塔式太阳能热发电站定日镜场布置优化

徐培培 董舟 蔡小刚 郑立国 赵奕萌 刘健

摘  要：本论文根据塔式太阳能聚光集热技术特点，提出采用密集布置和交错布置相结合的布置策略，此种优化策略在保证定日镜合理布置的前提下，有效提高定日鏡场的聚光效率，在相同的镜场采光面积下能够减少定日镜的数量和减少电站占地面积，起到降低初始投资的作用。

关键词：太阳能热发电;塔式;密集布置;交错布置;聚光效率

1前言

在当今清洁能源发电的大趋势下，可再生能源迎来平价上网，但其不连续不稳定的缺陷限制了其发展。而光热发电的可再生、安全无污染的优质调峰电源特性，成为稳定清洁的调峰电源的最佳选择。

根据聚光集热系统的不同，太阳能热发电的代表性技术主要有四种[1]：抛物槽式系统、塔式或中央集热器系统、线性菲涅尔系统以及碟式系统。其中，碟式光热转化效率最高，塔式次之，其次为槽式、菲涅尔式，但碟式技术在发达国家处于实验阶段;国内处于实验示范阶段。

根据最新数据显示，目前全球已建成的光热发电项目以槽式技术路线为主，而在建中的塔式项目装机规模约占全球在建总装机的50%左右;规划中的塔式项目装机量则占到了全球规划装机量的70%左右。

2016年获批的首批国家光热发电技术20个示范项目共1.349GW装机规模包括9个塔式电站，7个槽式电站和4个菲涅尔电站。塔式电站将成为未来光热发电市场主力。

2塔式太阳能热发电系统原理

塔式太阳能热发电系统的基本原理是利用独立跟踪太阳的定日镜群，将阳光聚集到固定在塔顶部的接收器上，加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动汽轮机发电机组或燃气轮机发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。

塔式电站主要包括集热系统、热交换及储热系统、常规岛系统。其中集热系统主要包含定日镜、吸热器以及吸收塔。据统计，一般定日镜场成本约占总投资成本的40%～50%，而定日镜场布置决定了整个光热电站的占地面积，本文主要对定日镜场的布置进行研究。

3定日镜场布置优化原则

定日镜场布置主要有麦田型排列和辐射网络法两种类型[2]，其中麦田型排列法布置比较简单且定日镜密度较大，但其主要适用于定日镜数量较少的情况。辐射网络法采用径向交错排列的方式。如图3-1所示。

目前塔式光热电站容量多为50MW，100MW甚至向更大容量发展，定日镜数量从几万到甚至数十万不等，数量庞大，因此目前定日镜场布置多采用辐射网络法。本文提出定日镜场布置设计原则采用密集布置和交错布置相结合的方法，即靠近吸热塔的一定区域采用密集布置，剩余区域采用交错布置方式，该布置方式充分利用占地面积以及高能量利用效率的区域，同时避免了较大的阴影和遮挡损失。

为了避免相邻定日镜之间发生机械碰撞，相邻定日镜之间要留有可以保证旋转的空间，还应考虑人为常规操作的空间。密集布置即周向间距和径向间距均为不发生碰撞的最小距离;交错布置即辐射状布置，插空放置。定日镜在布置时按照一定的数学规律来布置，相邻定日镜的位置由周向间距、径向间距确定。定日镜径向间距和周向间距应保持镜场的阴影和遮挡效率在合理范围内。

4应用成果

镜场在设计点DNI下吸收的能量应满足汽轮机满发时的所需能量与储热系统能量之和，由此可以预估定日镜的总数量。按照上述定日镜场的布置策略，根据某地夏至日太阳能辐射数据，可以得到研究对象圆形定日镜场布置的坐标，得出不同时刻的聚光效率分布图。经过对比，采用密集-交错结合布置方法镜场效率提升了约1.4%，LCOE降低了约9.2%，定日镜数量减少了约1000面。

结论

采用密集-交错结合布置方法，提高了定日镜场的聚光效率，减少了定日镜的数量、减少电站占地面积，进而降低电站的初始投资，同时对密集布置区域和交错布置区域给出明确的区域划分原则，相比于现有镜场布置方法更加便捷，更容易实现计算机编程，对定日镜场的优化布置研究提供了新的理论依据。

参考文献

[1] 袁炜东.国内外太阳能光热发电发展现状及前景[J].电力与能源，2015-36（4），487-490

[2] 关弘扬，张艳梅，廖文俊，顾清之，段洋，张亚伟.不同定日镜场排布形式对镜场光学效率的影响[J].装备机械，2017，1：6-10.