定日鏡及其成本分析

張宏麗，王樹群

(沈陽工程學院 a新能源學院；b.能源與動力學院；遼寧 沈陽 110136)

定日鏡及其成本分析

張宏麗a，王樹群b

(沈陽工程學院 a新能源學院；b.能源與動力學院；遼寧 沈陽 110136)

定日鏡是塔式太陽能熱發電系統中最基本的聚光單元，也是系統中花費成本最大的部分，占整個電站成本的40%～50%。介紹了定日鏡的主要組成部分及其在定日鏡總成本中所占的比例，以及定日鏡尺寸和規模與定日鏡成本之間的關系，由此探討了降低定日鏡成本的主要途徑，為降低塔式太陽能熱發電系統的發電成本，使其更好地替代化石燃料提供了思路。

太陽能；定日鏡；成本

塔式太陽能熱發電系統因綜合效率高、發電成本低等優點，非常適合于較大規模發電。定日鏡是塔式太陽能熱發電系統中最基本的聚光單元。為了得到較高的聚光倍數，獲得較高的溫度用于發電，在塔式太陽能熱發電系統中通常采用幾百或幾千個定日鏡。研究表明，1個100 MW的塔式電站將需要近100萬m2的反射面積，相當于需要10 000個100 m2的定日鏡。表1為世界上規模較大的塔式電站所采用的定日鏡情況。

表1 塔式電站中所采用的定日鏡

由于定日鏡是整個塔式太陽能熱發電系統中花費最多的部分，占整個電站成本的40%～50%，因此，降低定日鏡成本將有利于降低塔式太陽能熱發電系統的發電成本，提高其市場競爭力。

1 定日鏡的組成

由于定日鏡要通過二維跟蹤控制機構對太陽的高度角和方位角進行實時跟蹤，為了有效地反射和利用太陽輻射能，要求定日鏡具有較高的鏡面反射率、較高的鏡面平整度和較小的面型誤差、較高的跟蹤控制精度、較高的機械強度和抗風載能力、較低的制造成本并易于安裝和維護。定日鏡主要由鏡面單元、鏡面支架、基座和地基，以及跟蹤控制和驅動裝置組成，如圖1所示。

1.1 鏡面單元

定日鏡的反射面都是由一系列小的鏡面單元所組成，負責進行太陽輻射光線的反射。表2為定日鏡的尺寸與鏡面單元大小的示例。

圖1 定日鏡的主要組成部分

定日鏡尺寸/m2鏡面單元個數鏡面單元面積/m213.434.4730.165.0253124.4695165.95148207.43214248.92

傳統的鏡面單元一般采用玻璃和金屬所組成的三明治結構，中間的金屬鍍層可以采用銀、鋁或其他金屬。在20世紀80年代，出現了在拋物型框架上將高反射率的膜進行拉伸的拉伸膜反射面。目前還出現了采用重量輕、便于運輸的高分子膜技術進行反射面的制作。傳統鏡面單元的底層玻璃要通過粘附劑或機械緊固等方式與定日鏡的金屬框架固定在一起。鏡面單元要求具有較高的光學性能(如反射率、透過率、表面質量等)。目前玻璃反射鏡的鏡面反射率一般在0.93～0.94，若沒有過度腐蝕或紫外線退化，使用壽命一般都在20～25年。

1.2 鏡面支架

鏡面單元需固定和安裝在鏡面支架上。鏡面支架不但要在空間上準確地承載鏡面，使其便于對光調試，而且還要保證在跟蹤運行過程中整體定日鏡的剛度，使其具有一定的抗風載能力。鏡面支架通常為鋼結構(見圖2)。

圖2 定日鏡的支架

1.3 驅動裝置

驅動裝置能夠保證定日鏡對太陽的高度角和方位角進行雙軸跟蹤，以使聚光光線能夠準確地反射到設定好的塔頂吸熱器上。驅動裝置可以采用機械驅動或液壓驅動(見圖3)。驅動裝置不但要確保定日鏡對太陽的實時跟蹤，而且還要將定日鏡的重量和風載荷傳遞給基座和地基。

1.4 基座和地基

定日鏡最常見的地面支撐類型是現場澆筑的柱狀地基?；话闶菫榱吮ＷC大尺寸的定日鏡有一定的離地凈高。

1.5 跟蹤控制系統

跟蹤控制通過電子設備和控制程序為驅動電機提供信號，以保證定日鏡與太陽之間準確的相對位置。每個定日鏡都需要有一套跟蹤控制系統，由傳感器準確地測定太陽的位置，再通過控制器操縱定日鏡的驅動電機以控制和調整定日鏡的姿態。

2 定日鏡的成本

美國Sandia實驗室一直致力于定日鏡成本方面的研究。由于鋼材的價格一直在變化，再加之技術的進步，因此，定日鏡的成本也一直在隨之更新。

圖3 定日鏡的驅動裝置

2.1 定日鏡的成本與發電成本之間的關系

對總重量為13 893 lb的ATS定日鏡進行的重量分解，可了解定日鏡所采用的材料情況，并由材料的價格推算出定日鏡的成本(見表3)。

表3 定日鏡所采用的材料情況 lb

定日鏡是塔式太陽能熱發電系統中花費最大的部分，因此定日鏡的成本將直接影響到塔式太陽能熱發電系統的發電成本(見表4)。

表4 定日鏡的成本與發電成本之間的關系

2.2 定日鏡各組成部分所占成本的比例

根據SolarPACES2000年的研究報告，定日鏡的各個組成部分在定日鏡的總成本中所占的比例如表5所示。

表5 定日鏡各組成部分所占成本的比例

由于要將鏡面單元固定在鏡面支架上，同時還要安裝驅動裝置，因此，在定日鏡總成本中還要包括裝配和安裝的部分。

2.3 不同尺寸定日鏡的成本

定日鏡的鏡面反射面積及其光學性能是考察定日鏡的重要指標。因此，通常采用定日鏡單位反射面積的制作成本來表達定日鏡的造價，即美元·m-2，其數值一般由生產商提供。但這種表達容易造成定日鏡的成本與定日鏡的面積成正比，而定日鏡尺寸越小越便宜的誤解。為此，美國Sandia實驗室還專門研究了相同鏡面反射面積235 000 m2下采用小尺寸定日鏡和采用大尺寸定日鏡進行定日鏡場布置后所花費的成本比較，如表6所示。

表6 不同尺寸定日鏡費用 美元·m-2

2.4 不同生產規模下定日鏡的成本

針對尺寸為148 m2的定日鏡，美國Sandia實驗室專門估算了將年產量從22.7萬m2提高到1億m2所花費的成本，部分結果如表7所示。

表7 不同生產規模下定日鏡成本 美元

3 分析與討論

1)由表3可知，制作定日鏡所使用的材料中，8 709 lb結構鋼和3 300 lb玻璃反射鏡，分別占定日鏡總重量的63%和24%。由此，可按當年各種材料的價格，大致推算出定日鏡的制造成本。

2)由表4可知，定日鏡的成本將直接影響到塔式太陽能熱發電系統的發電成本。當定日鏡成本從300美元·m-2降低到100美元·m-2時，熔融鹽塔式太陽能熱電站的發電成本也將從12 美分·kWh-1降低到5.9美分·kWh-1，降幅達50%。

3)由表5和表6可知，無論是大尺寸定日鏡還是小尺寸定日鏡，占花費成本中較高的3個組成部分均為：鏡面單元、驅動裝置和鏡面支架。雖然單個大尺寸定日鏡所承受的風載荷較大、用鋼量較多、制造成本較高，但因單個定日鏡反射面積較大從而使得電站整體上所采用的定日鏡總數量減少，同時，安裝、運行維護效率的提高，使得定日鏡總體費用降低。為此，國際上一些定日鏡生產商也在逐漸開發更大尺寸的定日鏡。比如，Abengoa將定日鏡尺寸從120 m2提高到140 m2，BrightSource將定日鏡尺寸從15.2 m2提高到19.0 m2，eSolar將定日鏡尺寸從1.14 m2提高到2.2 m2。研究表明，如果將定日鏡的運行和維護成本、定日鏡場布線等也考慮在內的話，定日鏡的尺寸要在50 m2以上，才能達到最低生命周期成本。

4)由表5可知，鏡面單元在定日鏡總成本中所占比例較高，而高效反射鏡面也是減小光學損失、降低發電成本的首要環節。為此，開發低成本、高反射率、持久性好的鏡面單元勢在必行。減小鏡面玻璃的厚度是提高鏡面反射率的有效途徑。同時，鏡面玻璃厚度的減小還有利于克服泄露、腐蝕等問題，從而有利于保持鏡面單元的清潔。玻璃鏡面的反射率有望提高到95%到96%，其數值大小取決于玻璃中重金屬的含量。為此，要想辦法去除玻璃中鐵、鉛等重金屬的含量。研究表明，提高鏡面清潔度并不能有效提高鏡面反射率，再清潔的玻璃表面反射率也只能停留在95%。

5)由表3和表5可知，定日鏡支架因用鋼量較大，因而花費的成本也較大。在定日鏡支架的設計中，一般是采用分析建模和經驗測試的方法，主要考慮定日鏡的抗風載能力。因此，在確保定日鏡正常運行和強風下光學和結構性能的前提下，要優化確定定日鏡支架的用鋼量。

6)由表5可知，在定日鏡總成本中，基座和地基所占比例較低，其次是跟蹤控制部分，而定日鏡驅動裝置所占比例最高，特別是對于大尺寸的定日鏡來說，因自身重量較重，所受風載荷較大，驅動裝置所占成本可達35%，甚至是50%。而在高度角和方位角兩軸驅動方面，方位角驅動裝置要更加昂貴。如表7中，最初成本下，方位角驅動是高度角驅動的3倍以上。因此，要降低定日鏡的成本，需盡可能地降低定日鏡驅動裝置的成本，這就需要在方位角驅動設計和準確定位跟蹤算法方面進行改進。

7)由表7可知，定日鏡的成本雖然與尺寸和性能有關，但很大程度上取決于產量。產量越大，生產的自動化程度越高，加之制造、裝配和安裝方法的改進，價格也就隨之降低。在提高定日鏡生產的年產量后，定日鏡鏡面單元、支架、驅動裝置等各部件的制造成本均可大幅度降低，制造的總成本可由最初的16 053美元降低到11 114美元，降低了約30%。

4 結 語

綜上所述，要降低定日鏡成本，要從定日鏡支架結構設計優化、驅動裝置改進、鏡面光學性能提高幾方面入手。綜合考慮，應當存在一個最低生命周期成本的最佳定日鏡尺寸，但對其數值目前在國際上還未達成共識，還需進一步地研究和探討。

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(責任編輯 佟金鍇 校對 魏靜敏)

Solar Heliostat and Its Cost Analysis

ZHANG Hong-lia，WANG Shu-qunb

(a.School of Renewable Energy;b.College of Energy and Power,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Heliostats are the main elements of the collector subsystem,which represent 40% to 50% of the capital cost of a solar power tower plant,so they must be relatively low cost,in order for the cost of solar power tower plant can compete with that of the fossil fuels.Therefore,the major components of the heliostat and their costs,the relationship between the size of the heliostats,the scale of heliostats manufacturing and the cost of heliostats as well,are all discussed in this paper,as a result,ways to reduce the total costs of heliostatsare analyzed.

Solar power tower system;Heliostat;Cost

2016-08-01

張宏麗(1971-)，女，黑龍江梅林人，副教授，博士，主要從事太陽能熱利用方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.04.002

TK513.1

A

1673-1603(2016)04-0297-05