太陽能熱發電聚光系統的研究進展

韓雪冰，魏秀東，盧振武，吳宏圣，郭邦輝，楊洪波

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學院研究生院，北京100049）

太陽能熱發電聚光系統的研究進展

韓雪冰1，2，魏秀東1，盧振武1，吳宏圣1，郭邦輝1，楊洪波1

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學院研究生院，北京100049）

概述了太陽能熱發電技術的發展狀況，介紹了用于太陽能熱發電的5種聚光系統，包括槽式、碟式、塔式、線性菲涅耳式以及地面接收式。詳細闡述了這些聚光系統的光學結構、聚光原理以及聚光器件的設計方法和制作工藝，指出了不同聚光系統在聚光過程中的優缺點。文中的討論可為太陽能熱發電聚光系統的設計提供參考。

太陽能熱發電；聚光系統

1 引 言

能源和環境問題已經成為當今社會的重大研究課題，太陽能作為清潔、豐富、可再生并可廣泛獲取的能源備受關注。近10年來，太陽能熱發電技術［1］以其生命周期排碳低、電價低和對電網沖擊小等優勢發展迅猛。與傳統火力發電不同，太陽能熱發電利用聚光集熱系統收集太陽輻射并獲得高溫熱能，再將熱能轉化為高溫蒸汽推動熱輪機發電。太陽能熱發電系統主要由聚光器、集熱器、儲熱/補燃裝置和熱發電裝置組成。與太陽光伏發電技術相比，太陽能熱發電技術最大的優勢是可以使用廉價的儲熱/補燃裝置實現電站的無間斷運行，并持續為用戶供電。另外，隨著電站規模的擴大，太陽能熱發電成本可以進一步降低并實現與傳統化石能源的競爭，因此具有很好的發展前景。

我國太陽輻射資源豐富，發展太陽能熱發電的前景非常廣闊，因此開展太陽能熱發電研究意義重大。本文概述了國內外太陽能熱發電的發展狀況，介紹了5種太陽能熱發電用聚光系統，包括槽式、碟式、塔式、線性菲涅耳式和地面接收式。詳細闡述了這5種聚光系統的光學結構、聚光原理以及聚光器的設計方法和制作工藝，指出了不同聚光系統在聚光過程中的優缺點。

2 太陽能熱發電研究狀況

太陽能熱發電技術研究始于20世紀中葉，但由于當時技術尚不成熟，發展比較緩慢。自1977年石油危機發生以后，對太陽能利用研究的興趣被重新激起，從而使太陽能熱發電技術得到了突飛猛進的發展。近年來，隨著能源需求的不斷增長以及對環境污染和氣候變化問題的重視，在全世界范圍內掀起了太陽能熱發電研究的熱潮。到目前為止，太陽能熱發電技術已經發展了5種方式：槽式、碟式、塔式、線性菲涅耳式和地面接收式，其中以槽式聚光技術最為成熟，已經實現商業化運行，碟式、塔式和菲涅耳式的商業化示范電站已經建立，其商業化投資和運行成本還需證實，地面接收式也正在開展示范性研究。在太陽能熱發電研究方面，美國和歐盟國家投入較早，在技術上處于領先地位。美國于1983～1990年間在加州建成了 9座商業化槽式電站，總裝機容量為353.8 MW，年發電總量為8×108kW·h。1981年，美國在加州建成首座塔式太陽能示范電站，裝機容量為10 MW。法國于1983年建成Themis塔式試驗電站，輸出電功率為2 MW。西班牙于1984年建成塔式試驗電站CESA-1，峰值功率為1 MW。德國在太陽能聚光設備加工方面處于世界領先地位，生產的拋物槽式聚光鏡以及真空集熱管在太陽能熱發電市場占有很大比重。近年來，美國及歐盟政府非常重視可再生能源的開發利用，并在政策上對太陽能熱發電研究給予大力支持。這些政策加快了太陽能熱發電的商業化進程。2005年，西班牙建成歐洲第一座商業化示范運行的塔式電站PS10，峰值發電功率為11 MW［2］。2008年，美國的Esolar公司開發了模塊化塔式聚光發電技術，建成了模塊化示范電站，發電功率為5 MW［3］。2009年，德國的NOVATEC公司在法國南部建成世界上第一座菲涅耳式商業化太陽能示范電站，峰值發電功率為1.4 MW。與美國及歐盟國家相比，世界其它國家對太陽能熱發電的研究投入較晚，只是近年來才開始加大研究力度，并在政策上給予支持。2005年，澳大利亞建成CSIRO塔式聚光系統［4］，鏡場采光面積為800 m2，另外對密集型線性菲涅耳聚光技術進行了試驗研究，建成了功率為1 MW 的示范電站［5］。以色列的 Weizmann實驗室對地面接收式聚光進行了試驗，并將該系統用于太陽爐的相關研究［6］。2006年，中國建成70 kW 塔式太陽能熱發電系統［7］，并將于2010年底在北京延慶建成1 MW塔式太陽能電站［8］。另外，日本和韓國也開展了太陽能熱發電的研究，力求掌握相關技術。印度、北非以及中東等太陽能資源豐富的地區，通過引進或自行研發等方式，也在加快發展太陽能熱發電技術。

目前，太陽能熱發電面臨的主要問題是發電成本較高，仍無法與常規化石能源發電競爭，因此，降低發電成本、提高發電效率是太陽能熱發電研究的主要目標。近年來采取的研究方案主要包括電站的規模化、聚光系統的優化、吸熱傳熱系統的優化及新材料的制備等，另外，太陽能電站對環境的影響也是需要考慮的問題。

3 太陽能聚光系統

太陽能聚光系統用于將低密度的太陽輻射會聚到吸熱器表面，進而獲得可用于熱發電的高溫熱流。目前，太陽能熱發電常用的聚光方式主要有拋物槽式、碟式、塔式和線性菲涅耳式，地面接收式由于在某些方面具有優勢，也受到了關注。

3.1 拋物槽式聚光系統

拋物槽式聚光系統由拋物柱面聚光鏡和真空吸熱管組成，如圖1所示。

圖1 西班牙EuroTrough拋物槽式聚光發電系統Fig.1 “EuroTrough”parabolic trough concentration system in Spain

拋物柱面聚光鏡利用拋物面對平行光的理想會聚特性將太陽直射光會聚于焦線處的吸熱管上。聚光鏡呈水平放置，可繞單軸旋轉跟蹤太陽。旋轉軸沿南北方向，并與吸熱管平行。在聚光鏡跟蹤太陽的過程中，太陽直射光方向始終平行于旋轉軸與吸熱管所在的平面，保證系統具有最好的聚光特性。

拋物槽式聚光系統的光學結構簡單，需要設計的幾何參數包括聚光鏡口徑、焦距、邊緣角等，在設計中需要考慮的性能參數包括聚光比、光斑溢出損失等。槽式聚光鏡經過了幾代的發展，其口徑、焦距、邊緣角等參數不斷加大。早期LS1的口徑為2.55 m，焦距為0.7 m，邊緣角為85°，聚光比為60 suns。目前，HelioTrough的口徑為6.78 m，焦距為1.71 m，邊緣角為89.5°，聚光比為97 suns。利用光學設計軟件如Zemax、Tracepro、ASAP等可對拋物槽式聚光系統進行建模，并借助MATLAB對聚光系統進行蒙特卡羅光線追跡，分析聚光系統的光學性能，最終確定聚光結構。

拋物槽式聚光系統的關鍵工藝在于真空集熱管和拋物柱面反光鏡的加工。真空集熱管由玻璃外管、不銹鋼內管及表面選擇性吸收涂層、內外管間高度真空環形空間、內管內插固體阻塞件以及絕熱端等部分組成，其關鍵技術包括能耐400℃以上高溫、高效率吸熱涂層材料且在高溫下不脫落、長壽命真空度、玻璃-金屬間的有效銜接等。拋物柱面反光鏡的制作工藝較真空集熱管簡單，關鍵技術在于鏡面面形的高精度。目前多采用4 mm厚的熱彎玻璃并在背面鍍銀反射膜及多層保護膜，也可采用在基底材料上粘貼薄玻璃反射鏡或高反射耐候性薄膜。

目前，拋物槽式聚光技術已經成熟，并已實現商業化，在聚光鏡及真空集熱管的加工方面均已具備生產能力，電站設計規模為30～100 MW，聚光比約為50～90×，年光電轉化效率約為14％，發電成本約為12 cent/kW·h，當發電成本降到8 cent/kW·h時，太陽能發電可與常規礦物能源發電相媲美。為了進一步降低發電成本，槽式聚光的研究主要集中在：通過光學、機械等優化設計降低聚光鏡成本，提高聚光效率；延長真空集熱管的使用壽命并實現500℃高溫運行等。

3.2 碟式聚光系統

圖2 西班牙EuroDish碟式聚光發電系統Fig.2 “EuroDish”solar dish concentration system in Spain

碟式聚光發電系統可分為單碟式和多碟式兩種。單碟式聚光系統由單個旋轉拋物面反光鏡和斯特林發動機組成，如圖2所示。多碟式聚光系統由多個尺寸較小的碟形反光鏡和斯特林發動機組成，如圖3所示。

圖3 北京通縣多碟式聚光系統Fig.3 Multi-dish concentration system in Beijing

碟式聚光鏡利用旋轉拋物面對平行光的理想會聚特性將太陽光會聚于焦點處的斯特林發電機上。聚光鏡可繞雙軸旋轉實現對太陽的三維跟蹤，始終使陽光的入射方向與聚光鏡的光軸方向一致，保證聚光鏡有最好的聚光性能。多碟式聚光鏡與單碟式的聚光原理一致，聚光性能相近，多碟式聚光鏡用多個尺寸較小的碟形反光鏡代替單個大尺寸拋物面鏡，降低了聚光鏡的加工難度。

碟式聚光系統的光學結構簡單，設計方法與槽式聚光系統相似。碟式聚光系統的關鍵技術在于斯特林發動機和旋轉拋物面反光鏡的加工。斯特林發動機是一種外燃（或外部加熱）封閉循環活塞式發動機，其對燃燒方式或外燃系統的特性無特殊要求，只要外燃溫度高于閉式循環中的工質溫度即可。近年來，美國、日本、德國等對斯特林發動機進行了研究，并已具備生產能力，如西班牙的Eurodish碟式聚光發電系統采用了德國SOLO公司生產的斯特林發動機。拋物面反光鏡的制作關鍵在于面形精度的控制。制作方法主要有兩種，一種是采用小尺寸的曲面鏡進行拼接，另一種是在基底材料上粘貼薄的鍍銀玻璃反射鏡或高反射耐候性薄膜。

碟式聚光系統的聚光比較高，可超過1 000×，工作溫度達700℃，采用斯特林發動機，最高光電轉化效率可達29.4％。碟式聚光發電系統單臺最大裝機容量約為25 kW，可單獨供電，也可多臺并網發電，無需用水，適合在沙漠地區使用。由于聚光鏡、驅動裝置以及斯特林發動機等關鍵元件的制造成本較高，導致碟式聚光系統的投資成本較高，約為12 000$/kW。為了實現商業化，還需進一步降低碟式聚光發電的成本。

3.3 塔式聚光系統

塔式聚光系統可分為單塔式和多塔式聚光陣列，單塔式聚光系統由鏡場、單塔和塔頂吸熱器組成，如圖4所示。

圖4 西班牙PS10塔式聚光發電系統Fig.4 PS10 solar tower concentration system in Spain

鏡場將低密度的太陽輻射會聚于塔頂吸熱器，再由吸熱器將高密度能流轉化為熱能并通過傳熱工質傳輸到地面進行發電。鏡場由定日鏡布置而成，定日鏡繞雙軸旋轉實現對太陽的三維跟蹤，并將陽光反射到塔頂吸熱器上。定日鏡的聚光性能決定了鏡場光斑的質量。定日鏡的面形有平面和曲面兩種，平面定日鏡加工裝調簡單，成本低，由于對光線無會聚作用，定日鏡尺寸一般較小，以保證較小的鏡場光斑。曲面定日鏡加工裝調較困難，成本高，但聚光性能較好，定日鏡可以做得很大。

單塔式聚光系統的規模受到塔高以及定日鏡跟蹤精度的限制，電站的規模不能無限大。為了實現更大規模的塔式太陽能發電，提出了多塔式太陽聚光陣列結構［9］，如圖5所示。

多塔式鏡場聚光陣列由定日鏡場和多個裝有吸熱器的塔組成，各塔之間距離較近以至于不同塔的定日鏡場部分重疊，傳熱工質通過吸熱器加熱到高溫以后匯聚起來，實現規模化發電。隨著太陽的運動，定日鏡場一些區域的光學效率不斷變化，為了獲得最大的鏡場光學效率，可有選擇地控制定日鏡場的一些區域將太陽輻射投射到不同塔上的吸熱器上，有效減少了入射余弦損失和定日鏡間的陰影擋光損失，并提高了土地使用率。

圖5 多塔式太陽聚光陣列Fig.5 Multi-tower solar concentrator array

塔式聚光系統的光學結構比較復雜，在設計中需要考慮定日鏡和鏡場兩部分。定日鏡的光學設計主要在于面形設計，可采用光學設計軟件如ZEMAX，設計過程比較簡單。定日鏡在聚光過程中陽光的入射角變化范圍較大，球面或其它旋轉曲面存在較大的像散，致使定日鏡的光斑較大，不利于吸熱器的接收。采用可校正像散的輪胎面聚光鏡［10］可減小光斑的變化，提高聚光性能，但缺點是加工裝調比較困難，制作工藝還需驗證。鏡場設計是通過優化鏡場的結構參數，設計出成本低、年聚光效率高的鏡場布置，設計過程比較復雜，需要編制專用的設計軟件。鏡場的結構參數包括地理緯度、定日鏡尺寸及數量、定日鏡的布置方式及間距、吸熱器位置及傾斜角度等，需要在設計中考慮的性能參數包括鏡場的余弦效率、相鄰定日鏡間的陰影擋光損失、大氣對會聚光束的吸收散射損失、光斑在吸熱器上的溢出損失等。鏡場的設計軟件［11］主要有 HELIOS、DELSOL3、HFLCAL、WinDELSOL1.0、SENSOL等，國內的鏡場優化設計軟件有HFLD1.0［12］，已用于北京延慶1MW塔式電站的鏡場設計與性能分析中。

塔式聚光系統的關鍵在于低成本高精度的定日鏡加工及跟蹤控制。對于小尺寸平面定日鏡，鏡面成本較低，但定日鏡數量龐大，控制復雜。對于大尺寸曲面定日鏡，鏡場控制成本較低，但曲面反射鏡的加工裝調成本高，且在外場環境下受風力、溫度變化及自身重力等影響，鏡面變形和跟蹤誤差均較大。目前，平面定日鏡多采用4 mm厚的鍍銀玻璃反射鏡，曲面定日鏡則采用在曲面基底上粘貼薄的鍍銀玻璃反射鏡或反射膜，曲面基底材料可以是玻璃鋼或不銹鋼等。

由于塔式聚光發電系統的結構比較復雜，在鏡場規模、鏡場結構設計、鏡場跟蹤控制、定日鏡的加工與裝調等方面還不成熟，塔式發電技術目前還處于商業化運行的示范階段。目前，塔式商業示范電站的設計規模約為10～20 MW，聚光比約為300～1 000×，年光電轉化效率約為15％。塔式聚光系統的研究焦點在于定日鏡光學、機械結構及鏡場布置結構的優化設計。

3.4 線性菲涅耳聚光系統

線性菲涅耳聚光系統由主、次聚光鏡和吸熱管組成，它是由拋物槽式聚光系統演化而來的，如圖6所示。

圖6 德國NOVATEC公司的線性菲涅耳聚光發電系統Fig.6 NOVATEC′s linear Fresnel concentrator system in Germany

菲涅耳聚光系統的主聚光鏡由一系列可繞水平軸旋轉的條形平面反射鏡組成，可跟蹤太陽并將陽光會聚于鏡場上方的吸熱管上。為了提高聚光比，在吸熱管的上方需增加次聚光鏡，進行二次聚光，次聚光鏡的面形為二維復合拋物面（CPC），CPC是一種理想的非成像聚光器，聚光性能可達到最優。

菲涅耳聚光的另一種改進形式是密集型線性菲涅耳聚光，它具有兩個或多個吸熱管，在工作過程中，相鄰的條形反射鏡可瞄準不同的吸熱管進行聚光，這樣可以減少反射鏡間的陰影擋光損失及鏡場占地面積。菲涅耳式聚光系統采用二次聚光方式，光學結構比較復雜，需要設計的參數包括條形反射鏡的尺寸及間距、主聚光鏡場的口徑及邊緣角、吸熱管的高度、次聚光鏡的口徑及接收角等，需要在設計中考慮的性能參數包括陰影擋光損失、聚光比、光斑溢出損失以及主、次聚光鏡的匹配等。菲涅耳聚光系統主聚光鏡為一系列離散的條形反射鏡，且不同時刻反射鏡的法線方向不同，次聚光鏡為CPC非成像聚光鏡，利用傳統光學設計軟件如Zemax、ASAP等很難對菲涅耳聚光系統進行實時模擬和分析，可使用MATLAB進行編程，并采用蒙特卡羅光線追跡法對聚光系統進行建模和分析，最終確定聚光系統的光學參數。

菲涅耳主聚光鏡為條形平面玻璃反射鏡，次聚光鏡與拋物槽式聚光鏡相似，生產工藝已經很成熟，因此，菲涅耳聚光系統的加工比較簡單。吸熱管通過透明的平板玻璃被封閉在次聚光鏡中（如圖7所示），熱損失較小，無需采用真空管，有利于成本的降低。

圖7 菲涅耳次聚光鏡及吸熱管Fig.7 Second concentrator and receiver pipe in linear Fresnel concentrator system

菲涅耳聚光發電技術目前尚處于商業化示范階段，澳大利亞、德國、法國和西班牙等國對該技術進行了實驗研究。德國的NOVATEC公司于2009年在西班牙南部建成1.4 MW的菲涅耳聚光太陽能電站，是世界上第一座采用菲涅耳式聚光的商業化示范性電站，該聚光系統的幾何聚光比約為200×，工作介質的溫度高于270℃，壓強＞55 bar，電站的光學效率約為67％。由于菲涅耳聚光的技術難點較少，成本較低，因此具有較好的發展前景，值得進一步研究和驗證。

3.5 地面接收聚光系統

地面接收聚光系統由聚光鏡場、塔頂反射鏡和地面接收器組成，它是由塔式聚光系統演化而來的，如圖8所示。

圖8 以色列300 kW地面接收聚光系統Fig.8 300 kW beam-down concentrator system in Israel

地面接收聚光系統的鏡場與塔式聚光系統相同，由一系列雙軸跟蹤的定日鏡布置而成。塔頂反射鏡采用雙曲面設計，與鏡場構成卡賽格林系統，將鏡場會聚而來的光線反射會聚到地面接收器。由于地面接收聚光系統的焦距較長，受太陽發散角、鏡面面形誤差及定日鏡跟蹤誤差的影響較大，地面接收光斑的尺寸較塔式聚光系統大，聚光比較低。為了提高聚光比，需要增加三維復合拋物面聚光器（CPC）進行3次聚光。地面接收聚光系統光學結構更為復雜，需要設計的參數包括定日鏡的幾何參數、鏡場的布置結構、塔頂反射鏡的面形、尺寸及焦距、三維CPC聚光器的口徑、接收角及高度等參數，需要在設計中考慮的性能參數包括鏡場的聚光效率、地面接收聚光系統的溢出損失、光斑的聚光比以及鏡場與塔頂反射鏡的匹配等。目前，地面接收聚光系統采用的設計方法是：首先利用鏡場設計軟件設計鏡場結構，然后根據鏡場的聚光特性設計塔頂反射鏡，塔頂反射鏡的設計可采用傳統光學設計軟件如Zemax，最后使用MATLAB工具對地面接收聚光系統進行建模，并采用蒙特卡羅光線追跡法對聚光系統進行分析，最終確定聚光系統的光學參數。

地面接收聚光系統的加工工藝關鍵在于塔頂反射鏡和三維CPC聚光鏡的制作，目前的加工方法是采用小尺寸的平面反射鏡進行拼接，這樣做的缺點是面形精度較低且縫隙損失較大。地面接收聚光系統采用多次反射聚光，增加了反射損失，降低了聚光比，但吸熱器放置在地面上，減少了熱損耗，降低了建塔成本，因此具有一定的優勢。近年來，以色列、日本等國對地面接收聚光技術進行了理論及實驗研究，其商業化可行性還有待進一步驗證。

4 結束語

太陽能熱發電被認為是發電穩定、對電網沖擊小并可實現規模發電的綠色能源利用技術，具有很好的發展前景，如何提高太陽能熱發電效率，降低發電成本是目前太陽能熱發電研究的焦點。本文重點闡述太陽能熱發電聚光系統的光學結構、聚光原理、聚光特性以及聚光器的設計方法和制作工藝，指出不同聚光系統的缺點和優勢，為太陽能熱發電聚光系統設計提供借鑒。

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Review of concentration system in solar thermal power plant

HAN Xue-bing1，2，WEI Xiu-dong1，LU Zhen-wu1，WU Hong-sheng1，GUO Bang-hui1，YANG Hong-bo1

（1.Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The development of solar thermal power generation technology is introduced.Five kinds of concentration systems，including parabolic trough concentrators，solar dishes，solar towers，lineal Fresnel concentrators and beam down concentrators，are presented.The optical structures，concentration principles，design methods and production process for the solar concentrators are described and the advantages and disadvantages of the different optical systems in the solar thermal power plant are commented.The discussion in this paper can provide references for design of solar thermal power plant concentration systems.

solar thermal power plant；concentration system

國家973重點基礎研究發展計劃資助項目（No.2010CB227101）

TK513.1

A

1674-2915（2011）03-0233-07

2011-01-21；

2011-04-13

韓雪冰（1969—），男，吉林長春人，碩士，助理研究員，主要從事太陽能熱發電聚光系統結構設計方面的研究。

E-mail：xbo208@yahoo.com.cn

盧振武（1955—），男，博士，研究員，主要從事衍射光學、非成像光學方面的研究。

E-mail：luzhenwu55@yahoo.com.cn