塔式太陽能熱發(fā)電站定日鏡場布置優(yōu)化

徐培培 董舟 蔡小剛 鄭立國 趙奕萌 劉健

摘 ?要：本論文根據塔式太陽能聚光集熱技術特點，提出采用密集布置和交錯布置相結合的布置策略，此種優(yōu)化策略在保證定日鏡合理布置的前提下，有效提高定日鏡場的聚光效率，在相同的鏡場采光面積下能夠減少定日鏡的數量和減少電站占地面積，起到降低初始投資的作用。

關鍵詞：太陽能熱發(fā)電;塔式;密集布置;交錯布置;聚光效率

1前言

在當今清潔能源發(fā)電的大趨勢下，可再生能源迎來平價上網，但其不連續(xù)不穩(wěn)定的缺陷限制了其發(fā)展。而光熱發(fā)電的可再生、安全無污染的優(yōu)質調峰電源特性，成為穩(wěn)定清潔的調峰電源的最佳選擇。

根據聚光集熱系統(tǒng)的不同，太陽能熱發(fā)電的代表性技術主要有四種[1]：拋物槽式系統(tǒng)、塔式或中央集熱器系統(tǒng)、線性菲涅爾系統(tǒng)以及碟式系統(tǒng)。其中，碟式光熱轉化效率最高，塔式次之，其次為槽式、菲涅爾式，但碟式技術在發(fā)達國家處于實驗階段;國內處于實驗示范階段。

根據最新數據顯示，目前全球已建成的光熱發(fā)電項目以槽式技術路線為主，而在建中的塔式項目裝機規(guī)模約占全球在建總裝機的50%左右;規(guī)劃中的塔式項目裝機量則占到了全球規(guī)劃裝機量的70%左右。

2016年獲批的首批國家光熱發(fā)電技術20個示范項目共1.349GW裝機規(guī)模包括9個塔式電站，7個槽式電站和4個菲涅爾電站。塔式電站將成為未來光熱發(fā)電市場主力。

2塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本原理是利用獨立跟蹤太陽的定日鏡群，將陽光聚集到固定在塔頂部的接收器上，加熱工質產生過熱蒸汽或高溫氣體，驅動汽輪機發(fā)電機組或燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電，從而將太陽能轉換為電能。

塔式電站主要包括集熱系統(tǒng)、熱交換及儲熱系統(tǒng)、常規(guī)島系統(tǒng)。其中集熱系統(tǒng)主要包含定日鏡、吸熱器以及吸收塔。據統(tǒng)計，一般定日鏡場成本約占總投資成本的40%～50%，而定日鏡場布置決定了整個光熱電站的占地面積，本文主要對定日鏡場的布置進行研究。

3定日鏡場布置優(yōu)化原則

定日鏡場布置主要有麥田型排列和輻射網絡法兩種類型[2]，其中麥田型排列法布置比較簡單且定日鏡密度較大，但其主要適用于定日鏡數量較少的情況。輻射網絡法采用徑向交錯排列的方式。如圖3-1所示。

目前塔式光熱電站容量多為50MW，100MW甚至向更大容量發(fā)展，定日鏡數量從幾萬到甚至數十萬不等，數量龐大，因此目前定日鏡場布置多采用輻射網絡法。本文提出定日鏡場布置設計原則采用密集布置和交錯布置相結合的方法，即靠近吸熱塔的一定區(qū)域采用密集布置，剩余區(qū)域采用交錯布置方式，該布置方式充分利用占地面積以及高能量利用效率的區(qū)域，同時避免了較大的陰影和遮擋損失。

為了避免相鄰定日鏡之間發(fā)生機械碰撞，相鄰定日鏡之間要留有可以保證旋轉的空間，還應考慮人為常規(guī)操作的空間。密集布置即周向間距和徑向間距均為不發(fā)生碰撞的最小距離;交錯布置即輻射狀布置，插空放置。定日鏡在布置時按照一定的數學規(guī)律來布置，相鄰定日鏡的位置由周向間距、徑向間距確定。定日鏡徑向間距和周向間距應保持鏡場的陰影和遮擋效率在合理范圍內。

4應用成果

鏡場在設計點DNI下吸收的能量應滿足汽輪機滿發(fā)時的所需能量與儲熱系統(tǒng)能量之和，由此可以預估定日鏡的總數量。按照上述定日鏡場的布置策略，根據某地夏至日太陽能輻射數據，可以得到研究對象圓形定日鏡場布置的坐標，得出不同時刻的聚光效率分布圖。經過對比，采用密集-交錯結合布置方法鏡場效率提升了約1.4%，LCOE降低了約9.2%，定日鏡數量減少了約1000面。

結論

采用密集-交錯結合布置方法，提高了定日鏡場的聚光效率，減少了定日鏡的數量、減少電站占地面積，進而降低電站的初始投資，同時對密集布置區(qū)域和交錯布置區(qū)域給出明確的區(qū)域劃分原則，相比于現有鏡場布置方法更加便捷，更容易實現計算機編程，對定日鏡場的優(yōu)化布置研究提供了新的理論依據。

參考文獻

[1] 袁煒東.國內外太陽能光熱發(fā)電發(fā)展現狀及前景[J].電力與能源，2015-36（4），487-490

[2] 關弘揚，張艷梅，廖文俊，顧清之，段洋，張亞偉.不同定日鏡場排布形式對鏡場光學效率的影響[J].裝備機械，2017，1：6-10.