可自動校準(zhǔn)定日鏡系統(tǒng)研究

太陽的光線出現(xiàn)在生活中的每一個地方，人們的生活已經(jīng)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(xiàn)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(zhǔn)則會嚴(yán)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(yuǎn)，其校準(zhǔn)問題則顯得更加重要。

以美國知名光熱電站、裝機(jī)377MW的Ivanpah塔式電站為例，自2014年投運(yùn)以來，由于污垢和風(fēng)暴引發(fā)的定日鏡聚焦問題導(dǎo)致該電站在投運(yùn)前兩年沒有達(dá)到發(fā)電目標(biāo)。2016年，因?yàn)槎ㄈ甄R聚焦失誤甚至曾引起一座吸熱塔發(fā)生火災(zāi)，并嚴(yán)重影響該電站當(dāng)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(guān)研發(fā)團(tuán)隊正在通過使用最新的攝像機(jī)和自動化技術(shù)與產(chǎn)品來開發(fā)可自動校準(zhǔn)的定日鏡系統(tǒng)，部分產(chǎn)品有望在一年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

相關(guān)科研人員表示，采用自動校準(zhǔn)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(kuò)大選址范圍。

1 有效降低光熱系統(tǒng)成本

據(jù)悉，耗費(fèi)220萬美元、由西班牙Tewer Ingenieria主導(dǎo)的歐洲PHOTON項目目前已成功將自我校準(zhǔn)技術(shù)集成到一個新的定日鏡設(shè)計中。

Tewer和ACCIONA Industrial、Aalborg CSP和現(xiàn)代電子技術(shù)公司等合作伙伴聯(lián)合開發(fā)了一種定日鏡復(fù)合材料，該復(fù)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(zhǔn)問題。

與目前定日鏡系統(tǒng)可達(dá)到2mrad偏差的較先進(jìn)水平相比，Tewer等研發(fā)的定日鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了0.6mrad偏差。同時，研發(fā)團(tuán)隊還將該技術(shù)與由光伏電池供電的自主無線通信系統(tǒng)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)自我校準(zhǔn)功能。

Tewer項目工程師Jose M.Blazquez-Serrano表示，定日鏡可以通過內(nèi)置傳感器來記錄其跟蹤太陽的合適運(yùn)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(chǔ)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(bǔ)充道，根據(jù)建模數(shù)據(jù)，ACWA電力公司在南非開發(fā)的裝機(jī)100MW的Redstone項目若采用該技術(shù)，定日鏡系統(tǒng)可減少29.7%資本支出，減少8.8%運(yùn)營支出，整體LCOE(平準(zhǔn)化度電成本)可減少11.9%。

2 可配套較低成本的定日鏡產(chǎn)品

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

該系統(tǒng)將攝像機(jī)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(biāo)，使攝像機(jī)能夠比較實(shí)際位置和預(yù)期位置。這個過程在幾個位置重復(fù)，以產(chǎn)生數(shù)據(jù)，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(jù)了解，采用自動校準(zhǔn)方案后，系統(tǒng)可降低對定日鏡產(chǎn)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(chǎn)品，因此將大大節(jié)約費(fèi)用。

據(jù)IK4-TEKNIKER方面介紹，經(jīng)測試該校準(zhǔn)系統(tǒng)精度可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.25mrad，加上所需硬件最終造價將低于目前同類產(chǎn)品。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在幾個定日鏡上得到了驗(yàn)證，相關(guān)合作伙伴希望與供應(yīng)商合作，進(jìn)一步開發(fā)出商業(yè)化和集成化的解決方案。

無獨(dú)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(zhǔn)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(dá)到最優(yōu)。

據(jù)介紹，該技術(shù)使用攝像機(jī)和先進(jìn)的計算機(jī)視覺軟件，以更精確地校準(zhǔn)定日鏡，提高聚光效率。測試表明，定日精度提升后可以實(shí)現(xiàn)1000℃以上的系統(tǒng)溫度。

Heliogen公司業(yè)務(wù)開發(fā)和產(chǎn)品副總裁Fatimah Bello表示：“因?yàn)殚]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(qū)動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高跟蹤精度?！?

3 大大縮短建設(shè)周期

智能的自我校準(zhǔn)技術(shù)可以通過同時校準(zhǔn)大批定日鏡來實(shí)現(xiàn)大幅縮短鏡場建設(shè)周期并降低建設(shè)成本的目標(biāo)。

Fatimah Bello表示，我們的系統(tǒng)消除了定日鏡場的長期校準(zhǔn)過程——啟動和運(yùn)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(zhǔn)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(chǎn)品，這樣才能保證我們?nèi)祟惖哪茉磯蛉祟惏l(fā)展所需。