双塔和三塔定日镜场的设计与性能优化

《Renewable Energy》：Design and performance optimization of dual-tower and triple-tower heliostat fields

　　

随着太阳能塔式系统（solar tower system）持续向更大规模发展，有必要配置具有更高集热能力的双塔和三塔场。研究人员设计并优化了双塔和三塔定日镜场（heliostat field）的性能。采用两种场布置策略来改变塔间距，结果表明当两个子场处于近似相切状态时，定日镜场效率最高。研究了定日镜接收器选择策略对场性能的影响，发现适当的接收器选择策略提高了子场连接区域的效率。通过将双塔场以30°为增量旋转，获得了六种不同的布置方式，并比较计算了每种配置的效率。发现当两塔呈东西走向时效率最高。提出了三种三塔定日镜场类型：顺序型（sequential type）、金字塔型（pyramid type）和钻石型（diamond type）。结果表明金字塔型场具有优越的效率。

随着全球能源需求持续增长和温室气体减排压力加大，可再生能源的大规模利用成为关键。太阳能塔式系统（solar power tower, SPT）因其可控输出功率和参与调峰能力，被视为扩展可再生能源规模的重要选项。定日镜场占SPT系统资本支出的30%至50%，其合理设计对降低成本至关重要。现有研究主要聚焦单塔定日镜场，对双塔和三塔场的研究相对有限：部分研究塔高变化范围窄、未考虑定日镜数量调整或模型简化忽略相互遮挡，且多数参照Gemasolar电厂规模，未能反映大规模多塔场的性能特征。因此，研究人员针对双塔和三塔定日镜场开展设计与性能优化，以提升大规模SPT系统的集热能力。论文发表在《Renewable Energy》。

研究人员为开展研究，主要采用了以下关键技术方法：以Gemasolar电厂为参考设计参数，采用径向交错布局（radial staggered layout）构建定日镜场；建立光学效率模型，包括余弦效率（η_cos）、大气衰减效率（η_atm）、阴影遮挡效率（η_s&b）和截断效率（η_int），通过计算每个定日镜的效率和场总效率评估性能；提出两种场布置策略调节子场间距，定义基于效率和距离的接收器选择原则；通过以30°为增量旋转双塔场分析布局影响；基于最优双塔布局提出顺序型、金字塔型和钻石型三种三塔场，并比较不同塔高下的效率。

研究结果如下：

**塔间距和接收器选择原则对场效率的影响**：研究人员构建双塔定日镜场，改变子场间距并分析两种场布置策略。结果表明，当两个子场处于近似相切（approximate tangency）状态时，定日镜场效率最高。通过比较不同的接收器选择策略，发现适当的接收器选择可提高子场连接区域的效率，优化了整体性能。

**双塔场旋转角度对效率的影响**：以两塔连线与东西方向夹角为零度（0°）为基准，将右侧子场逆时针以30°为增量旋转，获得0°、30°、60°、90°、120°和150°六种布置。以德令哈为分析地点，比较各配置效率，发现0°布置（东西走向）时效率最高。

**三种三塔场类型的效率与方向模式**：基于最优的0°双塔场，分别在所选位置添加一个相同规模的子场，提出顺序型（sequential type）、金字塔型（pyramid type）和钻石型（diamond type）三种三塔定日镜场。顺序型遵循0°布置设计原则，各子场塔连线呈东西走向；金字塔型和钻石型则设计为聚合于中心塔。在不同塔高下比较三种场效率，发现金字塔型场具有优越的效率。同时，研究定日镜方向在全天的变化模式。

研究结论部分：这项研究分析了双塔定日镜场在不同布置下的效率，确定了最高效的双塔场布置，并基于此提出了三种三塔定日镜场类型：顺序型、金字塔型和钻石型。比较了这三种三塔场在不同塔高下的效率，并研究了定日镜方向在全天的变化。主要结论如下：双塔场中两子场近似相切时效率最高；合适的接收器选择策略提升连接区域效率；双塔场东西走向（0°布置）时效率最优；在三塔场中，金字塔型场效率最高。这些发现为大规模太阳能塔式系统多塔定日镜场的设计和性能优化提供了重要参考。