关于双塔式聚光镜场性能优化的研究及其与单塔式聚光镜场的比较

《Renewable Energy》：Research on performance optimization of dual-tower heliostat field and comparison with single-tower heliostat field

双塔 heliostat 场通过优化塔间距和高度使年加权光学效率达54.88%，显著高于单塔场13.26%。研究采用智能算法生成双塔场布局，保持heliostat数量不变以维持100MW热电联产能力，并对比单塔系统效率差异。

　　随着全球对大规模太阳能热发电站需求的不断增加，开发具有更高热能收集能力和光学效率的反射镜场成为迫切需要。在这一背景下，双塔反射镜场因其在提升整体系统效率方面的潜力而受到关注。然而，目前关于双塔反射镜场的研究仍较为有限，尚未形成系统性的分析与优化方法。本文通过构建一个能够驱动100 MW额定功率输出、太阳倍数为2的双塔反射镜场，并提出一种新的优化策略，旨在提升其整体性能。通过对反射镜场布局和塔高进行优化，研究获得了54.88%的最优年加权光学效率。研究发现，在相同数量的反射镜条件下，双塔反射镜场的效率最高时，其左右部分呈现出相切状态。此外，通过与单塔反射镜场的对比分析，研究发现双塔反射镜场的效率比单塔反射镜场高出13.26%。这一结果为双塔反射镜场的设计和优化提供了重要的参考依据。

太阳能作为一种可再生的清洁能源，已经成为人类文明发展过程中不可或缺的一部分。其在污染控制方面的作用已被广泛认可，太阳能的利用不仅有助于减少化石燃料的消耗，还能有效降低温室气体的排放，从而在环境保护和能源可持续性方面发挥重要作用。在众多利用太阳能的技术中，集中式太阳能发电（CSP）因其高效性而备受青睐。CSP系统通过大量反射镜将太阳光集中到一个焦点，从而产生高温，这些高温可以用来驱动蒸汽涡轮机发电。目前，世界上已有多个商业化运行的CSP电站，例如位于中国、摩洛哥和南非的项目，这些电站的建设表明了集中式太阳能发电技术的成熟度和应用前景。然而，CSP系统的建设成本较高，其中反射镜场的投入占到了总成本的40%以上，因此如何优化反射镜场的布局和设计，以提高其效率，是确保整个电站可持续运行的关键。

反射镜场的效率是衡量CSP系统性能的重要指标，其主要由四个部分组成：大气衰减效率、余弦效率、拦截效率以及阴影和遮挡效率。大气衰减效率指的是由于大气中的粒子和气体对太阳光的吸收和散射作用，导致反射镜无法完全收集到所需的能量。余弦效率则与反射镜的倾斜角度有关，当反射镜的法线方向与太阳光线的入射方向不一致时，就会产生余弦损失。拦截效率是指反射镜所反射的光线中，有多少能够被接收器有效捕获，而阴影和遮挡效率则是由于反射镜之间的遮挡效应导致的光能损失。为了提升反射镜场的整体效率，研究者们提出了多种优化方法，包括基于智能算法的无规律布局、不同的几何布局方式（如密集径向交错布局和费马螺旋布局），以及对拦截效率和阴影遮挡效率的模型研究。

在现有的研究中，大多数工作集中于单塔反射镜场的效率优化，而对双塔反射镜场的研究相对较少。一些研究尝试通过调整塔高和反射镜之间的间距来优化双塔反射镜场的性能，但这些研究往往忽略了反射镜数量的变化对效率的影响，导致无法准确判断效率提升是否源于塔间距的调整。此外，现有研究多以Gemasolar电站为参考模型，所构建的反射镜场规模较小，难以充分展现双塔设计在大规模太阳能发电中的优势。因此，本文的研究具有重要的现实意义，旨在通过系统性的优化方法，揭示双塔反射镜场在不同参数调整下的性能变化规律，并与单塔反射镜场进行对比分析，从而为未来大规模太阳能热发电项目的布局设计提供科学依据。

本文的研究基于中国青海省德尔格朗（Delingha）地区的实际地理条件和太阳辐射数据。该地区以其丰富的太阳能资源而著称，年均日照时间超过3500小时，年平均总太阳辐射量在6600至7000之间。这些优越的自然条件使得德尔格朗成为建设大规模太阳能热发电站的理想地点。研究采用了一种新的优化方法，通过调整双塔之间的间距和塔高，构建了一个具有最优效率的反射镜场布局。该方法不仅考虑了反射镜的指向优化，还对不同时间点的太阳辐射变化进行了模拟，以评估反射镜场在不同光照条件下的性能表现。通过这种方式，研究能够更全面地分析反射镜场的效率变化，为实际工程应用提供更加精准的参考。

在优化过程中，研究采用了两种不同的布局模式：一种是基于径向交错排列的单塔反射镜场，另一种是双塔反射镜场。径向交错排列是一种常见的反射镜场布局方式，其特点是将反射镜按照不同的半径和角度进行分布，以提高对太阳光的收集能力。在构建双塔反射镜场时，研究考虑了两种塔的相对位置和高度，以及反射镜的指向调整。通过调整这些参数，研究发现当双塔之间的间距适当增加时，反射镜场的效率得到了显著提升。此外，研究还发现当双塔的布局使得其左右部分相切时，整体效率达到最优。这一发现表明，反射镜场的布局优化不仅需要考虑反射镜的分布方式，还需要关注塔与塔之间的相对位置关系。

为了验证双塔反射镜场的效率优势，研究还构建了一个与Gemasolar电站具有相同反射镜数量的单塔反射镜场，并对其效率进行了计算和分析。结果表明，双塔反射镜场的效率比单塔反射镜场高出13.26%。这一结果不仅证实了双塔设计在提升反射镜场效率方面的有效性，还为未来大规模太阳能热发电项目提供了重要的设计思路。此外，研究还通过可视化手段展示了双塔反射镜场中反射镜的选择和效率分布情况，使得优化结果更加直观和易于理解。

本文的研究方法具有一定的创新性。首先，它引入了一种新的布局优化策略，通过调整反射镜场的布局方式和塔高，实现了更高的光学效率。其次，研究不仅关注反射镜场的年效率，还分析了不同时间点的效率变化，这有助于更全面地了解反射镜场在不同光照条件下的性能表现。最后，研究通过对比分析，验证了双塔反射镜场在提升效率方面的优势，并为未来的研究提供了新的方向。这些研究结果不仅对太阳能热发电技术的发展具有重要意义，还可能为其他类型的太阳能系统提供借鉴。

在实际应用中，反射镜场的优化设计需要综合考虑多种因素，包括地理位置、太阳辐射强度、反射镜的数量和布局方式，以及塔的高度和位置。此外，还需要考虑到不同时间段太阳辐射的变化，以及反射镜之间的相互遮挡效应。因此，本文的研究方法具有较强的实用性，能够为实际工程设计提供科学依据。通过构建一个具有最优效率的双塔反射镜场，研究不仅验证了双塔设计的优越性，还为未来大规模太阳能热发电项目的布局优化提供了新的思路。

在优化过程中，研究还发现，反射镜场的效率不仅与布局方式和塔高有关，还受到其他因素的影响，例如反射镜的指向调整和接收器的接收角度。因此，在实际设计中，需要综合考虑这些因素，以实现最佳的光学效率。此外，研究还发现，当反射镜的数量保持不变时，双塔反射镜场的效率提升主要来自于塔间距的调整，这表明在优化过程中，合理控制塔间距是一个关键因素。通过这种方式，研究不仅揭示了双塔反射镜场的效率变化规律，还为实际工程中如何优化反射镜场提供了重要的参考。

总的来说，本文的研究成果对于推动太阳能热发电技术的发展具有重要意义。通过构建一个能够驱动100 MW额定功率输出的双塔反射镜场，并提出了一种新的优化策略，研究不仅提升了反射镜场的效率，还为未来的大规模太阳能热发电项目提供了科学依据。同时，研究还通过对比分析，验证了双塔设计在提升效率方面的优势，并为其他类型的太阳能系统提供了新的思路。这些研究结果不仅有助于提高太阳能热发电系统的经济性和可持续性，还可能为其他清洁能源技术的发展提供借鉴。