塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站定日鏡場(chǎng)布置方式研究

摘要：探討聚焦于塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中定日鏡場(chǎng)的布置方式對(duì)能量損失、建設(shè)成本、環(huán)境等因素的影響，通過(guò)對(duì)影響定日鏡場(chǎng)布置的各種關(guān)鍵因素的分析，旨在確定最優(yōu)的鏡場(chǎng)布置方式，實(shí)現(xiàn)降低光熱電站的建設(shè)成本并提升電站經(jīng)濟(jì)效益的目的。為了驗(yàn)證這些因素對(duì)定日鏡場(chǎng)布置方式的影響，以三峽恒基能脈瓜州70萬(wàn)kW“光熱儲(chǔ)能+”項(xiàng)目的定日鏡場(chǎng)布置為例進(jìn)行了實(shí)證研究。研究表明，定日鏡場(chǎng)的布置方式是鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的重要考慮因素，其能夠顯著降低鏡場(chǎng)的能量損失與建設(shè)成本。

關(guān)鍵詞塔式太陽(yáng)能電站"定日鏡場(chǎng)"排列方式"能量收集

中圖法分類號(hào)：TK519"""""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research"on"the"Layout"of"Heliostats"Field"in"Tower-type"Solar"Thermalnbsp;Power"Stations

LU"Wen

Gansu"Installation"and"Construction"Group"Co.，"Ltd，"Lanzhou，"Gansu"Province，730050"China

Abstract："The"focus"of"the"discussion"is"on"the"impact"of"the"layout"of"heliostats"field"in"tower-type"solar"thermal"power"stations"on"energy"loss，"construction"costs，"environmental"factors，"and"other"factors."By"analyzing"various"key"factors"influencing"the"heliostat"field"layout，"it"aims"to"determine"the"optimal"layout"of"the"solar"field，"achieve"the"goal"of"reducing"the"construction"costs"of"the"solar"thermal"power"stations"and"enhance"their"economic"benefits"of"the"power"station."To"verify"the"influence"of"these"factors"on"the"heliostat"field"layout，"an"empirical"research"was"conducted"using"the"heliostat"field"layout"of"700000"kW"\"Solar"Thermal"Energy"Storage+\""project"in"Guazhou，"Three"Gorges"Hengji"Energy."The"research"shows"that"the"arrangement"of"the"layout"of"the"heliostat"field"is"an"important"consideration"in"the"design"and"optimization"of"the"field，"which"can"significantly"reduce"energy"loss"and"construction"cost"of"the"field.

Key"Words："Tower-type"solar"power"station;"Heliostat"field;"Layout"method;"Optimization"strategy

塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電是一種新型的清潔能源技術(shù)[1]。定日鏡是塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站（以下簡(jiǎn)稱“塔式電站”）匯聚太陽(yáng)光線的基本組件，它精確跟蹤太陽(yáng)，將陽(yáng)光反射至中央集熱塔。其布置方式對(duì)能量收集效率、土地利用率、建設(shè)成本[2]、運(yùn)維效率與成本、光污染與環(huán)境影響等方面均有重要影響。探討定日鏡布置方式的影響因素及其優(yōu)化策略[3]，旨在通過(guò)優(yōu)化布置方式實(shí)現(xiàn)能量收集效率的最大化，提高土地資源的有效利用率，并降低建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本，同時(shí)確保對(duì)光污染和環(huán)境影響的最小化，進(jìn)而推動(dòng)塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

1""塔式定日鏡場(chǎng)的排列方式

定日鏡作為定日鏡場(chǎng)中的核心組件，負(fù)責(zé)將太陽(yáng)光能輸入系統(tǒng)，將太陽(yáng)光反射匯聚到吸收塔頂端的集熱器上。這些光線加熱集熱器中的導(dǎo)熱介質(zhì)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能并存儲(chǔ)[4]。隨后，這些熱能通過(guò)熱交換系統(tǒng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能。在鏡場(chǎng)布置過(guò)程中，需要根據(jù)不同裝機(jī)容量光熱電站的能量需求、項(xiàng)目站址的用地范圍與地形等多種因素進(jìn)行綜合考慮，選擇最優(yōu)的鏡場(chǎng)排列方式。塔式光熱發(fā)電鏡場(chǎng)的排列方式[5]通常采用以下方式：直線型排列、環(huán)型排列與交錯(cuò)排列方式。

1.1"直線型排列方式

直線型排列時(shí)，定日鏡按直線放置，相鄰行之間的定日鏡呈交錯(cuò)排列。優(yōu)點(diǎn)是在大規(guī)模鏡場(chǎng)中，陽(yáng)光直射且陰影遮擋較少的位置，鏡場(chǎng)效率較高，并且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化安裝和維護(hù)。缺點(diǎn)是在陽(yáng)光斜射或受到周圍建筑物遮擋的位置，交錯(cuò)效果不明顯，難以顯著提高鏡場(chǎng)的整體效率。

1.2"環(huán)型排列方式

環(huán)形排列是指定日鏡以集熱塔為中心，按照一定半徑和角度間隔呈環(huán)狀分布。這種排列方式有助于確保每個(gè)定日鏡都能夠?qū)㈥?yáng)光有效地反射到集熱塔上，同時(shí)減少定日鏡之間的相互干擾，包括陰影遮擋。缺點(diǎn)是相對(duì)于直線型排列，安裝和維護(hù)成本通常較高。目前，定日鏡通常采用環(huán)形排列方式，分為固定環(huán)形排列和動(dòng)態(tài)環(huán)形排列。

1.3"其他排列方式

除了直線型與環(huán)型排列方式外，定日鏡場(chǎng)的布置方式還有交錯(cuò)布置等其他選擇方式，大都采用放射狀柵格法。不同的定日鏡布局會(huì)產(chǎn)生不同的聚光效果和聚光場(chǎng)特效。其具體特如下。

（1）直線型東西交錯(cuò)。定日鏡按照鏡行進(jìn)行排列，每一鏡行上的定日鏡均位于同一直線上。相鄰鏡行之間的定日鏡在東西方向上交錯(cuò)布局。鏡行之間的行間距可能相等，也可能不完全相等，但同一鏡行上的定日鏡之間的鏡間距是相等的[5]。

（2）環(huán)形徑向交錯(cuò)。定日鏡以吸熱塔為圓心，按照同心圓環(huán)進(jìn)行布局。相鄰圓環(huán)上的定日鏡在半徑方向上呈交錯(cuò)式布局，以避免相互遮擋[6]。整體采用圓形分區(qū)布局，同一區(qū)域內(nèi)，鏡環(huán)上的定日鏡數(shù)目相等，并且徑向間距也相等。隨著區(qū)域與吸熱塔距離的增加，不同區(qū)域圓環(huán)上的定日鏡數(shù)目也相應(yīng)增加。

（3）仿生型聚光場(chǎng)。定日鏡沿仿生型螺旋線布置，并以黃金分割比例來(lái)確定每個(gè)定日鏡的相對(duì)位置或方位。

2"定日鏡的布置方式

在規(guī)劃定日鏡的布置時(shí)，需要綜合考慮排列方式、轉(zhuǎn)動(dòng)空間和間距等多個(gè)關(guān)鍵因素。這些因素在定日鏡場(chǎng)的布置過(guò)程中所產(chǎn)生的影響具體如下所述。

2.1定日鏡的排列方式

為了避免相鄰定日鏡的反射光線被正前方定日鏡遮擋，從而造成較大的光學(xué)損失，影響光能利用率，通常選擇采用輻射網(wǎng)格狀分布的方式。排列時(shí)，離吸熱器（塔）近的鏡子較密[7]，遠(yuǎn)的鏡子較疏，以確保光線在到達(dá)吸熱器之前不會(huì)被過(guò)多地遮擋。具體排列方式如圖1所示，其中：R為徑向間距；Z為周向間距。

2.2""定日鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的空間

定日鏡通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)的高度角和方位角，將太陽(yáng)輻射能反射到固定的吸熱器目標(biāo)上。在布置定日鏡時(shí)，需要重點(diǎn)考慮相鄰定日鏡之間及前后排定日鏡的間距[8]，以確保它們有足夠的自由運(yùn)行空間。同時(shí)，每面定日鏡之間也要留有一定的安全間隙，以便在安裝、檢修、清洗定日鏡、更換傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等操作時(shí)，能夠有足夠的操作空間。

2.3""定日鏡的徑向間距與周向間距

為了保證相鄰定日鏡之間不因發(fā)生機(jī)械碰撞而損壞，在相鄰左右定日鏡之間留有一定的安全間距，這個(gè)間距被稱為周向間距[9]。

最小周向間距：為保證定日鏡將太陽(yáng)光線反射到吸熱塔，避免產(chǎn)生較大的陰影和阻擋損失的，設(shè)置于相鄰前后定日鏡之間的最小周向夾角。最大周向間距：為保證前后相鄰定日鏡在反射光線方向上不會(huì)發(fā)生任何遮擋的周向夾角。

為了減小定日鏡在向吸熱器反射太陽(yáng)輻射能時(shí)所造成的遮擋效應(yīng)，通常在相鄰前后定日鏡之間留有一定的間距，此間距被稱為徑向間距。

最小徑向間距：為保證相鄰定日鏡之間不發(fā)生機(jī)械碰撞，并且所有定日鏡均能夠無(wú)阻礙地自由轉(zhuǎn)動(dòng)的最小徑向間距。最大徑向間距：能夠保證定日鏡間沒(méi)有阻擋損失的定日鏡各環(huán)之間的最大徑向間距。

3""定日鏡場(chǎng)優(yōu)化布置策略

定日鏡場(chǎng)的布置方式可以采用多種不同的形式[10]，不同的鏡場(chǎng)布置方式不僅直接關(guān)系到鏡場(chǎng)的能量收集效率、土地利用率、建設(shè)成本與長(zhǎng)期運(yùn)維的可行性，還深刻影響鏡場(chǎng)的整體性和經(jīng)濟(jì)性。具體而言，優(yōu)化布置策略需要考慮以下幾個(gè)方面。

3.1"提升能量收集效率

大量研究表明，定日鏡場(chǎng)在反射太陽(yáng)光線時(shí)，可以產(chǎn)生高達(dá)約30%～40%的能量損失，在這些能量損失之中，由于定日鏡安裝位置不同所產(chǎn)生的陰影和阻擋因素是其主要影響因素[11]。

3.1.1"優(yōu)化反射損失

由于太陽(yáng)光線的發(fā)散性和太陽(yáng)位置的變化，入射的太陽(yáng)光線并不能完全被定日鏡反射聚焦到吸熱器上，這將會(huì)產(chǎn)生一定的能量損失。布置過(guò)程應(yīng)通過(guò)調(diào)整鏡子的角度和位置來(lái)實(shí)現(xiàn)最大限度地捕捉并利用太陽(yáng)光。

3.1.2"控制聚焦損失

定日鏡存在的跟蹤誤差、安裝誤差等導(dǎo)致太陽(yáng)光可能無(wú)法準(zhǔn)確地聚焦到集熱器上，從而對(duì)聚光效率產(chǎn)生影響。布置過(guò)程應(yīng)通過(guò)提高安裝精度和采用先進(jìn)的跟蹤系統(tǒng)，確保太陽(yáng)光能夠準(zhǔn)確聚焦。

3.1.3"降低遮擋損失

在反射太陽(yáng)光線時(shí)，定日鏡會(huì)存在因相鄰定日鏡或前方定日鏡背面的遮擋而導(dǎo)致聚光效率降低的現(xiàn)象，在布置過(guò)程中要合理設(shè)計(jì)鏡子間的間距和角度，避免遮擋現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高整體的聚光效率。

3.2"控制建設(shè)成本

3.2.1"鏡片成本

定日鏡場(chǎng)的布置方式直接影響所需的定日鏡數(shù)量。合理的定日鏡布置方式可以在保證聚光效率的同時(shí)，減少不必要的定日鏡數(shù)量，從而降低項(xiàng)目的建設(shè)成本。

3.2.2"安裝成本

不同的排列方式會(huì)造成安裝難度和復(fù)雜度的不同。在布置過(guò)程中，應(yīng)采用合理的排列方式，降低安裝難度和復(fù)雜度，同時(shí)可以考慮預(yù)安裝等先進(jìn)方式，進(jìn)一步降低定日鏡的安裝成本。

3.3"降低環(huán)境影響

3.3.1"土地使用

合理的定日鏡場(chǎng)布置方式能夠在保證滿足發(fā)電效率的同時(shí)，減少土地的使用量，進(jìn)而降低因鏡場(chǎng)安裝對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的破壞。在安裝過(guò)程中，要充分考慮土地資源的有限性，通過(guò)合理設(shè)計(jì)鏡子的布局和間距，降低對(duì)土地的占用和破壞。

3.3.2"碳排放量

與傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電技術(shù)相比，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是一種清潔能源發(fā)電技術(shù)，可以顯著降低碳的排放量。在安裝過(guò)程中，要進(jìn)一步考慮如何減少碳排放量，通過(guò)提高效能和采用環(huán)保材料等方式，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

4""應(yīng)用項(xiàng)目定日鏡場(chǎng)布置

4.1"項(xiàng)目背景

三峽恒基能脈瓜州70萬(wàn)kW“光熱儲(chǔ)能+”項(xiàng)目是甘肅省首批大型風(fēng)電光伏基地建設(shè)項(xiàng)目之一，該項(xiàng)目采用了與常規(guī)塔式光熱發(fā)電技術(shù)不同的“雙塔一機(jī)模式”。其光熱發(fā)電部分運(yùn)用了塔式熔鹽技術(shù)，裝機(jī)容量達(dá)到100"MW，并采用了雙塔一機(jī)的配置。定日鏡場(chǎng)占地面積廣闊，達(dá)到了301.07"hm2，配置了26"954面29.7"m2的長(zhǎng)方形定日鏡，總采光面積近81萬(wàn)m2。

4.2"定日鏡場(chǎng)布置參數(shù)

本項(xiàng)目最終選擇采用雙扇形鏡場(chǎng)的布置方式，同時(shí)針對(duì)兩塔之間的鏡場(chǎng)采用分時(shí)分區(qū)復(fù)用策略。鏡場(chǎng)平面布置如圖2所示，其中，A、B、C、D、E、F為鏡場(chǎng)的6個(gè)分區(qū)。

4.3"結(jié)果分析

經(jīng)研究分析，采用雙塔一機(jī)雙扇形的鏡場(chǎng)布置方式可以最大化的利用現(xiàn)場(chǎng)土地資源、提升聚光集熱系統(tǒng)的效率，有效控制項(xiàng)目建設(shè)成本，同時(shí)可以降低對(duì)環(huán)境的影響，具體內(nèi)容如下。

（1）與單塔單機(jī)模式相比，雙塔一機(jī)分時(shí)分區(qū)復(fù)用模式在同等鏡場(chǎng)采光面積下，年均鏡場(chǎng)效率可以提升約14.3%，達(dá)到56%。同時(shí)，可以減少鏡片數(shù)量600余組，在增加收入的同時(shí)，降低項(xiàng)目建設(shè)成本。

（2）采用兩塔間分區(qū)復(fù)用鏡面的形式，可以優(yōu)化鏡片反射率、降低遮擋損失，進(jìn)而優(yōu)化光能利用率，可以提高約1%的鏡場(chǎng)效率。

（3）依據(jù)項(xiàng)目站址的具體用地范圍、地形特征、氣象條件、周圍環(huán)境等因素，選擇850"w/m2為最優(yōu)的DNI點(diǎn)，在該值下，棄光率相對(duì)較小，僅為2%。

（4）定日鏡采用周向間距為10.87"m，徑向間距為10.46"m的等間距的布置方式，可以減小占地面積、遮擋損失，有效提升鏡場(chǎng)能量收集效率，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)使太陽(yáng)輻射能被最大程度地捕獲和利用。

5"結(jié)論

本文深入探討了塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中定日鏡場(chǎng)的布置方式對(duì)能量損失（反射損失、聚焦損失、遮擋損失）、建設(shè)成本（鏡片成本、安裝成本）、環(huán)境等方面產(chǎn)生的影響，詳細(xì)闡述了定日鏡的布置過(guò)程與需要考慮的因素，明確了定日鏡場(chǎng)布置對(duì)鏡場(chǎng)能量損失與建設(shè)成本的重要影響，并以具體項(xiàng)目為例進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，合理的定日鏡場(chǎng)布置方式能夠提高光源的利用率，降低光熱電站的成本、增加電站的收益，不僅為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中定日鏡場(chǎng)的布置提供了理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)，也為同類項(xiàng)目的建設(shè)和優(yōu)化提供了有益的參考。

未來(lái)，隨著太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，定日鏡場(chǎng)的布置將更加注重效率、成本和可持續(xù)性的綜合考量，以實(shí)現(xiàn)更加高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的太陽(yáng)能利用。此外，本研究具有一定的局限性，如未考慮不同季節(jié)、不同時(shí)間段太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化對(duì)定日鏡場(chǎng)布置的影響等。因此，在未來(lái)的研究中，可以進(jìn)一步探討這些因素對(duì)定日鏡場(chǎng)布置的影響，以完善和優(yōu)化太陽(yáng)能熱發(fā)電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

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