塔式太陽能電站中定日鏡的關鍵技術綜述

楊延坤

摘 要 定日鏡場是塔式太陽能電站中的核心系統，其建設費用約占整個電廠總成本的50%，能量損失占整個系統的47%，因此降低定日鏡成本、提高定日鏡聚光效果對塔式電站至關重要。目前對定日鏡場的研究主要分為三個部分：定日鏡本身的設計、定日鏡的跟蹤系統以及定日鏡場布局。

關鍵詞 定日鏡場;塔式太陽能電站;聚光效果

1定日鏡的設計

定日鏡主要由鏡面、支架、基座等部分組成。鏡面用以反射光線，其聚光性能至關重要，而聚光性能則與面型有關。定日鏡面型有平面鏡、曲面鏡兩種。平面鏡對于光線沒有匯聚作用，因此平面鏡的面積不能過大，一般在1～2m2間，采用，否則無法形成較好的光斑;曲面鏡則與之相反，面積可達到100m2以上，但其成本高、安裝調試困難。

鏡面材料主要有兩種，一種是鍍銀的低鐵玻璃反射鏡，這種鏡面結構簡單、反射率高，是目前主要應用的材料;另一種是張力金屬膜反射鏡，鏡面由一張金屬膜構成，可以通過調節定日鏡內部壓力來調節定日鏡的焦距，但鏡面結構復雜，金屬膜的清潔煩瑣。

定日鏡有矩形、圓形、多邊形等多種形狀，考慮土地利用率的情況下，定日鏡最好設計為六邊形，而考慮強風作用下反射光會偏離原有軌道的話，定日鏡設計為正方形最好。

定日鏡的支架一般采用金屬框架，能減小鏡面重量，減小定日鏡運行時的能耗。定日鏡的底座分為獨臂式和圓形底座式，獨臂支架式結構簡單但需要更多材料，圓形底座式穩定性較好但結構復雜[1]。

2定日鏡的跟蹤系統

定日鏡為保證將不同時刻的太陽光反射至吸熱器，必須跟蹤太陽運動。定日鏡的跟蹤方式有閉環、開環以及開閉環相結合3種。閉環跟蹤是使用傳感器形成反饋跟蹤，傳感器測定太陽的位置作為反饋信號，提供位置的誤差來控制定日鏡調整形態。常用的傳感器有光敏傳感器、光電池等。這種方法精度高、成本高，但在多云等惡劣的天氣情況下無法使用，無法規模化應用;開環跟蹤是確定當前時刻太陽位置、定日鏡的空間位置和吸熱器的空間位置，通過光的反射定理即入射角等于反射鏡，從而確定定日鏡的姿態。這種方式成本低，被廣泛應用，但存在累計誤差，需要定時校正定日鏡。計算太陽位置有多種算法，迄今為止最精確的算法是由Reda和Andreas發表的太陽位置算法（SPA），精度可達0.0003°;開閉環結合是以開環跟蹤為主，閉環跟蹤為輔，利用傳感器進行誤差校正。

定日鏡采用雙軸轉動以保證跟蹤精度，目前轉動方式有兩種：方位角-仰角轉動和自旋-仰角轉動，如圖所示：（a）為方位角-仰角轉動，分為繞豎直軸和水平軸旋轉;（b）為自旋-仰角轉動，采用鏡面自旋，同時調整鏡面仰角的方式實現定日鏡朝向的改變。與方位角-仰角轉動相比，自旋-仰角轉動可以使光斑更均勻地集中在吸熱器上，但自旋-仰角轉動方式會消耗更多的能量[2]。

3定日鏡場布局

在技術允許范圍內以經濟性為目標確定定日鏡場布局，主要遵循兩個原則：定日鏡近塔密、遠塔疏;在北半球的電站塔北密，塔南疏，南半球則反之。以塔的數量劃分，布局有單塔鏡場和多塔鏡場兩種.

單塔鏡場的布局常見的有長方形、圓形、扇形、貝形等。在長方形、圓形的鏡場中，吸熱塔位于在鏡場中心位置，因此將鏡場分為南北鏡場兩部分，由于余弦效應的存在，北鏡場定日鏡密度應大于南鏡場;而在扇形、貝形鏡場中，鏡場應位于吸熱塔的北面，定日鏡布置一般采用徑向交錯方式，這種排列方式可以避免定日鏡處于相鄰定日鏡反射光線的正前方而造成的遮擋損失。此外，還有根據吸熱器的開口大小和定日鏡的效率因子進行鏡場優化的方法，以確保系統整體效率的提高。

考慮到余弦損失的影響，單塔鏡場面積不能無限大，因此多塔鏡場是實現更大規模發電的有效方式，以eSolar公司的多塔式鏡場設計為例，其采用了四個六邊形的子鏡場圍繞一個吸熱塔作為一個模塊，能夠有效提高土地利用率，獲得更多的熱量[3]。

4結束語

塔式太陽能熱發電聚光比大，工作溫度高，與其他太陽能熱發電相比成本更低，可實現大功率發電，具有廣闊的發展前景。目前國外塔式太陽能電站的技術較為成熟，每度電的成本能夠降低到10美分，相信在不久后將能與火電站的成本相競爭。而國內塔式太陽能熱發電起步晚，在定日鏡場方面的技術還不成熟，成本高產能低，除了需要技術的不斷進步外，更需要關鍵設備國產化來降低成本，為了實現這個目標還需要建設單位、科研單位、設備制造單位的共同努力，突破技術上的難關。

參考文獻

[1] 中華人民共和國科學技術部，國家自然科學基金委員會.中國基礎學科發展報告[R].北京：國家自然科學基金委員會，2001.

[2] 楊琛，薛錚，方彥軍，等. 塔式太陽能鏡場三軸支撐定日鏡控制裝置[J]. 熱力發電，2018（12）：35-40.

[3] 丁偉杰.塔式電站中定日鏡轉動角度分析[J].電子測試，2017 （17）：43-44.