槽式太陽能聚光器研究進展

■ 鄭建濤張劍寒余強徐二樹(.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司；.中國科學院電工研究所 中國科學院太陽能熱利用及光伏系統(tǒng)重點實驗室)

?

槽式太陽能聚光器研究進展

■ 鄭建濤1張劍寒2*余強2徐二樹2
(1.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司；2.中國科學院電工研究所 中國科學院太陽能熱利用及光伏系統(tǒng)重點實驗室)

摘 要：介紹槽式太陽能聚光器的結構和工作原理；闡述槽式太陽能聚光器國內外研究歷史、現狀，并對不同技術做出點評；分析槽式聚光器的研發(fā)關鍵點，并對槽式太陽能聚光器的技術發(fā)展趨勢進行分析預測。

關鍵詞：太陽能；槽式聚光器；研究進展；發(fā)展趨勢

0 引言

截至2012年底，全球太陽能熱發(fā)電站已裝機容量約2.57 GW，其中槽式太陽能熱發(fā)電站占主流，約占總裝機容量的90%[1]。槽式太陽能聚光器是槽式太陽能熱發(fā)電站的主要裝備，其成本一般不低于電站一次投資成本的30%[2]。除用于太陽能熱發(fā)電外，槽式太陽能聚光器作為太陽能的收集者，還可用于太陽能空調、太陽能工業(yè)用水和蒸汽、太陽能海水淡化和太陽能石油等領域，或者為常規(guī)火電站提供蒸汽形成太陽能與火電的聯合循環(huán)發(fā)電等。槽式太陽能聚光器用途廣泛，是太陽能熱利用技術的重要組成部分和一次設備投資的主體，因此研究其成本、技術性能和工作壽命對太陽能熱利用行業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。

1 結構與工作原理

槽式太陽能聚光器是用具有拋物線截面的槽形反射器來匯聚太陽輻射的線聚焦設備[3]。由聚光器、真空管和熱傳輸流體組成集熱系統(tǒng)，將太陽輻射能轉變?yōu)闊崮懿⑤敵?。槽式太陽能聚光器主要由反射鏡、支架、控制系統(tǒng)、動力與傳動系統(tǒng)、立柱，以及地基等組成。圖1是典型的槽式太陽能聚光器結構與工作示意圖，其中，扭矩管和支撐臂共同組成支架，電動機和減速機組成動力與傳動系統(tǒng)。槽式太陽能聚光器的基本工作原理是采用反射鏡組成面形為拋物柱面的反射面，支架支撐反射鏡以保持拋物柱面的面形穩(wěn)定，動力與傳動系統(tǒng)驅動支架旋轉，使反射面、反射面的焦線和太陽始終位于一個平面，確保反射面能夠將太陽光反射并會聚到焦線上。通常焦線上安裝吸熱管，將太陽輻射能轉化為熱能，再由真空管內的熱傳輸流體輸出。

圖1　槽式太陽能聚光器結構示意圖

2 發(fā)展歷史與現狀

世界上第一臺槽式太陽能聚光器由美國工程師Ericsson建造于1870年，輸出熱功率為373 W[4]。1912年，另一位美國發(fā)明家Frank Schuman在埃及建立了一個小型太陽能聚光器。20世紀70年代的石油危機加速了太陽能熱發(fā)電技術的發(fā)展，在80年代中期，拋物面槽式太陽能聚光器進入商業(yè)化階段。美國Luz公司自1984～1991年陸續(xù)建立裝機總容量為354 MW 的SEGS槽式電站，至2013年底已商業(yè)化運營30年[5]。SEGS電站中的槽式太陽能聚光器有3種型號，包括LS-1、LS-2和LS-3，其中LS-2 和LS-3是主要型號。由于SEGS是最早的商業(yè)化電站，因此這兩種型號也成為事實的槽式太陽能聚光器的標準規(guī)格。在這兩種槽式太陽能聚光器的基礎上，各種新型、優(yōu)化的槽式太陽能聚光器不斷地被開發(fā)出來。

2.1 美國

美國Luz公司的LS-2型聚光器，開口尺寸為5 m、長47 m、焦距1.4 m，采用減速機作為傳動機構，扭矩管作為支架結構。LS-3型聚光器開口寬度則增加到5.77 m，采用空間桁架作為反射鏡支撐結構，焦距為1.71 m，與之配合的真空管直徑為70 mm，聚光器長度增加到100 m，采用液壓傳動系統(tǒng)作為傳動機構。LS-2和LS-3聚光器的反射鏡均采用4 mm單層超白玻璃鏡，對應的反射鏡型號為RP2和RP3型。圖2為LS-2型槽式太陽能聚光器[6]。

美國Acurex Solar公司開發(fā)了Acurex3001 和Acurex3011兩種型號的槽式太陽能聚光器。Acurex3001的開口尺寸為1.83 m、長39.5 m、焦距0.45 m，采用減速機作為傳動機構，扭矩管式支架結構，同時采用Glaverbel公司的超薄鍍銀玻璃鏡作為反射鏡前表面，鋼板作為背板。Acurex3001采用太陽傳感器作為控制跟蹤精度的反饋傳感器，方法是太陽光透過傳感器采光口，傳感器底部為一個四象限光電傳感器，通過測量陽光的陰影來測試跟蹤精度[4,7]。

美國Acciona Solar Power公司開發(fā)的SGX-1 和SGX-2型聚光器采用擠壓鋁型材作為結構材料，支撐結構為空間桁架結構，其特點是減少了結構的焊接工藝。2006年美國內華達州建成的太陽一號槽式太陽能熱發(fā)電站，裝機容量為64 MW，采用SGX-2型聚光器，其開口尺寸為5.77 m，長度為100～150 m，采用液壓傳動，反射鏡為超白玻璃鏡。配合的真空管直徑為70 mm、焦距1.71 m。圖3是SGX-1型聚光器[8,9]。

圖2　LS-2型太陽能槽式聚光器

圖3　SGX-1 型槽式太陽能聚光器

2.2 歐洲

歐洲槽式太陽能聚光器是在LS-3型聚光器的基礎上開發(fā)的，其采用了扭矩盒子作為主結構，代替扭矩管或空間桁架結構。力學計算結果表明，扭矩盒子為主體的支架結構比LS-3的空間桁架結構在彎曲剛度和扭轉剛度上都要好。歐洲槽式太陽能聚光器有兩種型號，分別是ET-100和ET-150，主要差別在于聚光器的長度分別是100 m和150 m，后者的成本更低。歐洲槽式太陽能聚光器采用液壓傳動系統(tǒng)作為傳動裝置，開口尺寸為5.77 m、焦距為1.71 m、真空管直徑為70 mm，聚光器單元長度為12 m。ET-100為一個液壓傳動系統(tǒng)帶動8組聚光器單元，ET-150則帶動12組。采用4 mm厚的超白玻璃鏡(鋼化或退火玻璃)作為反射鏡。采用歐洲槽式太陽能聚光器的電站很多，如裝機容量分別為50 MW 的Andasol-1、Andasol-2電站和2013年初建成的世界最大的太陽能熱發(fā)電站Shams-1。圖4是歐洲槽式太陽能聚光器的圖片[10,11]。證旋轉軸和聚光器的中心重合，在扭矩管的另一側配有配重。聚光器開口尺寸為6.77 m、焦距為1.71 m，與之配合的真空管直徑為90 mm，聚光器長度為150 m，采用液壓傳動。反射鏡為超白玻璃鏡，與LS-3的反射鏡尺寸不同，LS-4反射鏡的規(guī)格為1.9 m×1.57 m。

圖4　歐洲槽式太陽能聚光器

意大利新技術、能源與可持續(xù)發(fā)展署(ENEA)采用熔融鹽作為傳熱介質，建立了一座5 MW的熔融鹽槽式電站。電站的槽式太陽能聚光器為扭矩管結構，反射鏡的支撐臂為輕量化的鋼板。反射鏡采用“三明治”結構，為復合材料背板上粘貼超薄玻璃鏡。聚光器采用液壓傳動，聚光器開口尺寸為5.77 m[12]。

SENER公司在太陽能熱發(fā)電領域是各種聚光裝備的供貨商。其研制的SENER-1槽式太陽能聚光器采用扭矩管結構，支撐臂為鋼板沖壓成型。SENER槽式太陽能聚光器的開口尺寸和LS-3相同，長度增加到150 m，反射鏡為超白玻璃鏡，傳動系統(tǒng)為液壓傳動。在此基礎上，SENER公司開發(fā)了第二代槽式太陽能聚光器，主要改進為增加了開口尺寸，達到6.87 m，反射鏡的支撐臂也做了優(yōu)化[13,14]。圖5為SENER-2槽式太陽能聚光器。

太陽千年公司(Solarmillennium) 在倒閉前曾經設計并制造了更大開口尺寸的槽式太陽能聚光器，規(guī)格為LS-4型。其支撐結構為扭矩管，支撐臂采用矩形鋼管焊接成平面桁架結構，為了保

圖5　SENER-2槽式太陽能聚光器

圖6　太陽千年新槽式太陽能聚光器

2.3 中國

中國科學院電工研究所與皇明公司合作，在2005年采用玻璃鋼作為背板，超薄玻璃反射鏡貼在玻璃鋼上，采用液壓傳動，在北京通縣制作了開口尺寸為2.5 m的槽式太陽能聚光器。2010年，在北京延慶又建立了長度為120 m的槽式實驗系統(tǒng)，槽式太陽能聚光器的開口尺寸為5.76 m、長度100 m，采用液壓傳動，支撐結構為扭矩管，支撐臂采用矩形鋼管焊接而成，反射鏡采用4 mm厚玻璃熱彎成拋物柱面，再與1.1 mm厚的超薄玻璃鏡夾膠粘接而成。圖7為中科院電工所-皇明公司槽式太陽能聚光器。

中航空港公司(現更名為中金盛唐公司)在2009年建立了總長度為240 m的槽式示范系統(tǒng)，并實現了實驗室級發(fā)電。該槽式太陽能聚光器尺寸與LS-3相同，開口尺寸為5.77 m、長度120 m，采用蝸桿減速機作為傳動系統(tǒng)，采用扭矩管結構，支撐臂為鋼板沖孔以輕量化，反射鏡為4 mm厚的超白玻璃反射鏡。

蘭州大成真空科技有限公司于2012年5月建立一套槽式-線性菲尼爾式聚光發(fā)電示范系統(tǒng)。其槽式太陽能聚光器采用鋼管作為扭矩管，矩形鋼管焊接成一側形狀為拋物線形的支撐臂，通過平面玻璃反射鏡直接與支撐臂連接，通過支撐臂的形狀使平面玻璃鏡冷彎成拋物柱面面形。槽式太陽能聚光器開口尺寸為5.77 m、焦距1.71 m、長度為150 m，一共兩組，總長度300 m，傳動裝置為渦輪蝸桿減速機。

華電工程公司采用歐洲槽式技術，于2010年在河北廊坊建立了長100 m的槽式系統(tǒng)，規(guī)格與LS-3聚光器相同。

中廣核太陽能公司2013年在青海德令哈建立了一套槽式系統(tǒng)，目前在調試過程中。

北京工業(yè)大學、華北電力大學、上海交通大學、中山大學、東莞康達新能源公司、常州龍騰太陽能公司、華銳風電公司、山東奇威特公司也都建有不同長度和開口尺寸的槽式太陽能聚光器樣機。

3 技術特點與發(fā)展趨勢

3.1 槽式太陽能聚光器的技術特點

槽式太陽能聚光器的主要技術指標包括：反射鏡的鏡面反射率、反射面的面形精度、跟蹤精度，支架結構的強度和剛度，反射鏡的長期耐候性和長期壽命，聚光器整體結構的長期耐候性和長期壽命等?；诓凼教柲芫酃馄鞯奶攸c，研發(fā)聚光器的關鍵點在于：

1)低成本、高鏡面反射率和面形精度、長壽命的槽式反射鏡。槽式反射鏡是槽式太陽能聚光器的關鍵部件，其成本約占槽式太陽能聚光器成本的40%。為了提高反射率，采用高透光率的低鐵玻璃，以銀作為反射材料，降低玻璃鏡的厚度也可提高反射率，但會降低玻璃的剛度進而降低反射鏡的面形精度，通常采用4 mm厚的玻璃反射鏡。為了提高反射鏡的耐候性，要求反射鏡的背漆能夠抗紫外老化、耐沙塵、耐酸堿和有較大溫差。另外一種方案是“三明治”結構，采用超薄玻璃鏡或者反射薄膜作為反射面，背板采用復合材料、玻璃或者鋼板保證反射面的面形，這樣反射層可獲得背板的保護。

2)大扭矩、高精度的傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)的精度對槽式太陽能聚光器反射面的跟蹤精度具有決定性影響。傳動系統(tǒng)可采用液壓和機械兩種方案。液壓傳動的優(yōu)勢在于可在較低成本的前提下輸出大扭矩，機械傳動的優(yōu)勢是可連續(xù)跟蹤。

3)真空管支撐臂與真空管的連接方式。槽式真空管的損壞率和真空管與支撐臂之間的連接方式有重要關聯。真空管工作溫度與非工作溫度的溫差很大，因此由于熱脹冷縮的關系，要求支撐臂可沿著真空管的軸向移動。

4)槽式太陽能聚光器支架的輕量化是降低聚光器成本的要求。聚光器支架結構采用鋼材焊接或沖壓而成，其技術要求包括在具有高強度、高抗彎剛度和抗扭剛度的基礎上盡量降低鋼材的重量，并能夠實現批量化生產，保證產品的一致性。

5)槽式太陽能聚光器整體結構的快速生產、快速裝配和快速安裝調試。由于建設周期對槽式熱發(fā)電站的成本也有重要影響，而槽式太陽能聚光器的安裝調試又在槽式熱發(fā)電站的建設中占據主導地位，因此如何保證在滿足性能的要求下，盡可能快速地建設槽式聚光場也是槽式太陽能聚光器研發(fā)的重要方向之一。

圖7　中科院電工所-皇明公司槽式太陽能聚光器

3.2 槽式太陽能聚光器的發(fā)展趨勢

制約太陽能光熱發(fā)電發(fā)展的重要原因是成本電價無法跟常規(guī)能源競爭。降低光熱發(fā)電的成本電價可通過降低一次投資成本和提高光電轉換效率來實現，這兩方面都對聚光器提出了新的要求。

從聚光器的發(fā)展歷史上可看出，聚光器的開口尺寸越來越大，且長度越來越長，目前這個趨勢仍在繼續(xù)。大開口聚光器的好處有兩方面，一方面可降低聚光器制造成本；另一方面可提高集熱器的聚光比，有利于提高系統(tǒng)運行溫度，進而可提高熱電轉換效率。但增加開口尺寸對聚光器抗風性能的要求也在變高。文獻[15]采用了調整反射面的形狀、增加反射鏡間縫隙的方案降低風載荷。增加聚光器長度，可降低控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和熱工系統(tǒng)的成本，還可減少端部損失提高集熱效率，但是對聚光器扭轉剛度的要求也增加了。因此文獻[15]還采用了新型設計以降低聚光器扭轉時的摩擦阻力。

采用新材料新工藝改進反射鏡的性能。3M公司開發(fā)了一種反射薄膜，可作為槽式太陽能聚光器的反射材料，由于反射膜是前表面反射，因此對材料的耐磨性能要求很高。Garden公司采用兩片玻璃同時熱彎，然后前表面玻璃制鏡，再采用PVB薄膜將玻璃鏡和后表面玻璃粘接，由于有后表面玻璃的保護，這種反射鏡的抗風沙性能更好，但是成本比單層玻璃鏡要高。玻璃越薄，透光率越高，因此采用超薄玻璃鏡作為反射鏡可不用低鐵玻璃材料，以降低成本，但是會增加背板成本。文獻[5]表明，灰塵對反射鏡的反射率影響很大，而沙漠地區(qū)水源稀少，所以自清潔玻璃是反射鏡的重要研究方向。

隨著電子信息產業(yè)技術的發(fā)展，槽式系統(tǒng)的控制系統(tǒng)也隨之改進。傳統(tǒng)的PLC控制方案價格過高，因此新的專用控制芯片也將逐步被開發(fā)出來。傾角儀精度的提高和價格的下降，使得傾角儀可在聚光器上廣泛使用，作為控制系統(tǒng)的反饋傳感器，增加控制精度。此外，DCS技術也逐步被廣泛用于槽式鏡場的控制系統(tǒng)中。

4 產業(yè)發(fā)展與展望

從文獻[16]可看到，自從2006年，太陽能光熱發(fā)電又重新步入興起，裝機總量逐年快速上升。圖8為全球熱發(fā)電裝機總量的發(fā)展趨勢圖。傳統(tǒng)的熱發(fā)電市場在西班牙和美國，進入2013年后，由于金融危機的影響，西班牙政府取消補貼政策，導致西班牙市場在2013年趨于停頓。但是美國、中東、北非和南非仍有一批在建電站。

圖8　全球熱發(fā)電裝機總量趨勢圖

制約槽式太陽能光熱發(fā)電發(fā)展的主要因素是成本電價，而成本電價又跟全球電站裝機總量和單個電站的規(guī)模密切相關。電站規(guī)模越大，成本電價越低。本文根據槽式太陽能集熱器(聚光器+真空管)成本價格的估算，給出了槽式集熱器的成本與電站規(guī)模的關系曲線，如圖9所示。文獻[17]認為在適度的政策支持下，到2050年，太陽能熱發(fā)電可滿足全球11.3%的電力需求；而如果按照最樂觀估計，全球熱發(fā)電裝機容量可達1500 GW，年發(fā)電量7800 TWh。

圖9　槽式集熱器成本與電站規(guī)模的關系曲線

可預見，隨著電站規(guī)模和裝機總量的增加，光熱發(fā)電的成本電價也會迅速下降，使得太陽能光熱發(fā)電成為電力能源結構中的主力。

參考文獻

[1] 王思強, 許洪華, 李立峰, 等. 中國提高太陽能開發(fā)利用效率路線圖和政策研究2012-2030[R]. 國家能源局報告, 2013.

[2] Robert Pitz-Paal, Jurgen Dersch, Barbara Milow. European Concentrated Solar Thermal Road-Mapping[R]. Europe: DLR, 2003.

[3] GB/T 26972-2011, 太陽能熱發(fā)電術語[S].

[4] Fernández García A, Zarza E, Valenzuela L, et. al. Parabolic trough solar collectors and their applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(7): 1695－1721.

[5] Gilbert E Cohen, David W Kearney, Gregory J Kolb. Final report on the operation and maintenance improvement program for concentration solar power plants[R]. Sandia Report, 1999.

[6] Peterson Terry M. Solar Thermal Electric Technology: 2006[R]. EPRI report, 2007.

[7] Carlton R J. Tracking solar energy collector assembly[P]. 美國:

4297572, 1981.

[8] NREL. Parabolic Trough Solar Field Technology [EB/OL].

http://www.nrel.gov/csp/troughnet/solar_field.html.

[9] Kearney, David W. Parabolic trough collector overview[R]. Parabolic trough workshop, 2007.

[10] Michael Geyer. Eurotrough parabolic trough collector developed for cost efficient solar power generation[A]. 11th Int. Symposium on Concentrating Solar Power and Chemical Energy Technologies[C], Zurich, 2002.

[11] Eurotrough Ⅱ extension. Test and qualification of eurotrough from 4 to 6 segments at plataforma solar de almeria[R]. Final report, 2003.

[12] Massimo F. Design of the archimede 5 MW molten salt parabolic trough solar plant[A]. SolarPACES 2009[C], Berlin, 2009.

[13] Casta?eda N, Vazquez J, Casta?eda D. First commercial application of SENERTROUGH collector: High performance at reduce cost[A]. SolarPACES 2009[C], Berlin, 2009.

[14] Sabin Fernández, Alfonso Acu?as. New optimized solar collector: senertrough-2[A]. SolarPACES 2012[C], Morocco, 2012.

[15] Jens K?tter. Cost reduction of solar fields with Helio trough collector[A]. SolarPACES 2012[C], Morocco, 2012.

[16] 杜鳳麗. 太陽能熱發(fā)電發(fā)展現狀及趨勢[J]. 新材料產業(yè), 2012, (7): 5－11.

[17] IEA. Technology roadmaps: Concentrating solar power[R]. IEA report, 2010.

5 總結

本文從理論上分析了平板型太陽能集熱器的熱損失，集熱器熱損失主要是頂部熱損失，而頂部熱損主要是通過對流和熱輻射進行熱量傳遞。為了求解頂部熱損建立了數學模型，詳細推導了對流換熱系數和輻射換熱系數，并得到了頂部熱損系數的計算公式。

用迭代法求頂部熱損系數，對單層玻璃、雙層玻璃、發(fā)射率為ε1=0.1的吸熱板、發(fā)射率為ε1=0.95的吸熱板兩兩組合的4種不同集熱器的頂部熱損進行計算，結果表明：玻璃蓋板為雙層、吸熱板發(fā)射率ε1=0.1的集熱器頂部熱損失最小，熱損失Ut= 2.4 W/(m2?℃)。

最后通過經驗公式法對迭代法估算的頂部熱損進行驗證，驗證結果同樣表明了雙層蓋板、選擇性吸熱板的集熱器頂部熱損失最小。

通過兩種方法對比驗證分析，可知集熱器蓋板的層數和吸熱板的熱輻射性質對集熱器熱效率有很大影響，且4個不同集熱器中，就頂部熱損而言，兩層蓋板及選擇性吸熱板的集熱器頂部熱損失最小。

[1] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學第四版[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998.

[2] Duffie J A, Beckman W. Solar engineering of thermal processe s. (3rd Edition)[M]. New Jersey: Wiley, 2006.

[3] 葛新石, 葉宏. 傳熱和傳質基本原理[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2007.

[4] 李明, 季旭. 槽式聚光太陽能系統(tǒng)的熱電能轉換與利用[M].北京: 科技出版社, 2011.

[5] 李開春, 劉廣虎, 王曉靜, 等. 平板型太陽集熱器的熱損失分析[J]. 太陽能, 2013, (19): 27－28.

基金項目：國家自然科學基金項目(51306171)；中國華能集團科技項目(HNKJ13-H21)；國家科技支撐計劃(2012BAA05B02)通信作者：張劍寒 (1974—)，男，博士，主要從事太陽能熱發(fā)電方面的研究。jhzh@mail.tsinghua.edu.cn

收稿日期：2014-11-25