可自动校准定日镜系统研究

太阳的光线出现在生活中的每一个地方，人们的生活已经离不开太阳，太阳能不仅为植物生长提供光源，而且也能为人类提供能源，现在的光伏发电就是很大程度上利用了太阳能。在塔式光热发电系统中，占整体造价约50%的定日镜系统如果不能精确对准则会严重影响电站性能。对于大型塔式光热电站来说，由于定日镜与吸热塔间距较远，其校准问题则显得更加重要。

以美国知名光热电站、装机377MW的Ivanpah塔式电站为例，自2014年投运以来，由于污垢和风暴引发的定日镜聚焦问题导致该电站在投运前两年没有达到发电目标。2016年，因为定日镜聚焦失误甚至曾引起一座吸热塔发生火灾，并严重影响该电站当月发电量。

为了解决定日镜聚焦问题，来自欧洲和美国的一些海外相关研发团队正在通过使用最新的摄像机和自动化技术与产品来开发可自动校准的定日镜系统，部分产品有望在一年内实现商业化应用。

相关科研人员表示，采用自动校准定日镜系统将可以带来多重好处，可以有效降低光热发电成本、缩短镜场施工周期并扩大选址范围。

1 有效降低光热系统成本

据悉，耗费220万美元、由西班牙Tewer Ingenieria主导的欧洲PHOTON项目目前已成功将自我校准技术集成到一个新的定日镜设计中。

Tewer和ACCIONA Industrial、Aalborg CSP和现代电子技术公司等合作伙伴联合开发了一种定日镜复合材料，该复合材料包含一种弯曲的球形玻璃泡沫夹层，该夹层可有效缓解阻塞问题和温度引起的校对失准问题。

与目前定日镜系统可达到2mrad偏差的较先进水平相比，Tewer等研发的定日镜系统实现了0.6mrad偏差。同时，研发团队还将该技术与由光伏电池供电的自主无线通信系统相结合，可实现自我校准功能。

Tewer项目工程师Jose M.Blazquez-Serrano表示，定日镜可以通过内置传感器来记录其跟踪太阳的合适运动轨迹，同时因采用光伏供电，该系统去掉了定日镜区域大量基础制作、沟渠挖掘和线缆布置工作，大大降低了系统成本。

Jose M.Blazquez-Serrano补充道，根据建模数据，ACWA电力公司在南非开发的装机100MW的Redstone项目若采用该技术，定日镜系统可减少29.7%资本支出，减少8.8%运营支出，整体LCOE(平准化度电成本)可减少11.9%。

2 可配套较低成本的定日镜产品

同时，西班牙集团CENER和IK4-TEKNIKER则联合开发了一种可扩展的定日镜校准系统，该系统可在“不到一小时”内识别聚焦偏差并重新校准。

该系统将摄像机连接在一个低成本的定日镜上，并指向几个放置在已知位置的目标，使摄像机能够比较实际位置和预期位置。这个过程在几个位置重复，以产生数据，使定日镜能够修改跟踪命令。该程序可以自动化，因此不需要人工交互。

据了解，采用自动校准方案后，系统可降低对定日镜产品的要求，以便开发商采购相比目前成本更低的定日镜产品，因此将大大节约费用。

据IK4-TEKNIKER方面介绍，经测试该校准系统精度可实现优于0.25mrad，加上所需硬件最终造价将低于目前同类产品。目前该系统已经在几个定日镜上得到了验证，相关合作伙伴希望与供应商合作，进一步开发出商业化和集成化的解决方案。

无独有偶，在比尔·盖茨的支持下，来自美国的初创公司Heliogen也成功开发出一种基于“闭环”算法的自动定日镜校准系统，即使配套低成本的定日镜系统，也可以使系统整体性能达到最优。

据介绍，该技术使用摄像机和先进的计算机视觉软件，以更精确地校准定日镜，提高聚光效率。测试表明，定日精度提升后可以实现1000℃以上的系统温度。

Heliogen公司业务开发和产品副总裁Fatimah Bello表示：“因为闭环控制器可以校正开环控制器难以或不可能校正的非线性和其他制造缺陷，我们可以通过一个相对低成本的驱动系统实现高跟踪精度。”

3 大大缩短建设周期

智能的自我校准技术可以通过同时校准大批定日镜来实现大幅缩短镜场建设周期并降低建设成本的目标。

Fatimah Bello表示，我们的系统消除了定日镜场的长期校准过程——启动和运行定日镜场仅需要几个小时到几天，而非几个月。

此外，自动校准解决方案还使定日镜安装速度更快，安装成本也大幅降低。在土建工程要求较大，劳动力价格较高的的地区效益则更加明显。目前太阳能还未能更好被人类利用，需要科研人员不断努力，研究出更高效地产品，这样才能保证我们人类的能源够人类发展所需。