韓雪冰，魏秀東，盧振武，吳宏圣，郭邦輝，楊洪波

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049）

太陽(yáng)能熱發(fā)電聚光系統(tǒng)的研究進(jìn)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(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049）

概述了太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，介紹了用于太陽(yáng)能熱發(fā)電的5種聚光系統(tǒng)，包括槽式、碟式、塔式、線性菲涅耳式以及地面接收式。詳細(xì)闡述了這些聚光系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)、聚光原理以及聚光器件的設(shè)計(jì)方法和制作工藝，指出了不同聚光系統(tǒng)在聚光過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)。文中的討論可為太陽(yáng)能熱發(fā)電聚光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

太陽(yáng)能熱發(fā)電；聚光系統(tǒng)

1 引 言

能源和環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)的重大研究課題，太陽(yáng)能作為清潔、豐富、可再生并可廣泛獲取的能源備受關(guān)注。近10年來(lái)，太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)［1］以其生命周期排碳低、電價(jià)低和對(duì)電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)勢(shì)發(fā)展迅猛。與傳統(tǒng)火力發(fā)電不同，太陽(yáng)能熱發(fā)電利用聚光集熱系統(tǒng)收集太陽(yáng)輻射并獲得高溫?zé)崮?，再將熱能轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽推動(dòng)熱輪機(jī)發(fā)電。太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由聚光器、集熱器、儲(chǔ)熱/補(bǔ)燃裝置和熱發(fā)電裝置組成。與太陽(yáng)光伏發(fā)電技術(shù)相比，太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是可以使用廉價(jià)的儲(chǔ)熱/補(bǔ)燃裝置實(shí)現(xiàn)電站的無(wú)間斷運(yùn)行，并持續(xù)為用戶供電。另外，隨著電站規(guī)模的擴(kuò)大，太陽(yáng)能熱發(fā)電成本可以進(jìn)一步降低并實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)化石能源的競(jìng)爭(zhēng)，因此具有很好的發(fā)展前景。

我國(guó)太陽(yáng)輻射資源豐富，發(fā)展太陽(yáng)能熱發(fā)電的前景非常廣闊，因此開(kāi)展太陽(yáng)能熱發(fā)電研究意義重大。本文概述了國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能熱發(fā)電的發(fā)展?fàn)顩r，介紹了5種太陽(yáng)能熱發(fā)電用聚光系統(tǒng)，包括槽式、碟式、塔式、線性菲涅耳式和地面接收式。詳細(xì)闡述了這5種聚光系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)、聚光原理以及聚光器的設(shè)計(jì)方法和制作工藝，指出了不同聚光系統(tǒng)在聚光過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 太陽(yáng)能熱發(fā)電研究狀況

太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)研究始于20世紀(jì)中葉，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)尚不成熟，發(fā)展比較緩慢。自1977年石油危機(jī)發(fā)生以后，對(duì)太陽(yáng)能利用研究的興趣被重新激起，從而使太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。近年來(lái)，隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)以及對(duì)環(huán)境污染和氣候變化問(wèn)題的重視，在全世界范圍內(nèi)掀起了太陽(yáng)能熱發(fā)電研究的熱潮。到目前為止，太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)發(fā)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(shù)最為成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行，碟式、塔式和菲涅耳式的商業(yè)化示范電站已經(jīng)建立，其商業(yè)化投資和運(yùn)行成本還需證實(shí)，地面接收式也正在開(kāi)展示范性研究。在太陽(yáng)能熱發(fā)電研究方面，美國(guó)和歐盟國(guó)家投入較早，在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。美國(guó)于1983～1990年間在加州建成了 9座商業(yè)化槽式電站，總裝機(jī)容量為353.8 MW，年發(fā)電總量為8×108kW·h。1981年，美國(guó)在加州建成首座塔式太陽(yáng)能示范電站，裝機(jī)容量為10 MW。法國(guó)于1983年建成Themis塔式試驗(yàn)電站，輸出電功率為2 MW。西班牙于1984年建成塔式試驗(yàn)電站CESA-1，峰值功率為1 MW。德國(guó)在太陽(yáng)能聚光設(shè)備加工方面處于世界領(lǐng)先地位，生產(chǎn)的拋物槽式聚光鏡以及真空集熱管在太陽(yáng)能熱發(fā)電市場(chǎng)占有很大比重。近年來(lái)，美國(guó)及歐盟政府非常重視可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，并在政策上對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電研究給予大力支持。這些政策加快了太陽(yáng)能熱發(fā)電的商業(yè)化進(jìn)程。2005年，西班牙建成歐洲第一座商業(yè)化示范運(yùn)行的塔式電站PS10，峰值發(fā)電功率為11 MW［2］。2008年，美國(guó)的Esolar公司開(kāi)發(fā)了模塊化塔式聚光發(fā)電技術(shù)，建成了模塊化示范電站，發(fā)電功率為5 MW［3］。2009年，德國(guó)的NOVATEC公司在法國(guó)南部建成世界上第一座菲涅耳式商業(yè)化太陽(yáng)能示范電站，峰值發(fā)電功率為1.4 MW。與美國(guó)及歐盟國(guó)家相比，世界其它國(guó)家對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電的研究投入較晚，只是近年來(lái)才開(kāi)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(tǒng)［4］，鏡場(chǎng)采光面積為800 m2，另外對(duì)密集型線性菲涅耳聚光技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，建成了功率為1 MW 的示范電站［5］。以色列的 Weizmann實(shí)驗(yàn)室對(duì)地面接收式聚光進(jìn)行了試驗(yàn)，并將該系統(tǒng)用于太陽(yáng)爐的相關(guān)研究［6］。2006年，中國(guó)建成70 kW 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)［7］，并將于2010年底在北京延慶建成1 MW塔式太陽(yáng)能電站［8］。另外，日本和韓國(guó)也開(kāi)展了太陽(yáng)能熱發(fā)電的研究，力求掌握相關(guān)技術(shù)。印度、北非以及中東等太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)，通過(guò)引進(jìn)或自行研發(fā)等方式，也在加快發(fā)展太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)。

目前，太陽(yáng)能熱發(fā)電面臨的主要問(wèn)題是發(fā)電成本較高，仍無(wú)法與常規(guī)化石能源發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)，因此，降低發(fā)電成本、提高發(fā)電效率是太陽(yáng)能熱發(fā)電研究的主要目標(biāo)。近年來(lái)采取的研究方案主要包括電站的規(guī)模化、聚光系統(tǒng)的優(yōu)化、吸熱傳熱系統(tǒng)的優(yōu)化及新材料的制備等，另外，太陽(yáng)能電站對(duì)環(huán)境的影響也是需要考慮的問(wèn)題。

3 太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)

太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)用于將低密度的太陽(yáng)輻射會(huì)聚到吸熱器表面，進(jìn)而獲得可用于熱發(fā)電的高溫?zé)崃?。目前，太?yáng)能熱發(fā)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(yōu)勢(shì)，也受到了關(guān)注。

3.1 拋物槽式聚光系統(tǒng)

拋物槽式聚光系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)Fig.1 “EuroTrough”parabolic trough concentration system in Spain

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

拋物槽式聚光系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)包括聚光鏡口徑、焦距、邊緣角等，在設(shè)計(jì)中需要考慮的性能參數(shù)包括聚光比、光斑溢出損失等。槽式聚光鏡經(jīng)過(guò)了幾代的發(fā)展，其口徑、焦距、邊緣角等參數(shù)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(xué)設(shè)計(jì)軟件如Zemax、Tracepro、ASAP等可對(duì)拋物槽式聚光系統(tǒng)進(jìn)行建模，并借助MATLAB對(duì)聚光系統(tǒng)進(jìn)行蒙特卡羅光線追跡，分析聚光系統(tǒng)的光學(xué)性能，最終確定聚光結(jié)構(gòu)。

拋物槽式聚光系統(tǒng)的關(guān)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(nèi)管及表面選擇性吸收涂層、內(nèi)外管間高度真空環(huán)形空間、內(nèi)管內(nèi)插固體阻塞件以及絕熱端等部分組成，其關(guān)鍵技術(shù)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(zhǎng)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(jiǎn)單，關(guān)鍵技術(shù)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(hù)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(shù)已經(jīng)成熟，并已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在聚光鏡及真空集熱管的加工方面均已具備生產(chǎn)能力，電站設(shè)計(jì)規(guī)模為30～100 MW，聚光比約為50～90×，年光電轉(zhuǎn)化效率約為14％，發(fā)電成本約為12 cent/kW·h，當(dāng)發(fā)電成本降到8 cent/kW·h時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電可與常規(guī)礦物能源發(fā)電相媲美。為了進(jìn)一步降低發(fā)電成本，槽式聚光的研究主要集中在：通過(guò)光學(xué)、機(jī)械等優(yōu)化設(shè)計(jì)降低聚光鏡成本，提高聚光效率；延長(zhǎng)真空集熱管的使用壽命并實(shí)現(xiàn)500℃高溫運(yùn)行等。

3.2 碟式聚光系統(tǒng)

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

碟式聚光發(fā)電系統(tǒng)可分為單碟式和多碟式兩種。單碟式聚光系統(tǒng)由單個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)組成，如圖2所示。多碟式聚光系統(tǒng)由多個(gè)尺寸較小的碟形反光鏡和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)組成，如圖3所示。

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

碟式聚光鏡利用旋轉(zhuǎn)拋物面對(duì)平行光的理想會(huì)聚特性將太陽(yáng)光會(huì)聚于焦點(diǎn)處的斯特林發(fā)電機(jī)上。聚光鏡可繞雙軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的三維跟蹤，始終使陽(yáng)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(gè)尺寸較小的碟形反光鏡代替單個(gè)大尺寸拋物面鏡，降低了聚光鏡的加工難度。

碟式聚光系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方法與槽式聚光系統(tǒng)相似。碟式聚光系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡的加工。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種外燃（或外部加熱）封閉循環(huán)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，其對(duì)燃燒方式或外燃系統(tǒng)的特性無(wú)特殊要求，只要外燃溫度高于閉式循環(huán)中的工質(zhì)溫度即可。近年來(lái)，美國(guó)、日本、德國(guó)等對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究，并已具備生產(chǎn)能力，如西班牙的Eurodish碟式聚光發(fā)電系統(tǒng)采用了德國(guó)SOLO公司生產(chǎn)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。拋物面反光鏡的制作關(guān)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(jìn)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(tǒng)的聚光比較高，可超過(guò)1 000×，工作溫度達(dá)700℃，采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，最高光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)29.4％。碟式聚光發(fā)電系統(tǒng)單臺(tái)最大裝機(jī)容量約為25 kW，可單獨(dú)供電，也可多臺(tái)并網(wǎng)發(fā)電，無(wú)需用水，適合在沙漠地區(qū)使用。由于聚光鏡、驅(qū)動(dòng)裝置以及斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵元件的制造成本較高，導(dǎo)致碟式聚光系統(tǒng)的投資成本較高，約為12 000$/kW。為了實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，還需進(jìn)一步降低碟式聚光發(fā)電的成本。

3.3 塔式聚光系統(tǒng)

塔式聚光系統(tǒng)可分為單塔式和多塔式聚光陣列，單塔式聚光系統(tǒng)由鏡場(chǎng)、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(fā)電系統(tǒng)Fig.4 PS10 solar tower concentration system in Spain

鏡場(chǎng)將低密度的太陽(yáng)輻射會(huì)聚于塔頂吸熱器，再由吸熱器將高密度能流轉(zhuǎn)化為熱能并通過(guò)傳熱工質(zhì)傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行發(fā)電。鏡場(chǎng)由定日鏡布置而成，定日鏡繞雙軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的三維跟蹤，并將陽(yáng)光反射到塔頂吸熱器上。定日鏡的聚光性能決定了鏡場(chǎng)光斑的質(zhì)量。定日鏡的面形有平面和曲面兩種，平面定日鏡加工裝調(diào)簡(jiǎn)單，成本低，由于對(duì)光線無(wú)會(huì)聚作用，定日鏡尺寸一般較小，以保證較小的鏡場(chǎng)光斑。曲面定日鏡加工裝調(diào)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(tǒng)的規(guī)模受到塔高以及定日鏡跟蹤精度的限制，電站的規(guī)模不能無(wú)限大。為了實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的塔式太陽(yáng)能發(fā)電，提出了多塔式太陽(yáng)聚光陣列結(jié)構(gòu)［9］，如圖5所示。

多塔式鏡場(chǎng)聚光陣列由定日鏡場(chǎng)和多個(gè)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(chǎng)部分重疊，傳熱工質(zhì)通過(guò)吸熱器加熱到高溫以后匯聚起來(lái)，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)電。隨著太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，定日鏡場(chǎng)一些區(qū)域的光學(xué)效率不斷變化，為了獲得最大的鏡場(chǎng)光學(xué)效率，可有選擇地控制定日鏡場(chǎng)的一些區(qū)域?qū)⑻?yáng)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(yáng)聚光陣列Fig.5 Multi-tower solar concentrator array

塔式聚光系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)中需要考慮定日鏡和鏡場(chǎng)兩部分。定日鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)主要在于面形設(shè)計(jì)，可采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件如ZEMAX，設(shè)計(jì)過(guò)程比較簡(jiǎn)單。定日鏡在聚光過(guò)程中陽(yáng)光的入射角變化范圍較大，球面或其它旋轉(zhuǎn)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(diǎn)是加工裝調(diào)比較困難，制作工藝還需驗(yàn)證。鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)是通過(guò)優(yōu)化鏡場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)出成本低、年聚光效率高的鏡場(chǎng)布置，設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜，需要編制專用的設(shè)計(jì)軟件。鏡場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括地理緯度、定日鏡尺寸及數(shù)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(shè)計(jì)中考慮的性能參數(shù)包括鏡場(chǎng)的余弦效率、相鄰定日鏡間的陰影擋光損失、大氣對(duì)會(huì)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(chǎng)的設(shè)計(jì)軟件［11］主要有 HELIOS、DELSOL3、HFLCAL、WinDELSOL1.0、SENSOL等，國(guó)內(nèi)的鏡場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件有HFLD1.0［12］，已用于北京延慶1MW塔式電站的鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)與性能分析中。

塔式聚光系統(tǒng)的關(guān)鍵在于低成本高精度的定日鏡加工及跟蹤控制。對(duì)于小尺寸平面定日鏡，鏡面成本較低，但定日鏡數(shù)量龐大，控制復(fù)雜。對(duì)于大尺寸曲面定日鏡，鏡場(chǎng)控制成本較低，但曲面反射鏡的加工裝調(diào)成本高，且在外場(chǎng)環(huán)境下受風(fēng)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(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在鏡場(chǎng)規(guī)模、鏡場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鏡場(chǎng)跟蹤控制、定日鏡的加工與裝調(diào)等方面還不成熟，塔式發(fā)電技術(shù)目前還處于商業(yè)化運(yùn)行的示范階段。目前，塔式商業(yè)示范電站的設(shè)計(jì)規(guī)模約為10～20 MW，聚光比約為300～1 000×，年光電轉(zhuǎn)化效率約為15％。塔式聚光系統(tǒng)的研究焦點(diǎn)在于定日鏡光學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)及鏡場(chǎng)布置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.4 線性菲涅耳聚光系統(tǒng)

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

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

菲涅耳聚光系統(tǒng)的主聚光鏡由一系列可繞水平軸旋轉(zhuǎn)的條形平面反射鏡組成，可跟蹤太陽(yáng)并將陽(yáng)光會(huì)聚于鏡場(chǎng)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(jìn)行二次聚光，次聚光鏡的面形為二維復(fù)合拋物面（CPC），CPC是一種理想的非成像聚光器，聚光性能可達(dá)到最優(yōu)。

菲涅耳聚光的另一種改進(jìn)形式是密集型線性菲涅耳聚光，它具有兩個(gè)或多個(gè)吸熱管，在工作過(guò)程中，相鄰的條形反射鏡可瞄準(zhǔn)不同的吸熱管進(jìn)行聚光，這樣可以減少反射鏡間的陰影擋光損失及鏡場(chǎng)占地面積。菲涅耳式聚光系統(tǒng)采用二次聚光方式，光學(xué)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)的參數(shù)包括條形反射鏡的尺寸及間距、主聚光鏡場(chǎng)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(shè)計(jì)中考慮的性能參數(shù)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(tǒng)主聚光鏡為一系列離散的條形反射鏡，且不同時(shí)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(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件如Zemax、ASAP等很難對(duì)菲涅耳聚光系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬和分析，可使用MATLAB進(jìn)行編程，并采用蒙特卡羅光線追跡法對(duì)聚光系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析，最終確定聚光系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)。

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(chǎn)工藝已經(jīng)很成熟，因此，菲涅耳聚光系統(tǒng)的加工比較簡(jiǎn)單。吸熱管通過(guò)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(wú)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(fā)電技術(shù)目前尚處于商業(yè)化示范階段，澳大利亞、德國(guó)、法國(guó)和西班牙等國(guó)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。德國(guó)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(yáng)能電站，是世界上第一座采用菲涅耳式聚光的商業(yè)化示范性電站，該聚光系統(tǒng)的幾何聚光比約為200×，工作介質(zhì)的溫度高于270℃，壓強(qiáng)＞55 bar，電站的光學(xué)效率約為67％。由于菲涅耳聚光的技術(shù)難點(diǎn)較少，成本較低，因此具有較好的發(fā)展前景，值得進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

3.5 地面接收聚光系統(tǒng)

地面接收聚光系統(tǒng)由聚光鏡場(chǎng)、塔頂反射鏡和地面接收器組成，它是由塔式聚光系統(tǒng)演化而來(lái)的，如圖8所示。

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

地面接收聚光系統(tǒng)的鏡場(chǎng)與塔式聚光系統(tǒng)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(shè)計(jì)，與鏡場(chǎng)構(gòu)成卡賽格林系統(tǒng)，將鏡場(chǎng)會(huì)聚而來(lái)的光線反射會(huì)聚到地面接收器。由于地面接收聚光系統(tǒng)的焦距較長(zhǎng)，受太陽(yáng)發(fā)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(tǒng)大，聚光比較低。為了提高聚光比，需要增加三維復(fù)合拋物面聚光器（CPC）進(jìn)行3次聚光。地面接收聚光系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)的參數(shù)包括定日鏡的幾何參數(shù)、鏡場(chǎng)的布置結(jié)構(gòu)、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(shù)，需要在設(shè)計(jì)中考慮的性能參數(shù)包括鏡場(chǎng)的聚光效率、地面接收聚光系統(tǒng)的溢出損失、光斑的聚光比以及鏡場(chǎng)與塔頂反射鏡的匹配等。目前，地面接收聚光系統(tǒng)采用的設(shè)計(jì)方法是：首先利用鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)鏡場(chǎng)結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)鏡場(chǎng)的聚光特性設(shè)計(jì)塔頂反射鏡，塔頂反射鏡的設(shè)計(jì)可采用傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件如Zemax，最后使用MATLAB工具對(duì)地面接收聚光系統(tǒng)進(jìn)行建模，并采用蒙特卡羅光線追跡法對(duì)聚光系統(tǒng)進(jìn)行分析，最終確定聚光系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)。

地面接收聚光系統(tǒng)的加工工藝關(guān)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(jìn)行拼接，這樣做的缺點(diǎn)是面形精度較低且縫隙損失較大。地面接收聚光系統(tǒng)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(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，以色列、日本等國(guó)對(duì)地面接收聚光技術(shù)進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究，其商業(yè)化可行性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能熱發(fā)電被認(rèn)為是發(fā)電穩(wěn)定、對(duì)電網(wǎng)沖擊小并可實(shí)現(xiàn)規(guī)模發(fā)電的綠色能源利用技術(shù)，具有很好的發(fā)展前景，如何提高太陽(yáng)能熱發(fā)電效率，降低發(fā)電成本是目前太陽(yáng)能熱發(fā)電研究的焦點(diǎn)。本文重點(diǎn)闡述太陽(yáng)能熱發(fā)電聚光系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)、聚光原理、聚光特性以及聚光器的設(shè)計(jì)方法和制作工藝，指出不同聚光系統(tǒng)的缺點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，為太陽(yáng)能熱發(fā)電聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。

［1］STINE W B，GEYER M.Power from the Sun［M/OL］.Miami：Miami Country Day School，2001.［2010-03-01］.http：//www.powerfromthesun.net/book.htm.

［2］10 MW solar thermal power plants for southern Spain［R/OL］.（2006-01-06）.［2010-03-06］.http：//ec.europa.eu/energy/res/sectors/doc/csp/ps10_final_report.pdf.

［3］SCHELL S.Design and evaluation of esolar′s heliostat fields［J］.Solar Energy，2010，185（4）：614-619.

［4］KEITH L，MIKE D.Solar thermal energy systems in Australia［J］.International J.Environmental Studies，2006，63（6）：791-802.

［5］MILLS D R，LIEVRE P L，MORRISON G L.First results from compact linear Fresnel reflector installation［R/OL］.（2004-01-06）.［2010-03-05］.http：//solarheatpower.veritel.com.au/MILLS_CLFR_ANZSES_FINAL.pdf.

［6］WIECHERT C，F(xiàn)ROMMHERZ U，KRAUPL S，et al..A 300 kW solar chemical pilot plant for the carbothermic production of zinc［J］.Transactions ASME，2007，129：190-196.

［7］張耀明，劉德有，張文進(jìn)，等.70 kW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)［J］.太陽(yáng)能，2007（10）：19-23.ZHANG Y M，LIU D Y，ZHANG W J，et al..Research and development of the 70 kW solar tower power system［J］.Solar energy，2007（10）：19-23.（in Chinese）

［8］YAO Z H，WANF Z F，LU Z W，et al..Modeling and simulation of the pioneer 1 MW solar thermal central receiver system in China［J］.Renewable Energy，2009，34：2437-2446.

［9］SCHRAMEK P，MILLS D R.Multi-tower solar array［J］.Solar Energy，2003，75（3）：249-260.

［10］魏秀東，盧振武，林梓，等.太陽(yáng)能塔式電站輪胎面定日鏡的設(shè)計(jì)及性能分析［J］.光子學(xué)報(bào)，2008，37（11）：2468-2472.WEI X D，LU ZH W，LIN Z，et al..Design and performance analysis of toroidal heliostat in solar tower power plant［J］.Acta Photonica Sinica，2008，37（11）：2468-2472.（in Chinese）

［11］GARCIA P，F(xiàn)ERRIERE A，BEZIAN J J.Codes for solar flux calculation dedicated to central receiver system applications：a comparative review［J］.Solar Energy，2008，82（3）：189-197.

［12］WEI X D，LU Z W，YU W X，et al..A new code for the design and analysis of the heliostat field layout for power tower system［J］.Solar Energy，2010，84（4）：685-690.

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，F(xiàn)ine 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(guó)家973重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)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(zhǎng)春人，碩士，助理研究員，主要從事太陽(yáng)能熱發(fā)電聚光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xué)、非成像光學(xué)方面的研究。

E-mail：luzhenwu55@yahoo.com.cn