如圖16所示。

圖16 dx值、dy值分布圖

根據每個立柱數據的雙觀測值之差d求觀測中誤差，按公式(18)進行計算：

對觀測數據進行整理計算，求得北坐標中誤差mx= 1.80 mm，東坐標中誤差my= 2.35 mm，故利用實測數據計算的定日鏡立柱復測坐標的精度為：

該結果與理論精度計算結果非常接近，這表明將全站儀后方交會的方法應用到光熱項目定日鏡立柱復測工作中切實可行。

5 結語

本文基于塔式太陽能熱發電項目實際需求，通過建立TRP點的方式對控制網進行優化設計，結合測量工裝的使用，利用全站儀自由設站邊角交會方式完成定日鏡立柱復測工作。理論和實測精度計算分析表明，該技術設計方案能夠滿足遠超常規電力工程標準的高精度要求，并能夠有效提高工作效率，降低工程成本。