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塔式定日鏡規(guī)格不一大小鏡孰優(yōu)孰劣？

發(fā)布者：本網(wǎng)編輯部 | 來源：CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng) | 7評論 | 30682查看 | 2013-09-26 14:46:00

CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報道：定日鏡一詞來源于英文單詞“heliostat’”，而heliostat一詞又是希臘單詞helios (太陽) 和stat (固定的)的組合，其意即“固定住太陽”，形象地詮釋了太陽能定日鏡依托支撐結構和跟蹤控制系統(tǒng)時刻追蹤太陽的特點。

塔式定日鏡由跟蹤控制器、機械支撐結構和反射鏡三大組件構成，和槽式集熱系統(tǒng)不同，槽式集熱器已經(jīng)形成了較為統(tǒng)一的國際慣例，如槽式RP1~RP5的反射鏡規(guī)格伴隨多種槽式集熱器的設計變化而更迭，最成熟的RP3反射鏡的大規(guī)模應用。塔式定日鏡的規(guī)格因設計方的不同而不同，不同的設計方有不同的尺寸設計，甚至于會因項目的不同而有不同的定日鏡規(guī)格設計?？梢哉f，塔式定日鏡完全不是標準化產(chǎn)品，而是定制化產(chǎn)品。

不同規(guī)格的定日鏡

塔式定日鏡的主體即反射鏡，反射鏡的制造由反射鏡廠商負責，但反射鏡的規(guī)格，如長度、寬度及面積則由項目設計方設計。從1980年代的solar one塔式電站開始，塔式定日鏡開始走向規(guī)?；膶嶋H電站應用。到今天30余年過去了，塔式定日鏡的規(guī)格設計依然因不同的項目開發(fā)商而各具特色。

圖：solar one電站定日鏡

圖：solar two電站新型定日鏡

Solar One和Solar Two是美國能源部主導建設的一個科研性的10MW大規(guī)模塔式電站，Solar One采用的定日鏡大小為40平方米，單套定日鏡共配置12面小反射鏡；Solar Two在Solar One的鏡場基礎上增加了108套新型定日鏡，新增定日鏡的面積大小為95平方米，由64面反射鏡按每16面（4*4）組成一個正方形布置。

圖：SEDC項目的定日鏡

圖：Coalinga項目的定日鏡

圖：Ivanpah項目的定日鏡

BrightSource作為塔式光熱電站的領先開發(fā)商，其定日鏡的規(guī)格設計也經(jīng)歷了多次變化。2007年，其在以色列建設的首個6MWth的SEDC光熱發(fā)電示范項目采用的定日鏡的面積為78平方英尺（約7.25平方米），一套定日鏡系統(tǒng)由一面反射鏡和一個雙軸跟蹤系統(tǒng)及支架構成。2009年，其位于加州的29MWth的Coalinga光熱輔助石油熱采項目采用了新的定日鏡設計，一套定日鏡系統(tǒng)由兩面反射鏡組成，反光面積增加到155平方英尺（約14.4平方米）。2011年，BrightSource在其開始建設的全球最大的塔式電站Ivanpah項目中采用的定日鏡設計沿用了這種雙面鏡設計，但尺寸略有增加，增至163平方英尺（約15.1平方米）。

圖：PS10&20的定日鏡

阿本戈開發(fā)的PS10和PS20塔式電站采用的定日鏡的尺寸均為1291平方英尺（120平方米），一套定日鏡系統(tǒng)共配裝28面反射鏡，按4*7順序布置。單面反射鏡面積約為4.25平方米。其目前在南非開發(fā)的Khi塔式電站將采用Rioglass生產(chǎn)的新型超薄微弧反射鏡，具體的定日鏡設計可能會因之改變。據(jù)NREL的資料，其南非電站的定日鏡面積將增大至140平方米。

圖:新月沙丘電站定日鏡

熔鹽型塔式電站開發(fā)商SolarReserve在其在建的110MW的新月沙丘電站中采用的定日鏡設計為115平方米大小，一套定日鏡配35面反射鏡，按5*7順序排列，單面反射鏡的面積約為3.3平方米。

圖：Gemasolar電站的定日鏡

已建成的Gemasolar塔式電站的定日鏡設計規(guī)格也為120平方米，由Sener公司設計，其與阿本戈PS10和PS20采用的定日鏡大小相同，與SolarReserve的定日鏡結構設計相似，也是由35面反射鏡組成，按5*7順序排列，但單面反射鏡的面積增大為3.4平方米左右。

圖：eSolar公司設計的定日鏡

另外一些企業(yè)也開發(fā)了不同的定日鏡設計，如模塊化塔式光熱發(fā)電技術公司eSolar的定日鏡大小僅僅1.1平方米左右，中控太陽能公司設計的定日鏡規(guī)格大小僅2平方米。

大小定日鏡孰優(yōu)孰劣？

定日鏡的設計歷經(jīng)多年變遷，大小從1平方米到100多平方米不一，業(yè)內(nèi)對定日鏡的大小問題一直以來存在不少爭論，但直到今天，仍沒有人能百分百地確定大定日鏡更好還是小定日鏡更優(yōu)。這主要是因為這很可能是一個沒有標準答案的問題，塔式光熱電站的系統(tǒng)性很強，定日鏡的設計要根據(jù)項目地的實際環(huán)境和項目設計要求，依托整體系統(tǒng)進行設計，一切應以最小化電站投資成本和度電成本為準則。

上海晶電新能源有限公司總經(jīng)理陳煜達在接受CSPPLAZA記者采訪時表示，對于定日鏡的尺寸，不能武斷的說大的好還是小的好。大定日鏡和小定日鏡各有利弊。他從以下幾個方面詳盡地解釋了大定日鏡和小定日鏡的區(qū)別。

第一，就定日鏡本身的生產(chǎn)制造來看，塔式定日鏡由于焦距都很遠，對精度要求較高，一般都要求控制在0.1毫弧度~2毫弧度之間。因此，大定日鏡的研發(fā)難度要高些，因為鏡子越大，要做到毫弧度級別的精度就越困難。在實際項目中，大定日鏡往往用在大塔項目中，對精度的要求會很高。而小定日鏡在設計和制造方面的難度要大大降低。

第二，從定日鏡的驅(qū)動控制角度來看，小定日鏡意味著有更多的控制節(jié)點，也意味著需要更多的電機和電氣控制系統(tǒng)，更多的電氣控制意味著更多的線纜和更加復雜的網(wǎng)絡。比如，eSolar的一個5MW的塔式系統(tǒng)需要4萬多個控制節(jié)點，必須分層控制，更多的節(jié)點就會帶來更多的網(wǎng)絡問題，大定日鏡相對要好些。總的來看，小定日鏡的最大難點是控制節(jié)點網(wǎng)絡的設計，以及在控制網(wǎng)絡中對控制信息的處理方面難度較大。

工程實踐中，小定日鏡用于小塔不需要實時追日，可以較長時間間隔性追日；而大定日鏡基本用在大塔上，要求實時或者秒級的追日間隔。如果同一個子網(wǎng)擁有同樣多的鏡子，那么大定日鏡系統(tǒng)的追日命令將是小定日鏡系統(tǒng)的幾倍~幾十倍。網(wǎng)絡穩(wěn)定和防擁塞問題會是一個比較棘手的問題，在實際操作中不能寄希望于把追日計算放到定日鏡控制器上。（在零下20攝氏度~零上80度的溫度區(qū)間，在需要防塵、防水、防鹽堿的條件下，符合經(jīng)濟性的計算機都是不可能做到的。）

第三，對于定日鏡的安裝與調(diào)試問題。小定日鏡的安裝調(diào)試更加簡便，而大定日鏡要相對復雜很多。小定日鏡依靠人力和一臺小鏟車就可以安裝，而大定日鏡則可能需要40噸的汽吊，這就涉及到大量的機施費用。大定日鏡對地樁的要求較高，需要打5~8米深的地基，澆筑鋼筋混凝土樁基，小定日鏡采用光伏發(fā)電類似的細樁即可，甚至于eSolar的小定日鏡都不需樁基，直接采用浮地設計。另外，無論哪種定日鏡在安裝中都需進行調(diào)試。大定日鏡數(shù)量少，可以采用人工方式調(diào)試，而小定日鏡如果沒有很好的自動校正補償機制，基本沒有可能進入到工程化階段。

第四，從土地利用率的角度來看，同等裝機下，大定日鏡的土地利用率要小于小定日鏡。理想的定日鏡設計應是寬度大于高度，呈扁長型。

第五，從吸熱器的角度考慮，小塔的吸熱器吸熱面較小，考慮到光斑大小，必須采用小定日鏡，大塔的吸熱器吸熱面較大，只要解決吸熱器局部過熱的問題，大小定日鏡都可以使用。我們可以由此引申來探討一下采用大塔還是小塔的問題。從熱工角度看，大塔比小塔更合理，比如只有一個吸熱節(jié)點，熱工管道短，沒有多個小塔的熱平衡和調(diào)配問題。但是大塔一般在120米以上，鏡場半徑可能超過1公里，而超過750米的定日鏡的光學效率就非常非常低了，可能太陽的盤角造成的光斑就遠大于吸熱器的截面積，并且余弦效率等關鍵指標都會較低。同時，塔越高，越接近內(nèi)圈的定日鏡光斑就越不容易控制，而理論情況是靠近內(nèi)圈的定日鏡由于焦距短，應該是最容易控制的。

陳煜達最后表示，直接比較大定日鏡和小定日鏡的優(yōu)劣可能并不合理，必須納入到系統(tǒng)中去，從造價、工程、運維等多個方面進行比較。最關鍵的還是要看LCOE。他同時呼吁，雖然塔式技術目前的應用還少，但塔式是方向，也更適合我國的情況。國內(nèi)廠商特別是機械制造廠商、電氣控制廠商等應合作起來共同推動適合我國實際電站開發(fā)環(huán)境的定日鏡技術的研發(fā)。我們應當學習槽式集熱器技術發(fā)展初期的經(jīng)驗，多個廠商發(fā)揮各自特長，進行聯(lián)合開發(fā)，確定2~3個形制，不要搞百花齊放，先整合出幾個完整的方案和產(chǎn)品鏈條來，才能使塔式定日鏡技術盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

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