槽式太阳能聚光器研究进展

■ 郑建涛张剑寒余强徐二树(.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司；.中国科学院电工研究所 中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室)



槽式太阳能聚光器研究进展

■ 郑建涛1张剑寒2*余强2徐二树2
(1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司；2.中国科学院电工研究所 中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室)

摘 要：介绍槽式太阳能聚光器的结构和工作原理；阐述槽式太阳能聚光器国内外研究历史、现状，并对不同技术做出点评；分析槽式聚光器的研发关键点，并对槽式太阳能聚光器的技术发展趋势进行分析预测。

关键词：太阳能；槽式聚光器；研究进展；发展趋势

0 引言

截至2012年底，全球太阳能热发电站已装机容量约2.57 GW，其中槽式太阳能热发电站占主流，约占总装机容量的90%[1]。槽式太阳能聚光器是槽式太阳能热发电站的主要装备，其成本一般不低于电站一次投资成本的30%[2]。除用于太阳能热发电外，槽式太阳能聚光器作为太阳能的收集者，还可用于太阳能空调、太阳能工业用水和蒸汽、太阳能海水淡化和太阳能石油等领域，或者为常规火电站提供蒸汽形成太阳能与火电的联合循环发电等。槽式太阳能聚光器用途广泛，是太阳能热利用技术的重要组成部分和一次设备投资的主体，因此研究其成本、技术性能和工作寿命对太阳能热利用行业的发展具有非常重要的意义。

1 结构与工作原理

槽式太阳能聚光器是用具有抛物线截面的槽形反射器来汇聚太阳辐射的线聚焦设备[3]。由聚光器、真空管和热传输流体组成集热系统，将太阳辐射能转变为热能并输出。槽式太阳能聚光器主要由反射镜、支架、控制系统、动力与传动系统、立柱，以及地基等组成。图1是典型的槽式太阳能聚光器结构与工作示意图，其中，扭矩管和支撑臂共同组成支架，电动机和减速机组成动力与传动系统。槽式太阳能聚光器的基本工作原理是采用反射镜组成面形为抛物柱面的反射面，支架支撑反射镜以保持抛物柱面的面形稳定，动力与传动系统驱动支架旋转，使反射面、反射面的焦线和太阳始终位于一个平面，确保反射面能够将太阳光反射并会聚到焦线上。通常焦线上安装吸热管，将太阳辐射能转化为热能，再由真空管内的热传输流体输出。

图1　槽式太阳能聚光器结构示意图

2 发展历史与现状

世界上第一台槽式太阳能聚光器由美国工程师Ericsson建造于1870年，输出热功率为373 W[4]。1912年，另一位美国发明家Frank Schuman在埃及建立了一个小型太阳能聚光器。20世纪70年代的石油危机加速了太阳能热发电技术的发展，在80年代中期，抛物面槽式太阳能聚光器进入商业化阶段。美国Luz公司自1984～1991年陆续建立装机总容量为354 MW 的SEGS槽式电站，至2013年底已商业化运营30年[5]。SEGS电站中的槽式太阳能聚光器有3种型号，包括LS-1、LS-2和LS-3，其中LS-2 和LS-3是主要型号。由于SEGS是最早的商业化电站，因此这两种型号也成为事实的槽式太阳能聚光器的标准规格。在这两种槽式太阳能聚光器的基础上，各种新型、优化的槽式太阳能聚光器不断地被开发出来。

2.1 美国

美国Luz公司的LS-2型聚光器，开口尺寸为5 m、长47 m、焦距1.4 m，采用减速机作为传动机构，扭矩管作为支架结构。LS-3型聚光器开口宽度则增加到5.77 m，采用空间桁架作为反射镜支撑结构，焦距为1.71 m，与之配合的真空管直径为70 mm，聚光器长度增加到100 m，采用液压传动系统作为传动机构。LS-2和LS-3聚光器的反射镜均采用4 mm单层超白玻璃镜，对应的反射镜型号为RP2和RP3型。图2为LS-2型槽式太阳能聚光器[6]。

美国Acurex Solar公司开发了Acurex3001 和Acurex3011两种型号的槽式太阳能聚光器。Acurex3001的开口尺寸为1.83 m、长39.5 m、焦距0.45 m，采用减速机作为传动机构，扭矩管式支架结构，同时采用Glaverbel公司的超薄镀银玻璃镜作为反射镜前表面，钢板作为背板。Acurex3001采用太阳传感器作为控制跟踪精度的反馈传感器，方法是太阳光透过传感器采光口，传感器底部为一个四象限光电传感器，通过测量阳光的阴影来测试跟踪精度[4,7]。

美国Acciona Solar Power公司开发的SGX-1 和SGX-2型聚光器采用挤压铝型材作为结构材料，支撑结构为空间桁架结构，其特点是减少了结构的焊接工艺。2006年美国内华达州建成的太阳一号槽式太阳能热发电站，装机容量为64 MW，采用SGX-2型聚光器，其开口尺寸为5.77 m，长度为100～150 m，采用液压传动，反射镜为超白玻璃镜。配合的真空管直径为70 mm、焦距1.71 m。图3是SGX-1型聚光器[8,9]。

图2　LS-2型太阳能槽式聚光器

图3　SGX-1 型槽式太阳能聚光器

2.2 欧洲

欧洲槽式太阳能聚光器是在LS-3型聚光器的基础上开发的，其采用了扭矩盒子作为主结构，代替扭矩管或空间桁架结构。力学计算结果表明，扭矩盒子为主体的支架结构比LS-3的空间桁架结构在弯曲刚度和扭转刚度上都要好。欧洲槽式太阳能聚光器有两种型号，分别是ET-100和ET-150，主要差别在于聚光器的长度分别是100 m和150 m，后者的成本更低。欧洲槽式太阳能聚光器采用液压传动系统作为传动装置，开口尺寸为5.77 m、焦距为1.71 m、真空管直径为70 mm，聚光器单元长度为12 m。ET-100为一个液压传动系统带动8组聚光器单元，ET-150则带动12组。采用4 mm厚的超白玻璃镜(钢化或退火玻璃)作为反射镜。采用欧洲槽式太阳能聚光器的电站很多，如装机容量分别为50 MW 的Andasol-1、Andasol-2电站和2013年初建成的世界最大的太阳能热发电站Shams-1。图4是欧洲槽式太阳能聚光器的图片[10,11]。证旋转轴和聚光器的中心重合，在扭矩管的另一侧配有配重。聚光器开口尺寸为6.77 m、焦距为1.71 m，与之配合的真空管直径为90 mm，聚光器长度为150 m，采用液压传动。反射镜为超白玻璃镜，与LS-3的反射镜尺寸不同，LS-4反射镜的规格为1.9 m×1.57 m。

图4　欧洲槽式太阳能聚光器

意大利新技术、能源与可持续发展署(ENEA)采用熔融盐作为传热介质，建立了一座5 MW的熔融盐槽式电站。电站的槽式太阳能聚光器为扭矩管结构，反射镜的支撑臂为轻量化的钢板。反射镜采用“三明治”结构，为复合材料背板上粘贴超薄玻璃镜。聚光器采用液压传动，聚光器开口尺寸为5.77 m[12]。

SENER公司在太阳能热发电领域是各种聚光装备的供货商。其研制的SENER-1槽式太阳能聚光器采用扭矩管结构，支撑臂为钢板冲压成型。SENER槽式太阳能聚光器的开口尺寸和LS-3相同，长度增加到150 m，反射镜为超白玻璃镜，传动系统为液压传动。在此基础上，SENER公司开发了第二代槽式太阳能聚光器，主要改进为增加了开口尺寸，达到6.87 m，反射镜的支撑臂也做了优化[13,14]。图5为SENER-2槽式太阳能聚光器。

太阳千年公司(Solarmillennium) 在倒闭前曾经设计并制造了更大开口尺寸的槽式太阳能聚光器，规格为LS-4型。其支撑结构为扭矩管，支撑臂采用矩形钢管焊接成平面桁架结构，为了保

图5　SENER-2槽式太阳能聚光器

图6　太阳千年新槽式太阳能聚光器

2.3 中国

中国科学院电工研究所与皇明公司合作，在2005年采用玻璃钢作为背板，超薄玻璃反射镜贴在玻璃钢上，采用液压传动，在北京通县制作了开口尺寸为2.5 m的槽式太阳能聚光器。2010年，在北京延庆又建立了长度为120 m的槽式实验系统，槽式太阳能聚光器的开口尺寸为5.76 m、长度100 m，采用液压传动，支撑结构为扭矩管，支撑臂采用矩形钢管焊接而成，反射镜采用4 mm厚玻璃热弯成抛物柱面，再与1.1 mm厚的超薄玻璃镜夹胶粘接而成。图7为中科院电工所-皇明公司槽式太阳能聚光器。

中航空港公司(现更名为中金盛唐公司)在2009年建立了总长度为240 m的槽式示范系统，并实现了实验室级发电。该槽式太阳能聚光器尺寸与LS-3相同，开口尺寸为5.77 m、长度120 m，采用蜗杆减速机作为传动系统，采用扭矩管结构，支撑臂为钢板冲孔以轻量化，反射镜为4 mm厚的超白玻璃反射镜。

兰州大成真空科技有限公司于2012年5月建立一套槽式-线性菲尼尔式聚光发电示范系统。其槽式太阳能聚光器采用钢管作为扭矩管，矩形钢管焊接成一侧形状为抛物线形的支撑臂，通过平面玻璃反射镜直接与支撑臂连接，通过支撑臂的形状使平面玻璃镜冷弯成抛物柱面面形。槽式太阳能聚光器开口尺寸为5.77 m、焦距1.71 m、长度为150 m，一共两组，总长度300 m，传动装置为涡轮蜗杆减速机。

华电工程公司采用欧洲槽式技术，于2010年在河北廊坊建立了长100 m的槽式系统，规格与LS-3聚光器相同。

中广核太阳能公司2013年在青海德令哈建立了一套槽式系统，目前在调试过程中。

北京工业大学、华北电力大学、上海交通大学、中山大学、东莞康达新能源公司、常州龙腾太阳能公司、华锐风电公司、山东奇威特公司也都建有不同长度和开口尺寸的槽式太阳能聚光器样机。

3 技术特点与发展趋势

3.1 槽式太阳能聚光器的技术特点

槽式太阳能聚光器的主要技术指标包括：反射镜的镜面反射率、反射面的面形精度、跟踪精度，支架结构的强度和刚度，反射镜的长期耐候性和长期寿命，聚光器整体结构的长期耐候性和长期寿命等。基于槽式太阳能聚光器的特点，研发聚光器的关键点在于：

1)低成本、高镜面反射率和面形精度、长寿命的槽式反射镜。槽式反射镜是槽式太阳能聚光器的关键部件，其成本约占槽式太阳能聚光器成本的40%。为了提高反射率，采用高透光率的低铁玻璃，以银作为反射材料，降低玻璃镜的厚度也可提高反射率，但会降低玻璃的刚度进而降低反射镜的面形精度，通常采用4 mm厚的玻璃反射镜。为了提高反射镜的耐候性，要求反射镜的背漆能够抗紫外老化、耐沙尘、耐酸碱和有较大温差。另外一种方案是“三明治”结构，采用超薄玻璃镜或者反射薄膜作为反射面，背板采用复合材料、玻璃或者钢板保证反射面的面形，这样反射层可获得背板的保护。

2)大扭矩、高精度的传动系统。传动系统的精度对槽式太阳能聚光器反射面的跟踪精度具有决定性影响。传动系统可采用液压和机械两种方案。液压传动的优势在于可在较低成本的前提下输出大扭矩，机械传动的优势是可连续跟踪。

3)真空管支撑臂与真空管的连接方式。槽式真空管的损坏率和真空管与支撑臂之间的连接方式有重要关联。真空管工作温度与非工作温度的温差很大，因此由于热胀冷缩的关系，要求支撑臂可沿着真空管的轴向移动。

4)槽式太阳能聚光器支架的轻量化是降低聚光器成本的要求。聚光器支架结构采用钢材焊接或冲压而成，其技术要求包括在具有高强度、高抗弯刚度和抗扭刚度的基础上尽量降低钢材的重量，并能够实现批量化生产，保证产品的一致性。

5)槽式太阳能聚光器整体结构的快速生产、快速装配和快速安装调试。由于建设周期对槽式热发电站的成本也有重要影响，而槽式太阳能聚光器的安装调试又在槽式热发电站的建设中占据主导地位，因此如何保证在满足性能的要求下，尽可能快速地建设槽式聚光场也是槽式太阳能聚光器研发的重要方向之一。

图7　中科院电工所-皇明公司槽式太阳能聚光器

3.2 槽式太阳能聚光器的发展趋势

制约太阳能光热发电发展的重要原因是成本电价无法跟常规能源竞争。降低光热发电的成本电价可通过降低一次投资成本和提高光电转换效率来实现，这两方面都对聚光器提出了新的要求。

从聚光器的发展历史上可看出，聚光器的开口尺寸越来越大，且长度越来越长，目前这个趋势仍在继续。大开口聚光器的好处有两方面，一方面可降低聚光器制造成本；另一方面可提高集热器的聚光比，有利于提高系统运行温度，进而可提高热电转换效率。但增加开口尺寸对聚光器抗风性能的要求也在变高。文献[15]采用了调整反射面的形状、增加反射镜间缝隙的方案降低风载荷。增加聚光器长度，可降低控制系统、传动系统和热工系统的成本，还可减少端部损失提高集热效率，但是对聚光器扭转刚度的要求也增加了。因此文献[15]还采用了新型设计以降低聚光器扭转时的摩擦阻力。

采用新材料新工艺改进反射镜的性能。3M公司开发了一种反射薄膜，可作为槽式太阳能聚光器的反射材料，由于反射膜是前表面反射，因此对材料的耐磨性能要求很高。Garden公司采用两片玻璃同时热弯，然后前表面玻璃制镜，再采用PVB薄膜将玻璃镜和后表面玻璃粘接，由于有后表面玻璃的保护，这种反射镜的抗风沙性能更好，但是成本比单层玻璃镜要高。玻璃越薄，透光率越高，因此采用超薄玻璃镜作为反射镜可不用低铁玻璃材料，以降低成本，但是会增加背板成本。文献[5]表明，灰尘对反射镜的反射率影响很大，而沙漠地区水源稀少，所以自清洁玻璃是反射镜的重要研究方向。

随着电子信息产业技术的发展，槽式系统的控制系统也随之改进。传统的PLC控制方案价格过高，因此新的专用控制芯片也将逐步被开发出来。倾角仪精度的提高和价格的下降，使得倾角仪可在聚光器上广泛使用，作为控制系统的反馈传感器，增加控制精度。此外，DCS技术也逐步被广泛用于槽式镜场的控制系统中。

4 产业发展与展望

从文献[16]可看到，自从2006年，太阳能光热发电又重新步入兴起，装机总量逐年快速上升。图8为全球热发电装机总量的发展趋势图。传统的热发电市场在西班牙和美国，进入2013年后，由于金融危机的影响，西班牙政府取消补贴政策，导致西班牙市场在2013年趋于停顿。但是美国、中东、北非和南非仍有一批在建电站。

图8　全球热发电装机总量趋势图

制约槽式太阳能光热发电发展的主要因素是成本电价，而成本电价又跟全球电站装机总量和单个电站的规模密切相关。电站规模越大，成本电价越低。本文根据槽式太阳能集热器(聚光器+真空管)成本价格的估算，给出了槽式集热器的成本与电站规模的关系曲线，如图9所示。文献[17]认为在适度的政策支持下，到2050年，太阳能热发电可满足全球11.3%的电力需求；而如果按照最乐观估计，全球热发电装机容量可达1500 GW，年发电量7800 TWh。

图9　槽式集热器成本与电站规模的关系曲线

可预见，随着电站规模和装机总量的增加，光热发电的成本电价也会迅速下降，使得太阳能光热发电成为电力能源结构中的主力。

参考文献

[1] 王思强, 许洪华, 李立峰, 等. 中国提高太阳能开发利用效率路线图和政策研究2012-2030[R]. 国家能源局报告, 2013.

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

[3] GB/T 26972-2011, 太阳能热发电术语[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]. 美国:

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

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

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

[16] 杜凤丽. 太阳能热发电发展现状及趋势[J]. 新材料产业, 2012, (7): 5－11.

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

5 总结

本文从理论上分析了平板型太阳能集热器的热损失，集热器热损失主要是顶部热损失，而顶部热损主要是通过对流和热辐射进行热量传递。为了求解顶部热损建立了数学模型，详细推导了对流换热系数和辐射换热系数，并得到了顶部热损系数的计算公式。

用迭代法求顶部热损系数，对单层玻璃、双层玻璃、发射率为ε1=0.1的吸热板、发射率为ε1=0.95的吸热板两两组合的4种不同集热器的顶部热损进行计算，结果表明：玻璃盖板为双层、吸热板发射率ε1=0.1的集热器顶部热损失最小，热损失Ut= 2.4 W/(m2•℃)。

最后通过经验公式法对迭代法估算的顶部热损进行验证，验证结果同样表明了双层盖板、选择性吸热板的集热器顶部热损失最小。

通过两种方法对比验证分析，可知集热器盖板的层数和吸热板的热辐射性质对集热器热效率有很大影响，且4个不同集热器中，就顶部热损而言，两层盖板及选择性吸热板的集热器顶部热损失最小。

[1] 杨世铭, 陶文铨. 传热学第四版[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, 叶宏. 传热和传质基本原理[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007.

[4] 李明, 季旭. 槽式聚光太阳能系统的热电能转换与利用[M].北京: 科技出版社, 2011.

[5] 李开春, 刘广虎, 王晓静, 等. 平板型太阳集热器的热损失分析[J]. 太阳能, 2013, (19): 27－28.

基金项目：国家自然科学基金项目(51306171)；中国华能集团科技项目(HNKJ13-H21)；国家科技支撑计划(2012BAA05B02)通信作者：张剑寒 (1974—)，男，博士，主要从事太阳能热发电方面的研究。jhzh@mail.tsinghua.edu.cn

收稿日期：2014-11-25