线聚光太阳能集热器发展综述

黄建新，唐梓彭，魏　超（.新疆华电苦水风电有限责任公司，新疆哈密839000；.华电电力科学研究院，浙江杭州30030）



线聚光太阳能集热器发展综述

黄建新1，唐梓彭2，魏超2
（1.新疆华电苦水风电有限责任公司，新疆哈密839000；2.华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

摘要：线聚光太阳能集热器在太阳能光热发电、工业用热以及民用太阳能供热与制冷等领域有着广泛的应用前景。本文综述了两类典型线聚光太阳能集热器：抛物面槽式集热器（PTC）与线性菲涅尔反射器（LFR）的发展与现阶段应用状况，并对线聚光集热器在我国未来的应用前景进行了讨论。

关键词：槽式太阳能集热器；线性菲涅尔反射器；综述

0　引言

聚光式太阳能集热器主要依靠反光镜聚光器反射太阳光，并于接收器处形成聚光带，达到聚光集热的目的。按聚光带形状不同，可分为点聚光型与线聚光型两类。

线聚光太阳能集热器主要包括抛物面槽式集热器（Parabolic trough collector，PTC）以及线性菲涅尔反射器（Linear Fresnel reflector，LFR）。PTC通过抛物面状聚光器跟踪太阳运动轨迹，并将入射到聚光面的太阳光线（直射辐射）反射并聚集至聚光器抛物面中心线处，形成条状聚光带；而LFR则借用菲涅尔透镜原理，将连续抛物面状聚光器简化为数量不等的多条独立平面反光镜，并采用各个反光镜单元单独跟踪追日的方法进行聚光。相较而言，LFR通过平面反光镜元阵列实现了与PTC连续抛物面相近的聚光效果，简化了镜面结构，降低了制造难度和成本。但是由于LFR反射镜元间普遍存在遮挡影响以及其本身结构造成的更大的光学损失，PTC的光学与热效率一般要高于LFR[1]。PTC与LFR的工作原理如图1所示。

线聚光太阳能集热器的最高运行温度可达400℃，因此多应用于中高温太阳能聚光发电（如图2所示），此类集热器的研究历程也与太阳能发电技术的起源与发展密切相关。国外学者对线聚光太阳能集热器的研究起步很早，同时得到了众多实际应用项目的支持。在我国，线聚光太阳能集热器的研究在2000年左右才进入比较快速的发展阶段，但由于缺少应用项目的支持以及我国太阳能集热器产业自身的不足，研究多以理论计算、经济性分析、进展调研以及小型实验为主。近年来，国内一些太阳能聚光发电实验项目的出现，为线聚光太阳能集热器在我国的发展提供了新的机遇。

1　PTC与LFR的发展与现状

1.1 PTC

1870年，美国工程师John Ericsson建立了一套聚光面积3.52m2的PTC系统，并使用其作为热源驱动一台功率373W的小型热机[3]，该试验系统标志着PTC技术发展的开端。其后30年间，Ericsson对PTC系统进行了多次不同方面的实验研究，并开始积极推进PT技术的商业化应用。然而，Ericsson的实验项目与推广计划因其于1889年去世而中断。1912年，另一位美国工程师Frank Shuman在埃及开罗附近的Meadi建立了世界上第一套大型PTC集热系统[3]，并第一次采用了玻璃外壳的集热管。其系统聚光总面积达1250m2，并在实验中测得了40.7%的峰值集热效率。1915年，由于第一次世界大战的爆发，以及当时世界化石能源供应充足，Shuman的PTC电力计划最终被终止。

二十世纪四十年代前后，西方学者重新对PTC以及其集热系统进行了实验与理论研究，并为西方国家七十年代开始的太阳能聚光发电商业化打下了基础。1975年前后，Honeywell International Inc与U.S. Government’s Sandia National Laboratories联合设计并建造了美国最早的两台真正意义上面向商业化运行的PTC，并对它们进行了性能测试。同一时期，针对PTC聚光器制造工艺的研究也发展起来。Michael[4]与D. L. Evans[5]于七十年代后期对PTC的理论传热模型进行了初步研究并做出了运行效率预测，但尚未对充分考虑实际运行情况。

二十世纪八十年代开始，聚光太阳能发电（Concentrated Solar Power，CSP）技术开始进入商业化阶段，而其中最具代表性、技术发展最成熟、应用最广泛的便是PTC技术。1984～1989年，Luz International Ltd设计并制造了LS1～LS3三种型号的PTC（如图3所示）并相继应用于美国的Solar Electric Generating System（SEGS）系列电力项目。1992年，Solel Belgium（现称Solel Solar Systems Ltd）并购了Luz International Ltd，随后推出了LS4型的PTC试验机，但并未投入实际应用。这一期间，涉及PTC的研究多以LS1～LS3型集热器为基础进行实验测试或理论分析。九十年代后期，采用PTC的太阳能电力在欧洲也开始获得重视并开始快速发展。Fichtner Solar以及Flabeg SolarInt等欧洲研究机构或企业结成联合体，并合作推进了新一代PTC（EuroTrough collector）的研制，目的是为了替代当时的LS3型集热器，并于1998年前后推出了ET-100与ET-150系列的新PTC。EuroTrough改进了先前同类集热器结构重量大、占地面积大、运输与维护成本高等问题，提高了PTC的市场竞争力。到2003年，第三代EuroTrough集热器（SKAL-ET）已在美国SEGS-V电站投入实际运行。同一时期，SENER（西班牙）、Italian National Environmental& Renewable Research Centre（意大利）以及Solarlite（德国）等西方企业或研究机构也推出了面向聚光太阳能发电项目的的PTC。

随着采用PTC的聚光太阳能发电技术的日益成熟，更多的学者开始对PTC的基础理论开展更深入的研究，而我国学者对PTC的研究也与2000年前后开始出现。王志峰[6]，对单轴跟踪形式的PTC进行了光学分析，并对集热管内流体的混合对流和传热过程进行了探讨；Forristall[7]等，通过更深入的传热研究与考虑各类影响因子的作用，得到了更精确但复杂的PTC效率公式，并建立了相关的接收器集热管热力学模型；Riffelmann[8]等对采用抛物面热流扫描仪对PTC聚焦平面上的热流分布进行了测量，并以此来进行光学误差的分析；肖杰等[9]对PTC系统的聚光特性进行了模拟研究，并得出了PTC集热管内热流的分布特性；Soteris A. Kalogirou[10]对PTC集热器的传热机理进行了详细分析，考虑了三种传热形式，并借助EES建立了PTC的详细传热模型；东朝阳[11]等优化了的PTC的热力学模型，并分析了影响集热器热效率的主要因素。

由于西方国家成熟的太阳能聚光发电应用项目的支持，PTC高温光热利用技术已获得了相对充分的研究。在其他中低温太阳能光热利用领域中，例如太阳能吸收式制冷，PTC也得到了一定程度的利用。但整体来看，由于其他中低温太阳能集热器的竞争，以及PTC本身制造成本高、占地空间大以及更适宜大规模系统应用等特点，太阳能光热发电仍将是PTC技术的主要利用领域。表1列出了有代表性的PTC聚光太阳能电站。

表1　采用PTC技术的的聚光太阳能电站[3]

1.2 LFR

与起源于十九世纪的PTC技术相比，LFR技术的起源要晚得多。意大利学者Giovanni Francia[12]最早于1962年左右提出了LFR的设计并付诸实验。图4所示为Francia设计并试验的FLR。随后多数针对LFR技术的研究都与美国US Central Receiver项目有关，并主要以跟踪技术的研究为主。1979年，Di Canio[13]等设计了一套10MW至100MW的线性菲涅尔聚光太阳能电站并进行了详细研究，试验研究的成功标志了LFR发电技术商业化的开端。

2000年，Mills与Morrison[14]提出紧凑式线性菲涅尔反射器（Compact Linear Fresnel Reflector，CLFR）概念（如图5所示），这种新概念改进了传统LFR因反射镜相互遮挡而造成效率降低的问题，并已经投入澳大利亚Liddell电站（如图6所示）的实际运行。其后，随着LFR技术越来越多的被西方国家的聚光太阳能电站采用，更多针对LFR技术的深入研究开始出现。Reynolds等[15]对采用梯形接收器的LFR系统的热损失情况进行了实验与理论研究，其计算热损失比实验热损失低约40%，显示了LFR运行中外界不确定性因素的影响。M. Lin等[16]对采用V型接收器腔体的LFR系统进行了实验研究，得到了其集热效率随腔体温度的变化情况。F.J. Pino等[17]对单轴跟踪式LFR系统进行了数学建模与实验验证，研究了其使用水为工质时的热性能，并验证了其模型的准确性。R. Abbas等[18]提出了新的高聚光率LFR系统，同时阐述了LFR技术在CSP电站领域中的优势与发展前景。

我国学者对LFR技术的研究在近年来也开始出现。山东大学的宋固[19]与车淑萍[20]分别针对LFR的集热性能与光学性能做了理论分析，并进行了基础的实验研究。杜春旭等[21]对LFR的反射镜元跟踪策略进行了数值计算以及实验研究，得到了不同季节、不同时间下LFR反射镜元跟踪倾角的具体数值与变化趋势。Jia He 等[22]讨论了典型LFR集热器的设计与优化方案，并分析了反射镜单元与接收器高度等参数的选定对集热器性能的影响。

现阶段，LFR技术已经成为具有竞争力的聚光太阳能集热技术，在CSP电力领域中已成为十分具有竞争力的技术方案。在其他太阳能光热利用领域中，LFR技术还没有得到重视。表2列出了现有的采用LFR或CLFR技术的聚光太阳能电站[23]。

表2　采用LFR或CLFR技术的的聚光太阳能电站

2　线聚光太阳能集热器的未来发展趋势

现阶段，面向太阳能聚光发电的PTC与LFR技术已经获得了较为全面的发展，并在世界范围内的许多太阳能电站得到了应用。但是，在线聚光太阳能集热器未来的发展中，仍有一些值得继续研究与改进的方面：

（1）降低集热器成本。线聚光太阳能集热器的主要部件：反射器镜面、金属支撑结构以及跟踪系统造成了此类集热器比非聚光集热器高得多的制造与维护成本。通过改进反射器镜面制造工艺、优化支撑结构设计以及采用新材料等手段来有效减少此类集热器的制造成本，降低采用线聚光集热器系统的初始投资，将提升此类集热器应用技术在未来的市场竞争力。

（2）提高集热能力。集热能力是太阳能集热器最关键的评价指标。线聚光太阳能集热器在实际运行中由于太阳位置的实时变动以及环境因素的影响，造成了其光学性能变化与集热损失。而跟踪精准度、反射器聚光效果以及接收器集热效果也对整体集热性能有很大影响。通过优化跟踪追日策略、改进反射器光学设计以及提高集热管保温隔热能力等手段以提升线聚光集热器的集热能力，使之在不同温度的太阳能光热利用范围内均可有更有效地运行。

（3）拓展应用范围。线聚光太阳能集热器不仅适用于高温太阳能聚光发电，在中低温太阳能热利用领域也有着很好的应用前景。在诸如区域型太阳能供热制冷等领域中，线聚光太阳能集热器均可得到有效利用。而拓展应用范围的经济与技术关键正如（1）、（2）所述，这三点构成了相互关联与影响的整体，也是线聚光太阳能集热器未来发展的主要方向。

3　结语

我国针对聚光太阳能集热器的研究与应用较晚，但近年来随着国家政策对太阳能产业的支持以及国内太阳能产业的不断发展，一些应用线聚光太阳能集热器的试验项目开始出现。2010年起，我国已计划在宁夏、甘肃以及海南等地建立数个PTC太阳能发电试验项目[24]，线聚光太阳能集热器将在我国未来的太阳能光热发电产业中发挥重要作用。在电力应用以外，国内近年来也出现了一些采用PTC技术的中低温太阳能集中热水、供热与制冷系统工程，但由于缺少相关建设与检测技术规范以及国内太阳能集热器制造业技术水平的不足，线聚光太阳能集热器在我国的实际应用仍未形成规模，市场占有率也很低。对我国而言，建立一套适用于线聚光集热器的工程、检测与设计规范以及继续提升太阳能制造业的整体技术水平将成为未来一段时间内需要首先解决的问题。

参考文献：

[1] Najla El Gharbi，Halima Derbal，Sofiane Bouaichaoui，Noureddine Said. A comparative study between parabolic trough collector and linear Fresnel reflector technologies[J]. Ener gy Procedia，2011，（6）：565～572.

[2] Soteris A. Kalogirou. Solar thermal collectors and applications[J]. Progress in Energy and Combustion Science，2004，30：231～295.

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

[4] Michael，W. Edenburn. Performance analysis of a cylindrical parabolic focusing collector and comparison with experimental results [J]. Solar Energy，1976，18：437～444.

[5] D.L.Evans.On the performance ofcylindrical parabolic solar concentrators with flat absorbers[J].Solar Energy，1977，9（4）：379～385.

[6]王志峰.抛物跟踪式太阳高温集热器的研究[J].太阳能学报，2000，21 （1）：69～76.

[7] Forristall R. Heat Transfer Analysis and Modeling of a Parabolic Trough Solar Receiver Implemented in Engineering Equation Solver. NREL report under Task No. CP032000，2003.

[8] Riffelmann K J，Neumann A，Ulmer S. Performance enhancement ofparabolic trough collectors by solar flux measurement in the focal region [J]. Solar Energy，2006，80（10）：1303～1313.

[9]肖杰，何雅玲，程泽东，等.槽式太阳能集热器集热性能分析[J].工程热物理学报. 2009，30（5）：729～733.

[10] Soteris A . Kalogirou. A detailed therm al model of a parabolic trough collector receiver[J]. Energy，2012，48：298～306.

[11]东朝阳，张明智，耿士敏.抛物槽式集热器热效率研究[J].节能，2012，31（7）：28～32.

[12] Soteris A. Kalogirou. Solar thermal collectors and applications[J]. Progress in Energy and Combustion Science，2004，30：231～295.

[13] Guangdong Zhu，Tim Wendelin，Michael J. Wagner，Chuck Kutscher. History，current state，and future of linear Fresnel concentrating solar collectors[J]. Solar Energy，2013.

[14] David R. Mills，Graham L. Morrison. Compact linear fresnel reflector solar thermal powerplants[J]. Solar Energy，2000，68（3）：263～283.

[15] Reynolds DJ，Jance MJ，Behnia M，Morrison GL. An experimental and compu-tational study of the heat loss characteristics of a trapezoidal cavity absorber[J].Solar Energy，2004，76：229～34.

[16] M. Lin，K. Sumathy，Y.J. Dai et al. Experime ntal and theoretica l analysis on a linear Fresnel reflector solar collector prototype with V-shaped cavity receiver[J]. Applied Thermal Engineering .2013，51：963～972.

[17] F.J. Pino，R. Caro，F. Rosa. Experimental validation of an optical and thermal model of a linear Fresnel collector system[J]. Applied Thermal Engineering，2013，50：1463～1471.

[18] R. Abbas，J. Muoz-Antón，M. Valdés et al. High concentration linear Fresnel reflectors[J]. Energy Conversion and Management，2013，72：60～68.

[19]宋固.线性菲涅尔反射式太阳能集热系统研究[D].山东大学，2011.

[20]车淑萍.线性菲涅尔反射系统光学和集热性能研究[D].山东大学，2012.

[21]杜春旭，王普，马重芳，等.菲涅耳太阳能聚光系统跟踪倾角的矢量算法[J].太阳能学报，2011，32（6）：831～835.

[22] Jia He，Zhongzhu Qiu，Qiming Li，Yi Zhang. Optical Design of Linear Fresnel Reflector Solar Concentrators[J]. Energy Procedia，2012，14：1960～1966.

[23]李启明，郑建涛，徐海卫，等.线性菲涅尔式太阳能热发电技术发展概况[J].太阳能，2012，（7）：41～45.

[24]郑建涛，裴杰.我国聚光型太阳能热发电技术发展现状[J].热力发电，2010，40（8）：8，9.

修回日期：2016-01-04

A Review of Linear Concentrated Solar Collectors’Development

HUANG Jian-xin1，TANG Zi-peng2，WEI Chao2
（1. Huadian Xinjiang Kushui Wind Power Co.，Ltd，Hami 839000，China；2. Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Abstract：Linear concentrated solar collectors have a wide prospect of applications in aspects like solar thermal power generation，industrial heat supply or domestic solar heating and cooling. This paper focused on two kinds of linear concentrated solar collectors which are Parabolic Trough Collector，PTC and Linear Fresnel Reflector，LFR. Their developments and applications were reviewed and their future application prospect in China was discussed.

Key words：parabolic trough collector；linear fresnel reflector；review

收稿日期：2015-11-02

作者简介：黄建新（1965-），男，四川乐至人，副总工程师，主要从事新能源管理、安全生产管理等工作。

中图分类号：TK512

文献标识码：A

文章编号：2095-3429（2016）01-0021-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.005