塔式太陽能熱發電站的定日鏡無線控制自持系統研究進展

摘 要：太陽能熱發電技術受益于熱能的可存儲性，相較于光伏發電技術，其具備更好的調峰、調度及儲能能力。綜述了國內外在塔式太陽能熱發電站的定日鏡無線控制自持系統方面的研究進展，在無線控制系統方面，從安全性、傳輸距離及經濟性角度重點比較了ZigBee、射頻、藍牙、Wi-Fi等無線通信技術，以及星型、樹狀、網狀、環狀等不同網絡拓撲結構；在自持系統的供電方式方面，對光伏組件的不同安裝方式，以及儲能電池的類型選擇和使用壽命預測進行了詳細闡述。此外，簡要論述了塔式太陽能熱發電站的定日鏡無線控制自持系統未來技術發展需考慮的方向。為塔式太陽能熱發電站的定日鏡無線控制自持系統的設計和優化提供了全面的分析和建議，以期為太陽能熱發電技術的發展和應用提供參考。

關鍵詞：塔式太陽能熱發電；無線控制；光伏發電；定日鏡；自持系統；儲能電池

中圖分類號：TK514 文獻標志碼：A

0" 引言

目前，隨著全球能源需求的不斷增長，眾多國家正致力于推動能源事業綠色轉型，大力發展環境友好型、低碳排放的清潔能源，主要包括太陽能、風能、水能、生物質能、地熱能、海洋能和核能等[1]。中國“十四五”規劃也明確提出，要推進能源革命，建設清潔低碳、安全高效的能源體系[2]。太陽能因其取之不盡、用之不竭的特點成為研究熱點，利用太陽能發電的技術主要包括光伏發電和太陽能熱發電兩大類型。光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應將光能直接轉變為電能的一種無污染的發電技術；太陽能熱發電則是利用太陽能集熱器從太陽光中吸收熱量，并將熱能傳遞給工作介質來驅動熱機做功，從而實現發電的綠色技術[3-4]。

相比于光伏發電，太陽能熱發電得益于熱能的易存儲性，具有更強的調峰、調度及儲能能力，即使在夜晚和陰雨天氣時也能通過熱轉換實現發電。太陽能熱發電技術可分為4種形式，分別為：塔式、蝶式、槽式和菲尼爾式。其中，塔式和槽式更適合大規模集中式發電，尤其是塔式技術，因其具有高聚光比、高熱點轉換效率的優勢，特別適合在中國西北地區應用[5-6]。

Xu等[7]通過平準化度電成本（LCOE）模型分析，認為塔式太陽能熱發電在成本上最具優勢，但該行業還是因建設成本較高，產業規?；形瘁尫?，導致技術及市場的快速發展受到阻礙。為降低建設成本，塔式太陽能熱發電未來發展和優化的方向主要為定日鏡的制造和安裝集約化、標準化，以及穩定可靠的定日鏡無線控制系統兩個方面。

因塔式太陽能熱發電站中定日鏡數量龐大，通常以萬為單位計量，且現有此類電站主要依賴埋于地下的有線線纜實現供電與通信，但線纜敷設施工和維護成本較高。因此，研究人員開始研發太陽能熱發電定日鏡無線控制自持系統。此技術研究在國外起步較早，概念最早可追溯于1995年，由西班牙的阿爾梅里亞太陽能研究平臺（Plataforma Solar de Almería，PSA）首次提出，并在國際能源署太陽能熱發電和熱化學組織任務（IEA-SolarPACES Tasks）會議上首次詳細介紹了此技術。1999年，西班牙CIEMAT公司在PSA建成了首個完全自持的定日鏡控制系統，并在2004年開發、安裝和測試了首個使用無線控制和光伏組件自供電的定日鏡試驗場[8]。2016年，以色列Megalim太陽能發電公司承建的全球首個實現無線通信和控制的太陽能熱發電站——以色列Ashalim塔式太陽能熱發電電站正式投運[9]。盡管這些早期的嘗試為定日鏡無線控制自持系統的發展奠定了基礎，但因控制系統整體性較強，受較多因素制約，再加上缺少無線控制系統的研究方法，此技術國內外目前未有突破性進展，并且中國至今無商用落地項目。

基于此，根據未來發展優化的方向，本文針對國內外塔式太陽能熱發電站的定日鏡無線控制自持系統，從無線控制系統和自持系統供電方式兩方面的研究進展進行綜述，并對其不同供電方式進行闡述。

1" 定日鏡無線控制系統的研究進展

在塔式太陽能熱發電系統中，定日鏡無線控制系統的安全性和可靠性主要是需首要考慮的因素。安全性主要為不受外部網絡攻擊；可靠性主要包括低延時、低丟包率等，特別是在集熱塔預熱階段、集熱塔熱量超出設計需求、鏡場的天氣為陰天或存在云遮擋時，都需要快速調節鏡場的定日鏡狀態來滿足集熱塔的能量要求，因此若無線控制系統的可靠性不足，將造成嚴重后果。

Pfahl等[10]基于塔式太陽能熱發電站定日鏡無線控制自持系統的可靠性和經濟性提出了幾點建議：1）為防止數據干擾，將定日鏡場的無線控制系統分為幾個子網，通過選擇不同的無線信道來防止子網之間相互干擾。2）為減少數據傳輸負擔，將控制邏輯的主要部分從中央控制轉移到定日鏡自身控制，比如：結合適當的太陽位置算法和精確的實時時鐘，定日鏡可以在沒有外部干預的情況下自主跟蹤太陽。3）不同數據類型具備不同的延時性。4）增設第2無線信道來廣播緊急信號。

目前，市場上的無線通信技術主要有：LoRa、NB-IoT、ZigBee、低功耗藍牙、射頻、5G、Wi-Fi及其變體等。因太陽能熱發電站多建于太陽輻射條件優越的沙漠、戈壁及無人區，網絡建設極為匱乏，因此相比于有線方式，5G技術沒有成本優勢，其在太陽能熱發電中的應用面臨著局限和挑戰。應用于塔式太陽能熱發電中的無線通信技術主要為：ZigBee、射頻、藍牙、Wi-Fi等，其性能對比及涉及的文獻如表1所示。

Pfahl等[10]將每面定日鏡配備2.4 GHz的采用IEEE 802.15.4《IEEE standard for low-rate wireless networks》標準傳輸的低成本收發器，收發器內含AES-128硬件安全模塊進行數據報文認證，數據傳輸通過收發器建立網狀網絡多躍點轉發直接到達被控設備。該試驗由于傳輸功率低，可降低收發器的硬件價格。Kubisch等[11]通過小規模部署100個通信設備，基于IEEE 802.15.4標準，采用載波感知多址（CSMA）方案驗證了無線網狀網絡結構的可行性和工業能力。Younis等[12]提出了一種基于ZigBee協議的無線傳感器網絡的定日鏡控制系統，該系統通過無線傳感器網絡將電荷耦合器件（CCD）攝像機跟蹤到的太陽3D運動信息傳輸至各定日鏡，為定日鏡的運動軌跡提供參考。劉琨等[13]利用ZigBee技術，每間隔1 min將上位機存儲器中的太陽高度角和方位角發給定日鏡微控制器，驅動電機根據控制指令調整定日鏡姿態。Malan等[17]采用MRF24J40射頻通信模塊實現了定日鏡局部控制器與集群控制器之間的無線通信。Mabusela等[18]采用了無線傳感器，通過射頻無線廣播形式傳輸太陽方位角、仰角、風速等信息至各定日鏡。宋麗娜[19]在針對定日鏡的光伏發電系統的增效研究中，采用射頻技術作為定日鏡和監控終端的通信技術，并采用通用分組無線服務（GPRS）連接監控終端和服務器之間。魏驍[20]基于STM32微控制器中HC-05藍牙模塊的下位機與上位機，實現了無線通信。Liebenberg等[21]提出在模塊化定日鏡場中采用Wi-Fi 6（802.11ax）標準及星型拓撲結構來構建無線網絡，可在密集的網絡環境中進行大數據量傳輸。沈健軒[22]基于E22-400T22S LoRa模塊實現了定日鏡場的數據收發。

從成本、安全性、傳輸距離的角度出發，目前最適用于太陽能熱發電的無線通信技術為ZigBee和射頻方式，ZigBee技術的傳輸速率約為100 kb/s，對于單個定日鏡的數據收發已完全足夠。但對于整個鏡場的數據量，還需選擇合適的網絡拓撲結構，以實現數據及指令的及時、可靠收發。不同無線網絡拓撲結構的對比及涉及文獻如表2所示。

目前，針對塔式太陽能熱發電站中定日鏡場無線網絡拓撲結構的選擇，國內研究者持有不同的觀點。葉攀等[14]提出了一種多信道的主從樹狀無線通信方法，不僅擴展了傳統樹狀網絡的規模，而且不需要對原有ZigBee協議的幀結構做任何更改，保證了與原協議的兼容。李明宇[15]提出，具有動態自組織網特性和極強自愈能力的網狀網絡結構更適合定日鏡場無線網絡通信的需求；同時，其提出了結合ZigBee無線傳感網絡的鏡場網絡結構，是由光纖環網、工業以太網和控制器局域網絡（CAN）構成的有線3層冗余網絡，并在甘肅省酒泉市東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司的實驗基地中小規模投入使用。聶文[16]通過OPNET仿真對網狀拓撲結構進行了評估，仿真中各節點訪問控制（MAC）層采用IEEE 802.15.4標準，在最大子節點數100、最大路由數20、最大網絡深度5的條件下進行，結果顯示：網絡穩定后數據時延維持在0.01～0.02 s，各節點延遲為毫秒級。王明達[23]提出，相比于WirelessHART標準和網狀網絡拓撲結構，ISA100.11a標準和星型網絡拓撲結構更適合塔式太陽能熱發電站，同時引入參數自調節模糊比例積分微分（PID）控制算法，以增強控制系統的魯棒性。

由于試驗條件限制，目前針對定日鏡場無線網絡拓撲結構的深入研究還較少，且多為單一網絡拓撲結構，結合定日鏡場網絡的復雜性，實際應用中還需充分考慮混合網絡拓撲結構。

2" 定日鏡自持系統的供電方式

目前，定日鏡自持系統的供電方式主要為利用光伏組件結合儲能系統的方式。

2.1" 光伏組件的安裝

由于塔式太陽能熱發電站的系統性強，且不同項目的實際工況有所差異，所以定日鏡鏡面的尺寸和光伏組件的尺寸、安裝位置沒有統一標準。鏡場的占地面積通常較大，因此位于鏡場中心和邊緣的定日鏡在運動幅度上存在較大差別，需根據鏡場具體情況進行分析。光伏組件的安裝位置主要取決于其與定日鏡的受光方向之間的關系，一般分為與定日鏡受光方向一致和不一致兩種情況，針對不同的光伏組件型號、規格、安裝位置，不同學者提出了不同的安裝方式，但多數研究僅理論可行，實際制作工藝和成本仍處于未知。

2.1.1" 光伏組件與定日鏡的受光方向一致

在光伏組件與定日鏡受光方向一致的情況下，光伏組件在定日鏡上的安裝方式有：獨立安裝于定日鏡正中間、附于定日鏡邊緣、獨立安裝于定日鏡邊緣，示意圖如圖1[24-26]所示。

此外，光伏組件還可在定日鏡生產時直接嵌入定日鏡結構內部，示意圖如圖2[27]所示。

當光伏組件與定日鏡受光方向一致時，光伏組件的受光面積最大，此時供電儲能端可獲得較好的充電性能。但若采用在定日鏡上額外增加光伏組件的方法，則需增大電機功率以驅動，且機械結構復雜化；若以光伏組件取代同樣面積大小的反射鏡，由于普通光伏組件缺少特殊設計，定日鏡場采集的光能量會因單面定日鏡直接反射面面積的減少而減少，從而需要增加定日鏡的數量以滿足集熱塔的熱量需求。相關研究[28]表明：在50 MW塔式太陽能熱發電站中，若上網電價按照1.15元/kWh計算，反射率每減少1.5%，每年造成的額外經濟損失約為363.9萬元。另外，在塔式太陽能熱發電利用的反射太陽光中，有約50%為光生伏特效應可利用的可見光（波段為380～780 nm）。有研究者提出了實現將大于特定波長的太陽光反射至集熱器的相關措施，例如：李心等[29]提出在定日鏡中嵌入薄膜光伏組件的方式（如圖3所示）；倪行睿等[30]提出在光伏組件表面層采用分光式蓋板玻璃，實現700～1100 nm熱射線波段的反射和400～700 nm可見光的透射。劉金生等[31]提出，根據定日鏡場的能量調度需求，采用電致變色器件，實現反射波長大于調制波長的太陽光至集熱塔，并透射波長小于調制波長的太陽光用于光伏發電；當光電調制波長段低于380 nm時，反射全部陽光至集熱塔參與太陽能熱發電，從而實現光伏發電與太陽能熱發電的高度耦合。劉志娟等[32]提出反射面積可調的光伏發電-太陽能熱發電耦合的定日鏡，通過實時動態調節定日鏡鏡面的反射面積與柔性光伏組件反射面積的比例，實現滿足不同階段的鏡場能量需求。此思路可快速高效的實現調度鏡場能量的需求，提高太陽能熱發電站的發電效率。

2.1.2" 光伏組件與定日鏡的受光方向不一致

在光伏組件與定日鏡受光方向不一致的情況下，光伏組件有兩種安裝方式，分別為安裝于定日鏡背面或環繞定日鏡立柱安裝。1）光伏組件環繞定日鏡立柱安裝時，沿立柱軸線設置并圍成棱柱結構，線纜位于立柱的內部，此安裝方式可明顯減少光伏組件對定日鏡采光量的干擾，示意圖如圖4[33]所示；2）光伏組件安裝于定日鏡背面時，被前排定日鏡遮擋的后排定日鏡正面反射光用于光伏發電，示意圖如圖5[34]所示，此安裝方式可有效減少定日鏡場的遮擋效率損失，提升太陽能熱發電站的發電效率。

除了利用被遮擋的反射光用于光伏發電外，王東祥[35]、劉清源等[36]也提出在太陽輻射量不佳或過大時，將光伏組件安裝于定日鏡背面，控制定日鏡的運動使光伏組件吸收太陽輻射進行光伏發電，避免此時塔式太陽能熱發電站產生“棄光”。

2.2" 儲能電池選擇

在塔式太陽能熱發電站中，定日鏡自持系統的供電方式采用儲能電池時，儲能電池的選擇需綜合考慮各項指標，包括運行安全可靠性、極端工作環境穩定供電、建設成本、未來的更換成本等。隨著科技發展，市場上不斷涌現出各類新型儲能技術，但當前鋰電池仍占據主導地位。截至2023年底，中國已建成投運的新型儲能項目中，各類儲能技術的占比如表3所示[37]。

在各類電化學儲能技術中，鋰電池在儲能密度、充放電效率、響應速度及循環次數等方面均具有較大優勢，但其存在安全性及低溫性能差等缺點，因此，設計高性能的低溫電解液成為目前鋰電池的重要研究方向之一[38-39]。液流電池具有安全性高、可靠性高、循壞壽命長、功率和容量配置靈活等優點，但其能量密度低、成本較高，且工作溫度在0～45 ℃之間，不適用于極端工作環境[40]。鉛碳電池作為新型儲能電池，集合了鉛酸電池和超級電容器特性，既具備超級電容瞬間大容量充電的優點，也具備鉛酸電池的能量優勢。與鉛酸電池相比，鉛碳電池顯著提升了循環壽命及額定充放電倍率；與鋰電池相比，鉛碳電池成本低、安全性高、回收率高，但存在循壞壽命較短和能量密度較低的缺點[41-42]。

考慮到太陽能熱發電站的建設位置多處于沙漠、戈壁灘等無人區，冬夏季的溫差大，極端氣溫約為-35～40 ℃；再考慮到工作環境及項目的經濟性，鉛炭電池為目前最適合太陽能熱發電站應用的儲能電池類型。

2.3" 儲能電池使用壽命預測

在實際工況中，儲能電池使用壽命不僅受內部因素影響（例如：內部物理化學變化、電池模塊設計等），也受外部因素影響（例如：天氣、系統固有硬件參數等，如圖6所示）。天氣因素中的溫度會直接影響儲能電池容量和放電深度，其他天氣因素會影響定日鏡自持系統的光伏發電性能，風速大小會影響定日鏡風載；而系統調令、系統固有硬件參數及定日鏡風載會影響負載放電量（此負載相對于儲能電池而言，指單臺自供電系統內由儲能電池提供電能的所有設備）。光伏發電量和負載所需放電量的大小決定儲能電池的放電深度，若發電量大于放電量，則光伏組件所產生電能直接用于定日鏡負載消耗；若發電量小于放電量，儲能電池將參與放電。儲能電池的容量、循環次數、放電深度均會影響其使用壽命。因鏡場不同位置的定日鏡所需電能不一樣，因此，邱力文等[43]提出對蓄電池進行分級，選擇不同規格的蓄電池投入使用，實現最優配置以降低塔式太陽能熱發電站的建設、運行成本。

由圖6可以看出：定日鏡場中設計儲能電池需考慮的因素極為復雜，需通過長時間的實際工況試驗和建模分析預測。目前，針對應用于塔式太陽能熱發電的儲能電池使用壽命的預測研究相

對較少，且實際工況下的儲能電池使用壽命與特定條件下測量值存在差異。但國內外對于更精準的儲能電池剩余壽命（remaining useful life，RUL）的預測研究已形成了較為成熟的體系。以鋰電池為例，較為常用的預測方法包括模型預測法、數據驅動預測法、融合型數據驅動預測法3種，如圖7[44]所示。

模型預測法主要包括電化學模型、等效電路模型、經驗退化模型，是通過儲能電池的衰退機理進行建模分析，由于儲能電池內部物理、化學變化難以參數化，因此該預測方法的精準度受模型的質量影響。數據驅動法不關注儲能電池內部的物理、化學變化，而是通過監測儲能電池的狀態信息對其進行壽命預測，但是預測準確度受到數據維度的影響。融合型數據驅動預測法則是汲取各類預測方法的優點進行混合預測，可達到更精準的預測效果[45]。

3" 結論

本文對塔式太陽能熱發電站中的定日鏡無線控制自持系統的無線控制系統和自持系統的相關研究進展分別進行了分析總結，得出以下結論：

1）在無線控制系統的研究開發方面，已有研究者驗證了ZigBee、射頻、無線、藍牙等多種無線通信技術的可行性，從成本、安全性、傳輸距離的角度考慮，由于塔式太陽能熱發電站通常地理位置偏僻且鏡場布置復雜，因此目前最適合應用的無線通信技術為ZigBee和射頻方式。在網絡拓撲結構的研究中，受試驗條件限制，針對定日鏡無線網絡拓撲結構的深入研究還相對較少，多為針對單一網絡拓撲結構的研究。在未來的實際應用中，還需充分考慮混合網絡拓撲結構，以及從高安全性、網絡拓撲結構、節點劃分、定日鏡遮擋、數據傳輸機制、路由協議及算法等多方面協同考慮網絡設計。

2）在自持系統供電方式的研究方面，由于定日鏡本身尺寸存在差異，光伏組件的尺寸和安裝位置并無標準答案，光伏組件安裝方式包括將其布置于定日鏡同水平面或非水平面等方式；采用薄膜光伏組件、可選擇性透光率器件等實現光伏發電與定日鏡的耦合，但多數研究僅理論可行，制造工藝及成本仍處于未知。從工作環境和經濟性考慮，目前最適用于太陽能熱發電站的儲能電池為鉛炭電池，但因儲能電池的運行工況復雜多變，缺乏實際工況數據對其使用壽命進行精準預測，相應的缺乏針對儲能電池的經濟可行性分析研究。自持系統無統一標準，需以投資成本、LCOE為基本設計原則，根據鏡場具體情況分析，設計光伏組件輔助以實現太陽能熱發電站的經濟最大化，從運行安全可靠性、極端工作環境穩定供電、建設成本、未來的更換成本等各項指標綜合考慮儲能電池的設計。

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RESEARCH PROGRESS OF WIRELESS CONTROL SELF-SUSTAINING SYSTEM FOR HELIOSTAT IN TOWER CSP STATIONS

Liu Jinsheng，Wu Jingui

（Dongfang Electric Qineng （Shenzhen） Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518057，China）

Abstract：CSP generation technology，benefiting from the storability of thermal energy，has better peak shaving，scheduling，and energy storage capabilities compared to PV power generation technology. This paper reviews the research progress in wireless control self-sustaining system for heliostats in tower CSP stations at home and abroad. In terms of wireless control system，it compares ZigBee，radio frequency，Bluetooth，Wi-Fi，and other wireless communication technologies from the aspects of safety，transmission distance，and economy，as well as different network topologies such as star type，tree type，mesh type，and ring type. In the aspect of power supply mode of self-sustaining system，it elaborates on the different installation modes of PV modules and the types and service life prediction of energy storage batteries. In addition，it briefly discusses the future technological development directions that need to be considered for wireless control self-sustaining system for heliostats in tower CSP station. It provides a comprehensive analysis and suggestions for the design and optimization of wireless control self-sustaining system for heliostats in tower CSP station，aiming to provide references for the development and application of CSP.

Keywords：tower CSP；wireless control；PV power generation；heliostats；self-sustaining system；energy storage batteries