光热发电塔式定日镜的规格对比

CSPPLAZA光热发电网报道：定日镜一次来源于英文单词“heliostat’”，而heliostat一词又是希腊单词helios (太阳) 和stat (固定的)的组合，其意即“固定住太阳”，形象地诠释了太阳能定日镜依托支撑结构和跟踪控制系统时刻追踪太阳的特点。

塔式定日镜由跟踪控制器、机械支撑结构和反射镜三大组件构成，和槽式集热系统不同，槽式集热器已经形成了较为统一的国际惯例，如槽式RP1~RP5的反射镜规格伴随多种槽式集热器的设计变化而更迭，最成熟的RP3反射镜的大规模应用。塔式定日镜的规格因设计方的不同而不同，不同的设计方有不同的尺寸设计，甚至于会因项目的不同而有不同的定日镜规格设计。可以说，塔式定日镜完全不是标准化产品，而是定制化产品。

不同规格的定日镜

塔式定日镜的主体即反射镜，反射镜的制造由反射镜厂商负责，但反射镜的规格，如长度、宽度及面积则由项目设计方设计。从1980年代的solar one塔式电站开始，塔式定日镜开始走向规模化的实际电站应用。到今天30余年过去了，塔式定日镜的规格设计依然因不同的项目开发商而各具特色。

图：solar one电站定日镜

图：solar two电站新型定日镜

Solar One和Solar Two是美国能源部主导建设的一个科研性的10MW大规模塔式电站，Solar One采用的定日镜大小为40平方米，单套定日镜共配置12面小反射镜；Solar Two 在Solar One的镜场基础上增加了108套新型定日镜，新增定日镜的面积大小为95平方米，由64面反射镜按每16面（4*4）组成一个正方形布置。

图：SEDC项目的定日镜

图：Coalinga项目的定日镜

图：Ivanpah项目的定日镜

BrightSource作为塔式光热电站的领先开发商，其定日镜的规格设计也经历了多次变化。2007年，其在以色列建设的首个6MWth的SEDC光热发电示范项目采用的定日镜的面积为78平方英尺（约7.25平方米），一套定日镜系统由一面反射镜和一个双轴跟踪系统及支架构成。2009年，其位于加州的29MWth的Coalinga光热辅助石油热采项目采用了新的定日镜设计，一套定日镜系统由两面反射镜组成，反光面积增加到155平方英尺（约14.4平方米）。2011年，BrightSource在其开始建设的全球最大的塔式电站Ivanpah项目中采用的定日镜设计沿用了这种双面镜设计，但尺寸略有增加，增至163平方英尺（约15.1平方米）。

图：PS10&20的定日镜

阿本戈开发的PS10和PS20塔式电站采用的定日镜的尺寸均为1291平方英尺（120平方米），一套定日镜系统共配装28面反射镜，按4*7顺序布置。单面反射镜面积约为4.25平方米。其目前在南非开发的Khi塔式电站将采用Rioglass生产的新型超薄微弧反射镜，具体的定日镜设计可能会因之改变。据NREL的资料，其南非电站的定日镜面积将增大至140平方米。

图:新月沙丘电站定日镜

熔盐型塔式电站开发商SolarReserve在其在建的110MW的新月沙丘电站中采用的定日镜设计为62.5平方米大小，一套定日镜配35面反射镜，按5*7顺序排列，单面反射镜的面积约为1.8平方米。

图：Gemasolar电站的定日镜

已建成的Gemasolar塔式电站的定日镜设计规格也为120平方米，由Sener公司设计，其与阿本戈PS10和PS20采用的定日镜大小相同，与SolarReserve的定日镜结构设计相似，也是由35面反射镜组成，按5*7顺序排列，但单面反射镜的面积增大为3.4平方米左右。

图：eSolar公司设计的定日镜

另外一些企业也开发了不同的定日镜设计，如模块化塔式光热发电技术公司eSolar的定日镜大小仅仅1.1平方米左右，中控太阳能公司设计的定日镜规格大小仅2平方米。

大小定日镜孰优孰劣？

定日镜的设计历经多年变迁，大小从1平方米到100多平方米不一，业内对定日镜的大小问题一直以来存在不少争论，但直到今天，仍没有人能百分百地确定大定日镜更好还是小定日镜更优。这主要是因为这很可能是一个没有标准答案的问题，塔式光热电站的系统性很强，定日镜的设计要根据项目地的实际环境和项目设计要求，依托整体系统进行设计，一切应以最小化电站投资成本和度电成本为准则。

上海晶电新能源有限公司总经理陈煜达在接受CSPPLAZA记者采访时表示，对于定日镜的尺寸，不能武断的说大的好还是小的好。大定日镜和小定日镜各有利弊。他从以下几个方面详尽地解释了大定日镜和小定日镜的区别。

第一，就定日镜本身的生产制造来看，塔式定日镜由于焦距都很远，对精度要求较高，一般都要求控制在0.1毫弧度~2毫弧度之间。因此，大定日镜的研发难度要高些，因为镜

子越大，要做到毫弧度级别的精度就越困难。在实际项目中，大定日镜往往用在大塔项目中，对精度的要求会很高。而小定日镜在设计和制造方面的难度要大大降低。

第二，从定日镜的驱动控制角度来看，小定日镜意味着有更多的控制节点，也意味着需要更多的电机和电气控制系统，更多的电气控制意味着更多的线缆和更加复杂的网络。比如，eSolar的一个5MW的塔式系统需要4万多个控制节点，必须分层控制，更多的节点就会带来更多的网络问题，大定日镜相对要好些。总的来看，小定日镜的最大难点是控制节点网络的设计，以及在控制网络中对控制信息的处理方面难度较大。

工程实践中，小定日镜用于小塔不需要实时追日，可以较长时间间隔性追日；而大定日镜基本用在大塔上，要求实时或者秒级的追日间隔。如果同一个子网拥有同样多的镜子，那么大定日镜系统的追日命令将是小定日镜系统的几倍~几十倍。网络稳定和防拥塞问题会是一个比较棘手的问题，在实际操作中不能寄希望于把追日计算放到定日镜控制器上。（在零下20摄氏度~零上80度的温度区间，在需要防尘、防水、防盐碱的条件下，符合经济性的计算机都是不可能做到的。）

第三，对于定日镜的安装与调试问题。小定日镜的安装调试更加简便，而大定日镜要相对复杂很多。小定日镜依靠人力和一台小铲车就可以安装，而大定日镜则可能需要40吨的汽吊，这就涉及到大量的机施费用。大定日镜对地桩的要求较高，需要打5~8米深的地基，浇筑钢筋混凝土桩基，小定日镜采用光伏发电类似的细桩即可，甚至于eSolar的小定日镜都不需桩基，直接采用浮地设计。另外，无论哪种定日镜在安装中都需进行调试。大定日镜数量少，可以采用人工方式调试，而小定日镜如果没有很好的自动校正补偿机制，基本没有可能进入到工程化阶段。

第四，从土地利用率的角度来看，同等装机下，大定日镜的土地利用率要小于小定日镜。理想的定日镜设计应是宽度大于高度，呈扁长型。

第五，从吸热器的角度考虑，小塔的吸热器吸热面较小，考虑到光斑大小，必须采用小定日镜，大塔的吸热器吸热面较大，只要解决吸热器局部过热的问题，大小定日镜都可以使用。我们可以由此引申来探讨一下采用大塔还是小塔的问题。从热工角度看，大塔比小塔更合理，比如只有一个吸热节点，热工管道短，没有多个小塔的热平衡和调配问题。但是大塔一般在120米以上，镜场半径可能超过1公里，而超过750米的定日镜的光学效率就非常非常低了，可能太阳的盘角造成的光斑就远大于吸热器的截面积，并且余弦效率等关键指标都会较低。同时，塔越高，越接近内圈的定日镜光斑就越不容易控制，而理论情况是靠近内圈的定日镜由于焦距短，应该是最容易控制的。

陈煜达最后表示，直接比较大定日镜和小定日镜的优劣可能并不合理，必须纳入到系统中去，从造价、工程、运维等多个方面进行比较。最关键的还是要看LCOE。他同时呼吁，虽然塔式技术目前的应用还少，但塔式是方向，也更适合我国的情况。国内厂商特别是机械制造厂商、电气控制厂商等应合作起来共同推动适合我国实际电站开发环境的定日镜技术的研发。我们应当学习槽式集热器技术发展初期的经验，多个厂商发挥各自特长，进行联合开发，确定2~3个形制，不要搞百花齐放，先整合出几个完整的方案和产品链条来，才能使塔式定日镜技术尽快实现产业化。