定日镜及其成本分析

张宏丽，王树群

(沈阳工程学院 a新能源学院；b.能源与动力学院；辽宁 沈阳 110136)

定日镜及其成本分析

张宏丽a，王树群b

(沈阳工程学院 a新能源学院；b.能源与动力学院；辽宁 沈阳 110136)

定日镜是塔式太阳能热发电系统中最基本的聚光单元，也是系统中花费成本最大的部分，占整个电站成本的40%～50%。介绍了定日镜的主要组成部分及其在定日镜总成本中所占的比例，以及定日镜尺寸和规模与定日镜成本之间的关系，由此探讨了降低定日镜成本的主要途径，为降低塔式太阳能热发电系统的发电成本，使其更好地替代化石燃料提供了思路。

太阳能；定日镜；成本

塔式太阳能热发电系统因综合效率高、发电成本低等优点，非常适合于较大规模发电。定日镜是塔式太阳能热发电系统中最基本的聚光单元。为了得到较高的聚光倍数，获得较高的温度用于发电，在塔式太阳能热发电系统中通常采用几百或几千个定日镜。研究表明，1个100 MW的塔式电站将需要近100万m2的反射面积，相当于需要10 000个100 m2的定日镜。表1为世界上规模较大的塔式电站所采用的定日镜情况。

表1 塔式电站中所采用的定日镜

由于定日镜是整个塔式太阳能热发电系统中花费最多的部分，占整个电站成本的40%～50%，因此，降低定日镜成本将有利于降低塔式太阳能热发电系统的发电成本，提高其市场竞争力。

1 定日镜的组成

由于定日镜要通过二维跟踪控制机构对太阳的高度角和方位角进行实时跟踪，为了有效地反射和利用太阳辐射能，要求定日镜具有较高的镜面反射率、较高的镜面平整度和较小的面型误差、较高的跟踪控制精度、较高的机械强度和抗风载能力、较低的制造成本并易于安装和维护。定日镜主要由镜面单元、镜面支架、基座和地基，以及跟踪控制和驱动装置组成，如图1所示。

1.1 镜面单元

定日镜的反射面都是由一系列小的镜面单元所组成，负责进行太阳辐射光线的反射。表2为定日镜的尺寸与镜面单元大小的示例。

图1 定日镜的主要组成部分

定日镜尺寸/m2镜面单元个数镜面单元面积/m213.434.4730.165.0253124.4695165.95148207.43214248.92

传统的镜面单元一般采用玻璃和金属所组成的三明治结构，中间的金属镀层可以采用银、铝或其他金属。在20世纪80年代，出现了在抛物型框架上将高反射率的膜进行拉伸的拉伸膜反射面。目前还出现了采用重量轻、便于运输的高分子膜技术进行反射面的制作。传统镜面单元的底层玻璃要通过粘附剂或机械紧固等方式与定日镜的金属框架固定在一起。镜面单元要求具有较高的光学性能(如反射率、透过率、表面质量等)。目前玻璃反射镜的镜面反射率一般在0.93～0.94，若没有过度腐蚀或紫外线退化，使用寿命一般都在20～25年。

1.2 镜面支架

镜面单元需固定和安装在镜面支架上。镜面支架不但要在空间上准确地承载镜面，使其便于对光调试，而且还要保证在跟踪运行过程中整体定日镜的刚度，使其具有一定的抗风载能力。镜面支架通常为钢结构(见图2)。

图2 定日镜的支架

1.3 驱动装置

驱动装置能够保证定日镜对太阳的高度角和方位角进行双轴跟踪，以使聚光光线能够准确地反射到设定好的塔顶吸热器上。驱动装置可以采用机械驱动或液压驱动(见图3)。驱动装置不但要确保定日镜对太阳的实时跟踪，而且还要将定日镜的重量和风载荷传递给基座和地基。

1.4 基座和地基

定日镜最常见的地面支撑类型是现场浇筑的柱状地基。基座一般是为了保证大尺寸的定日镜有一定的离地净高。

1.5 跟踪控制系统

跟踪控制通过电子设备和控制程序为驱动电机提供信号，以保证定日镜与太阳之间准确的相对位置。每个定日镜都需要有一套跟踪控制系统，由传感器准确地测定太阳的位置，再通过控制器操纵定日镜的驱动电机以控制和调整定日镜的姿态。

2 定日镜的成本

美国Sandia实验室一直致力于定日镜成本方面的研究。由于钢材的价格一直在变化，再加之技术的进步，因此，定日镜的成本也一直在随之更新。

图3 定日镜的驱动装置

2.1 定日镜的成本与发电成本之间的关系

对总重量为13 893 lb的ATS定日镜进行的重量分解，可了解定日镜所采用的材料情况，并由材料的价格推算出定日镜的成本(见表3)。

表3 定日镜所采用的材料情况 lb

定日镜是塔式太阳能热发电系统中花费最大的部分，因此定日镜的成本将直接影响到塔式太阳能热发电系统的发电成本(见表4)。

表4 定日镜的成本与发电成本之间的关系

2.2 定日镜各组成部分所占成本的比例

根据SolarPACES2000年的研究报告，定日镜的各个组成部分在定日镜的总成本中所占的比例如表5所示。

表5 定日镜各组成部分所占成本的比例

由于要将镜面单元固定在镜面支架上，同时还要安装驱动装置，因此，在定日镜总成本中还要包括装配和安装的部分。

2.3 不同尺寸定日镜的成本

定日镜的镜面反射面积及其光学性能是考察定日镜的重要指标。因此，通常采用定日镜单位反射面积的制作成本来表达定日镜的造价，即美元·m-2，其数值一般由生产商提供。但这种表达容易造成定日镜的成本与定日镜的面积成正比，而定日镜尺寸越小越便宜的误解。为此，美国Sandia实验室还专门研究了相同镜面反射面积235 000 m2下采用小尺寸定日镜和采用大尺寸定日镜进行定日镜场布置后所花费的成本比较，如表6所示。

表6 不同尺寸定日镜费用 美元·m-2

2.4 不同生产规模下定日镜的成本

针对尺寸为148 m2的定日镜，美国Sandia实验室专门估算了将年产量从22.7万m2提高到1亿m2所花费的成本，部分结果如表7所示。

表7 不同生产规模下定日镜成本 美元

3 分析与讨论

1)由表3可知，制作定日镜所使用的材料中，8 709 lb结构钢和3 300 lb玻璃反射镜，分别占定日镜总重量的63%和24%。由此，可按当年各种材料的价格，大致推算出定日镜的制造成本。

2)由表4可知，定日镜的成本将直接影响到塔式太阳能热发电系统的发电成本。当定日镜成本从300美元·m-2降低到100美元·m-2时，熔融盐塔式太阳能热电站的发电成本也将从12 美分·kWh-1降低到5.9美分·kWh-1，降幅达50%。

3)由表5和表6可知，无论是大尺寸定日镜还是小尺寸定日镜，占花费成本中较高的3个组成部分均为：镜面单元、驱动装置和镜面支架。虽然单个大尺寸定日镜所承受的风载荷较大、用钢量较多、制造成本较高，但因单个定日镜反射面积较大从而使得电站整体上所采用的定日镜总数量减少，同时，安装、运行维护效率的提高，使得定日镜总体费用降低。为此，国际上一些定日镜生产商也在逐渐开发更大尺寸的定日镜。比如，Abengoa将定日镜尺寸从120 m2提高到140 m2，BrightSource将定日镜尺寸从15.2 m2提高到19.0 m2，eSolar将定日镜尺寸从1.14 m2提高到2.2 m2。研究表明，如果将定日镜的运行和维护成本、定日镜场布线等也考虑在内的话，定日镜的尺寸要在50 m2以上，才能达到最低生命周期成本。

4)由表5可知，镜面单元在定日镜总成本中所占比例较高，而高效反射镜面也是减小光学损失、降低发电成本的首要环节。为此，开发低成本、高反射率、持久性好的镜面单元势在必行。减小镜面玻璃的厚度是提高镜面反射率的有效途径。同时，镜面玻璃厚度的减小还有利于克服泄露、腐蚀等问题，从而有利于保持镜面单元的清洁。玻璃镜面的反射率有望提高到95%到96%，其数值大小取决于玻璃中重金属的含量。为此，要想办法去除玻璃中铁、铅等重金属的含量。研究表明，提高镜面清洁度并不能有效提高镜面反射率，再清洁的玻璃表面反射率也只能停留在95%。

5)由表3和表5可知，定日镜支架因用钢量较大，因而花费的成本也较大。在定日镜支架的设计中，一般是采用分析建模和经验测试的方法，主要考虑定日镜的抗风载能力。因此，在确保定日镜正常运行和强风下光学和结构性能的前提下，要优化确定定日镜支架的用钢量。

6)由表5可知，在定日镜总成本中，基座和地基所占比例较低，其次是跟踪控制部分，而定日镜驱动装置所占比例最高，特别是对于大尺寸的定日镜来说，因自身重量较重，所受风载荷较大，驱动装置所占成本可达35%，甚至是50%。而在高度角和方位角两轴驱动方面，方位角驱动装置要更加昂贵。如表7中，最初成本下，方位角驱动是高度角驱动的3倍以上。因此，要降低定日镜的成本，需尽可能地降低定日镜驱动装置的成本，这就需要在方位角驱动设计和准确定位跟踪算法方面进行改进。

7)由表7可知，定日镜的成本虽然与尺寸和性能有关，但很大程度上取决于产量。产量越大，生产的自动化程度越高，加之制造、装配和安装方法的改进，价格也就随之降低。在提高定日镜生产的年产量后，定日镜镜面单元、支架、驱动装置等各部件的制造成本均可大幅度降低，制造的总成本可由最初的16 053美元降低到11 114美元，降低了约30%。

4 结 语

综上所述，要降低定日镜成本，要从定日镜支架结构设计优化、驱动装置改进、镜面光学性能提高几方面入手。综合考虑，应当存在一个最低生命周期成本的最佳定日镜尺寸，但对其数值目前在国际上还未达成共识，还需进一步地研究和探讨。

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(责任编辑 佟金锴 校对 魏静敏)

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

张宏丽(1971-)，女，黑龙江梅林人，副教授，博士，主要从事太阳能热利用方面的研究。

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

TK513.1

A

1673-1603(2016)04-0297-05