目前，随着全球能源需求的不断增长，众多国家正致力于推动能源事业绿色转型，大力发展环境友好型、低碳排放的清洁能源，主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能和核能等[1]。中国“十四五”规划也明确提出，要推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系[2]。太阳能因其取之不尽、用之不竭的特点成为研究热点，利用太阳能发电的技术主要包括光伏发电和太阳能热发电两大类型。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种无污染的发电技术；太阳能热发电则是利用太阳能集热器从太阳光中吸收热量，并将热能传递给工作介质来驱动热机做功，从而实现发电的绿色技术[3-4]。

相比于光伏发电，太阳能热发电得益于热能的易存储性，具有更强的调峰、调度及储能能力，即使在夜晚和阴雨天气时也能通过热转换实现发电。太阳能热发电技术可分为4种形式，分别为：塔式、蝶式、槽式和菲尼尔式。其中，塔式和槽式更适合大规模集中式发电，尤其是塔式技术，因其具有高聚光比、高热点转换效率的优势，特别适合在中国西北地区应用[5-6]。

Xu等[7]通过平准化度电成本(LCOE)模型分析,认为塔式太阳能热发电在成本上最具优势，但该行业还是因建设成本较高，产业规模化效应尚未释放，导致技术及市场的快速发展受到阻碍。为降低建设成本，塔式太阳能热发电未来发展和优化的方向主要为定日镜的制造和安装集约化、标准化，以及稳定可靠的定日镜无线控制系统两个方面。

因塔式太阳能热发电站中定日镜数量庞大，通常以万为单位计量，且现有此类电站主要依赖埋于地下的有线线缆实现供电与通信，但线缆敷设施工和维护成本较高。因此，研究人员开始研发太阳能热发电定日镜无线控制自持系统。此技术研究在国外起步较早，概念最早可追溯于1995年，由西班牙的阿尔梅里亚太阳能研究平台(Plataforma Solar de Almería,PSA)首次提出，并在国际能源署太阳能热发电和热化学组织任务(IEA-SolarPACES Tasks)会议上首次详细介绍了此技术。1999年，西班牙CIEMAT公司在PSA建成了首个完全自持的定日镜控制系统，并在2004年开发、安装和测试了首个使用无线控制和光伏组件自供电的定日镜试验场[8]。2016年，以色列Megalim太阳能发电公司承建的全球首个实现无线通信和控制的太阳能热发电站——以色列Ashalim塔式太阳能热发电电站正式投运[9]。尽管这些早期的尝试为定日镜无线控制自持系统的发展奠定了基础，但因控制系统整体性较强，受较多因素制约，再加上缺少无线控制系统的研究方法，此技术国内外目前未有突破性进展，并且中国至今无商用落地项目。

基于此，根据未来发展优化的方向，本文针对国内外塔式太阳能热发电站的定日镜无线控制自持系统，从无线控制系统和自持系统供电方式两方面的研究进展进行综述，并对其不同供电方式进行阐述。

1、定日镜无线控制系统的研究进展

在塔式太阳能热发电系统中，定日镜无线控制系统的安全性和可靠性主要是需首要考虑的因素。安全性主要为不受外部网络攻击；可靠性主要包括低延时、低丢包率等，特别是在集热塔预热阶段、集热塔热量超出设计需求、镜场的天气为阴天或存在云遮挡时，都需要快速调节镜场的定日镜状态来满足集热塔的能量要求，因此若无线控制系统的可靠性不足，将造成严重后果。

Pfahl等[10]基于塔式太阳能热发电站定日镜无线控制自持系统的可靠性和经济性提出了几点建议：1)为防止数据干扰，将定日镜场的无线控制系统分为几个子网，通过选择不同的无线信道来防止子网之间相互干扰。2)为减少数据传输负担，将控制逻辑的主要部分从中央控制转移到定日镜自身控制，比如：结合适当的太阳位置算法和精确的实时时钟，定日镜可以在没有外部干预的情况下自主跟踪太阳。3)不同数据类型具备不同的延时性。4)增设第2无线信道来广播紧急信号。

目前，市场上的无线通信技术主要有：LoRa、NB-IoT、ZigBee、低功耗蓝牙、射频、5G、Wi-Fi及其变体等。因太阳能热发电站多建于太阳辐射条件优越的沙漠、戈壁及无人区，网络建设极为匮乏，因此相比于有线方式，5G技术没有成本优势，其在太阳能热发电中的应用面临着局限和挑战。应用于塔式太阳能热发电中的无线通信技术主要为：ZigBee、射频、蓝牙、Wi-Fi等，其性能对比及涉及的文献如表1所示。

Pfah l等[10]将每面定日镜配备2.4 GHz的采用IEEE 802.15.4《IEEE standard for lowrate wireless networks》标准传输的低成本收发器，收发器内含AES-128硬件安全模块进行数据报文认证，数据传输通过收发器建立网状网络多跃点转发直接到达被控设备。该试验由于传输功率低，可降低收发器的硬件价格。Kubisch等[11]通过小规模部署100个通信设备，基于IEEE 802.15.4标准，采用载波感知多址(CSMA)方案验证了无线网状网络结构的可行性和工业能力。Younis等[12]提出了一种基于ZigBee协议的无线传感器网络的定日镜控制系统，该系统通过无线传感器网络将电荷耦合器件(CCD)摄像机跟踪到的太阳3D运动信息传输至各定日镜，为定日镜的运动轨迹提供参考。刘琨等[13]利用ZigBee技术，每间隔1 min将上位机存储器中的太阳高度角和方位角发给定日镜微控制器，驱动电机根据控制指令调整定日镜姿态。Malan等[17]采用MRF24J40射频通信模块实现了定日镜局部控制器与集群控制器之间的无线通信。Mabusela等[18]采用了无线传感器，通过射频无线广播形式传输太阳方位角、仰角、风速等信息至各定日镜。宋丽娜[19]在针对定日镜的光伏发电系统的增效研究中，采用射频技术作为定日镜和监控终端的通信技术，并采用通用分组无线服务(GPRS)连接监控终端和服务器之间。魏骁[20]基于STM32微控制器中HC-05蓝牙模块的下位机与上位机，实现了无线通信。Liebenberg等[21]提出在模块化定日镜场中采用Wi-Fi 6(802.11ax)标准及星型拓扑结构来构建无线网络，可在密集的网络环境中进行大数据量传输。沈健轩[22]基于E22-400T22S Lo Ra模块实现了定日镜场的数据收发。

表1 塔式太阳能热发电的主流无线通信技术比较

从成本、安全性、传输距离的角度出发，目前最适用于太阳能热发电的无线通信技术为ZigBee和射频方式，ZigBee技术的传输速率约为100 kb/s，对于单个定日镜的数据收发已完全足够。但对于整个镜场的数据量，还需选择合适的网络拓扑结构，以实现数据及指令的及时、可靠收发。不同无线网络拓扑结构的对比及涉及文献如表2所示。

表2 不同无线网络拓扑结构的对比

目前，针对塔式太阳能热发电站中定日镜场无线网络拓扑结构的选择，国内研究者持有不同的观点。叶攀等[14]提出了一种多信道的主从树状无线通信方法，不仅扩展了传统树状网络的规模，而且不需要对原有ZigBee协议的帧结构做任何更改，保证了与原协议的兼容。李明宇[15]提出，具有动态自组织网特性和极强自愈能力的网状网络结构更适合定日镜场无线网络通信的需求；同时，其提出了结合ZigBee无线传感网络的镜场网络结构，是由光纤环网、工业以太网和控制器局域网络(CAN)构成的有线3层冗余网络，并在甘肃省酒泉市东方电气集团东方锅炉股份有限公司的实验基地中小规模投入使用。聂文[16]通过OPNET仿真对网状拓扑结构进行了评估，仿真中各节点访问控制(MAC)层采用IEEE 802.15.4标准，在最大子节点数100、最大路由数20、最大网络深度5的条件下进行，结果显示：网络稳定后数据时延维持在0.01～0.02 s，各节点延迟为毫秒级。王明达[23]提出，相比于WirelessHART标准和网状网络拓扑结构，ISA100.11a标准和星型网络拓扑结构更适合塔式太阳能热发电站，同时引入参数自调节模糊比例积分微分(PID)控制算法，以增强控制系统的鲁棒性。

由于试验条件限制，目前针对定日镜场无线网络拓扑结构的深入研究还较少，且多为单一网络拓扑结构，结合定日镜场网络的复杂性，实际应用中还需充分考虑混合网络拓扑结构。

2、定日镜自持系统的供电方式

目前，定日镜自持系统的供电方式主要为利用光伏组件结合储能系统的方式。

2.1 光伏组件的安装

由于塔式太阳能热发电站的系统性强，且不同项目的实际工况有所差异，所以定日镜镜面的尺寸和光伏组件的尺寸、安装位置没有统一标准。镜场的占地面积通常较大，因此位于镜场中心和边缘的定日镜在运动幅度上存在较大差别，需根据镜场具体情况进行分析。光伏组件的安装位置主要取决于其与定日镜的受光方向之间的关系，一般分为与定日镜受光方向一致和不一致两种情况，针对不同的光伏组件型号、规格、安装位置，不同学者提出了不同的安装方式，但多数研究仅理论可行，实际制作工艺和成本仍处于未知。

2.1.1 光伏组件与定日镜的受光方向一致

在光伏组件与定日镜受光方向一致的情况下，光伏组件在定日镜上的安装方式有：独立安装于定日镜正中间、附于定日镜边缘、独立安装于定日镜边缘，示意图如图1[24-26]所示。

图1 光伏组件与定日镜受光方向一致时的安装方式示意图[24-26]

此外，光伏组件还可在定日镜生产时直接嵌入定日镜结构内部，示意图如图2[27]所示。

图2 光伏组件嵌入定日镜结构内部的示意图[27]

当光伏组件与定日镜受光方向一致时，光伏组件的受光面积最大，此时供电储能端可获得较好的充电性能。但若采用在定日镜上额外增加光伏组件的方法，则需增大电机功率以驱动，且机械结构复杂化；若以光伏组件取代同样面积大小的反射镜，由于普通光伏组件缺少特殊设计，定日镜场采集的光能量会因单面定日镜直接反射面面积的减少而减少，从而需要增加定日镜的数量以满足集热塔的热量需求。相关研究[28]表明：在50 MW塔式太阳能热发电站中，若上网电价按照1.15元/kWh计算，反射率每减少1.5%，每年造成的额外经济损失约为363.9万元。另外，在塔式太阳能热发电利用的反射太阳光中，有约50%为光生伏特效应可利用的可见光(波段为380～780 nm)。有研究者提出了实现将大于特定波长的太阳光反射至集热器的相关措施，例如：李心等[29]提出在定日镜中嵌入薄膜光伏组件的方式(如图3所示)；倪行睿等[30]提出在光伏组件表面层采用分光式盖板玻璃，实现700～1100nm热射线波段的反射和400～700 nm可见光的透射。刘金生等[31]提出，根据定日镜场的能量调度需求，采用电致变色器件，实现反射波长大于调制波长的太阳光至集热塔，并透射波长小于调制波长的太阳光用于光伏发电；当光电调制波长段低于380 nm时，反射全部阳光至集热塔参与太阳能热发电，从而实现光伏发电与太阳能热发电的高度耦合。刘志娟等[32]提出反射面积可调的光伏发电-太阳能热发电耦合的定日镜，通过实时动态调节定日镜镜面的反射面积与柔性光伏组件反射面积的比例，实现满足不同阶段的镜场能量需求。此思路可快速高效的实现调度镜场能量的需求，提高太阳能热发电站的发电效率。

图3 定日镜内嵌薄膜光伏组件的结构示意图[29]

2.1.2 光伏组件与定日镜的受光方向不一致

在光伏组件与定日镜受光方向不一致的情况下，光伏组件有两种安装方式，分别为安装于定日镜背面或环绕定日镜立柱安装。1)光伏组件环绕定日镜立柱安装时，沿立柱轴线设置并围成棱柱结构，线缆位于立柱的内部，此安装方式可明显减少光伏组件对定日镜采光量的干扰，示意图如图4[33]所示；2)光伏组件安装于定日镜背面时，被前排定日镜遮挡的后排定日镜正面反射光用于光伏发电，示意图如图5[34]所示，此安装方式可有效减少定日镜场的遮挡效率损失，提升太阳能热发电站的发电效率。

图4 光伏组件环绕定日镜立柱安装示意图[33]

除了利用被遮挡的反射光用于光伏发电外，王东祥[35]、刘清源等[36]也提出在太阳辐射量不佳或过大时，将光伏组件安装于定日镜背面，控制定日镜的运动使光伏组件吸收太阳辐射进行光伏发电，避免此时塔式太阳能热发电站产生“弃光”。

图5 光伏组件安装于定日镜背面时的工作原理示意图[34]

2.2 储能电池选择

在塔式太阳能热发电站中，定日镜自持系统的供电方式采用储能电池时，储能电池的选择需综合考虑各项指标，包括运行安全可靠性、极端工作环境稳定供电、建设成本、未来的更换成本等。随着科技发展，市场上不断涌现出各类新型储能技术，但当前锂电池仍占据主导地位。截至2023年底，中国已建成投运的新型储能项目中，各类储能技术的占比如表3所示[37]。

表3 截至2023年底，中国已建成投运储能项目中各类储能技术的占比[37]

在各类电化学储能技术中，锂电池在储能密度、充放电效率、响应速度及循环次数等方面均具有较大优势，但其存在安全性及低温性能差等缺点，因此，设计高性能的低温电解液成为目前锂电池的重要研究方向之一[38-39]。液流电池具有安全性高、可靠性高、循坏寿命长、功率和容量配置灵活等优点，但其能量密度低、成本较高，且工作温度在0～45℃之间，不适用于极端工作环境[40]。铅碳电池作为新型储能电池，集合了铅酸电池和超级电容器特性，既具备超级电容瞬间大容量充电的优点，也具备铅酸电池的能量优势。与铅酸电池相比，铅碳电池显著提升了循环寿命及额定充放电倍率；与锂电池相比，铅碳电池成本低、安全性高、回收率高，但存在循坏寿命较短和能量密度较低的缺点[41-42]。

考虑到太阳能热发电站的建设位置多处于沙漠、戈壁滩等无人区，冬夏季的温差大，极端气温约为-35～40℃；再考虑到工作环境及项目的经济性，铅炭电池为目前最适合太阳能热发电站应用的储能电池类型。

2.3 储能电池使用寿命预测

在实际工况中，储能电池使用寿命不仅受内部因素影响(例如：内部物理化学变化、电池模块设计等)，也受外部因素影响(例如：天气、系统固有硬件参数等，如图6所示)。天气因素中的温度会直接影响储能电池容量和放电深度，其他天气因素会影响定日镜自持系统的光伏发电性能，风速大小会影响定日镜风载；而系统调令、系统固有硬件参数及定日镜风载会影响负载放电量(此负载相对于储能电池而言，指单台自供电系统内由储能电池提供电能的所有设备)。光伏发电量和负载所需放电量的大小决定储能电池的放电深度，若发电量大于放电量，则光伏组件所产生电能直接用于定日镜负载消耗；若发电量小于放电量，储能电池将参与放电。储能电池的容量、循环次数、放电深度均会影响其使用寿命。因镜场不同位置的定日镜所需电能不一样，因此，邱力文等[43]提出对蓄电池进行分级，选择不同规格的蓄电池投入使用，实现最优配置以降低塔式太阳能热发电站的建设、运行成本。

图6 塔式太阳能热发电中影响储能电池使用寿命的外部因素

由图6可以看出：定日镜场中设计储能电池需考虑的因素极为复杂，需通过长时间的实际工况试验和建模分析预测。目前，针对应用于塔式太阳能热发电的储能电池使用寿命的预测研究相对较少，且实际工况下的储能电池使用寿命与特定条件下测量值存在差异。但国内外对于更精准的储能电池剩余寿命(remaining useful life,RUL)的预测研究已形成了较为成熟的体系。以锂电池为例，较为常用的预测方法包括模型预测法、数据驱动预测法、融合型数据驱动预测法3种，如图7[44]所示。

图7 锂电池RUL预测方法[44]

模型预测法主要包括电化学模型、等效电路模型、经验退化模型，是通过储能电池的衰退机理进行建模分析，由于储能电池内部物理、化学变化难以参数化，因此该预测方法的精准度受模型的质量影响。数据驱动法不关注储能电池内部的物理、化学变化，而是通过监测储能电池的状态信息对其进行寿命预测，但是预测准确度受到数据维度的影响。融合型数据驱动预测法则是汲取各类预测方法的优点进行混合预测，可达到更精准的预测效果[45]。

3、结论

本文对塔式太阳能热发电站中的定日镜无线控制自持系统的无线控制系统和自持系统的相关研究进展分别进行了分析总结，得出以下结论：

1)在无线控制系统的研究开发方面，已有研究者验证了ZigBee、射频、无线、蓝牙等多种无线通信技术的可行性，从成本、安全性、传输距离的角度考虑，由于塔式太阳能热发电站通常地理位置偏僻且镜场布置复杂，因此目前最适合应用的无线通信技术为ZigBee和射频方式。在网络拓扑结构的研究中，受试验条件限制，针对定日镜无线网络拓扑结构的深入研究还相对较少，多为针对单一网络拓扑结构的研究。在未来的实际应用中，还需充分考虑混合网络拓扑结构，以及从高安全性、网络拓扑结构、节点划分、定日镜遮挡、数据传输机制、路由协议及算法等多方面协同考虑网络设计。

2)在自持系统供电方式的研究方面，由于定日镜本身尺寸存在差异，光伏组件的尺寸和安装位置并无标准答案，光伏组件安装方式包括将其布置于定日镜同水平面或非水平面等方式；采用薄膜光伏组件、可选择性透光率器件等实现光伏发电与定日镜的耦合，但多数研究仅理论可行，制造工艺及成本仍处于未知。从工作环境和经济性考虑，目前最适用于太阳能热发电站的储能电池为铅炭电池，但因储能电池的运行工况复杂多变，缺乏实际工况数据对其使用寿命进行精准预测，相应的缺乏针对储能电池的经济可行性分析研究。自持系统无统一标准，需以投资成本、LCOE为基本设计原则，根据镜场具体情况分析，设计光伏组件辅助以实现太阳能热发电站的经济最大化，从运行安全可靠性、极端工作环境稳定供电、建设成本、未来的更换成本等各项指标综合考虑储能电池的设计。

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文章来源:刘金生,吴金桂.塔式太阳能热发电站的定日镜无线控制自持系统研究进展[J].太阳能,2024,(10):61-69.