可自動校準定日鏡系統(tǒng)研究

太陽的光線出現在生活中的每一個地方，人們的生活已經離不開太陽，太陽能不僅為植物生長提供光源，而且也能為人類提供能源，現在的光伏發(fā)電就是很大程度上利用了太陽能。在塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)中，占整體造價約50%的定日鏡系統(tǒng)如果不能精確對準則會嚴重影響電站性能。對于大型塔式光熱電站來說，由于定日鏡與吸熱塔間距較遠，其校準問題則顯得更加重要。

以美國知名光熱電站、裝機377MW的Ivanpah塔式電站為例，自2014年投運以來，由于污垢和風暴引發(fā)的定日鏡聚焦問題導致該電站在投運前兩年沒有達到發(fā)電目標。2016年，因為定日鏡聚焦失誤甚至曾引起一座吸熱塔發(fā)生火災，并嚴重影響該電站當月發(fā)電量。

為了解決定日鏡聚焦問題，來自歐洲和美國的一些海外相關研發(fā)團隊正在通過使用最新的攝像機和自動化技術與產品來開發(fā)可自動校準的定日鏡系統(tǒng)，部分產品有望在一年內實現商業(yè)化應用。

相關科研人員表示，采用自動校準定日鏡系統(tǒng)將可以帶來多重好處，可以有效降低光熱發(fā)電成本、縮短鏡場施工周期并擴大選址范圍。

1 有效降低光熱系統(tǒng)成本

據悉，耗費220萬美元、由西班牙Tewer Ingenieria主導的歐洲PHOTON項目目前已成功將自我校準技術集成到一個新的定日鏡設計中。

Tewer和ACCIONA Industrial、Aalborg CSP和現代電子技術公司等合作伙伴聯(lián)合開發(fā)了一種定日鏡復合材料，該復合材料包含一種彎曲的球形玻璃泡沫夾層，該夾層可有效緩解阻塞問題和溫度引起的校對失準問題。

與目前定日鏡系統(tǒng)可達到2mrad偏差的較先進水平相比，Tewer等研發(fā)的定日鏡系統(tǒng)實現了0.6mrad偏差。同時，研發(fā)團隊還將該技術與由光伏電池供電的自主無線通信系統(tǒng)相結合，可實現自我校準功能。

Tewer項目工程師Jose M.Blazquez-Serrano表示，定日鏡可以通過內置傳感器來記錄其跟蹤太陽的合適運動軌跡，同時因采用光伏供電，該系統(tǒng)去掉了定日鏡區(qū)域大量基礎制作、溝渠挖掘和線纜布置工作，大大降低了系統(tǒng)成本。

Jose M.Blazquez-Serrano補充道，根據建模數據，ACWA電力公司在南非開發(fā)的裝機100MW的Redstone項目若采用該技術，定日鏡系統(tǒng)可減少29.7%資本支出，減少8.8%運營支出，整體LCOE(平準化度電成本)可減少11.9%。

2 可配套較低成本的定日鏡產品

同時，西班牙集團CENER和IK4-TEKNIKER則聯(lián)合開發(fā)了一種可擴展的定日鏡校準系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在“不到一小時”內識別聚焦偏差并重新校準。

該系統(tǒng)將攝像機連接在一個低成本的定日鏡上，并指向幾個放置在已知位置的目標，使攝像機能夠比較實際位置和預期位置。這個過程在幾個位置重復，以產生數據，使定日鏡能夠修改跟蹤命令。該程序可以自動化，因此不需要人工交互。

據了解，采用自動校準方案后，系統(tǒng)可降低對定日鏡產品的要求，以便開發(fā)商采購相比目前成本更低的定日鏡產品，因此將大大節(jié)約費用。

據IK4-TEKNIKER方面介紹，經測試該校準系統(tǒng)精度可實現優(yōu)于0.25mrad，加上所需硬件最終造價將低于目前同類產品。目前該系統(tǒng)已經在幾個定日鏡上得到了驗證，相關合作伙伴希望與供應商合作，進一步開發(fā)出商業(yè)化和集成化的解決方案。

無獨有偶，在比爾·蓋茨的支持下，來自美國的初創(chuàng)公司Heliogen也成功開發(fā)出一種基于“閉環(huán)”算法的自動定日鏡校準系統(tǒng)，即使配套低成本的定日鏡系統(tǒng)，也可以使系統(tǒng)整體性能達到最優(yōu)。

據介紹，該技術使用攝像機和先進的計算機視覺軟件，以更精確地校準定日鏡，提高聚光效率。測試表明，定日精度提升后可以實現1000℃以上的系統(tǒng)溫度。

Heliogen公司業(yè)務開發(fā)和產品副總裁Fatimah Bello表示：“因為閉環(huán)控制器可以校正開環(huán)控制器難以或不可能校正的非線性和其他制造缺陷，我們可以通過一個相對低成本的驅動系統(tǒng)實現高跟蹤精度?！?

3 大大縮短建設周期

智能的自我校準技術可以通過同時校準大批定日鏡來實現大幅縮短鏡場建設周期并降低建設成本的目標。

Fatimah Bello表示，我們的系統(tǒng)消除了定日鏡場的長期校準過程——啟動和運行定日鏡場僅需要幾個小時到幾天，而非幾個月。

此外，自動校準解決方案還使定日鏡安裝速度更快，安裝成本也大幅降低。在土建工程要求較大，勞動力價格較高的的地區(qū)效益則更加明顯。目前太陽能還未能更好被人類利用，需要科研人員不斷努力，研究出更高效地產品，這樣才能保證我們人類的能源夠人類發(fā)展所需。