关于太阳能热发电聚光系统的分析

康文涛

(三峡新能源酒泉朝阳新能源发电有限公司，甘肃 酒泉 730050)



关于太阳能热发电聚光系统的分析

康文涛

(三峡新能源酒泉朝阳新能源发电有限公司，甘肃 酒泉 730050)

本文对太阳能热发电聚光系统进行分析与探讨，基于太阳能热发电研究状况，对太阳能聚光系统的四种应用形式进行了分析，并对太阳能聚光系统的应用进行了展望。

太阳能；热发电；聚光系统；分析

我国能源消费总量连续多年位居世界前列，但新能源的利用率仅约为10%。大力发展太阳能等清洁型能源是世界能源市场趋势。

美国和欧盟国家最早对太阳能热发电进行研究，技术处于世界领先地位。美国对可再生能源开发利用十分重视，在政府的帮助下，太阳能发电已经步入商业化模式。我国近年来开始引进和自主研发太阳能热发电技术，2010年建成1 MW的塔式太阳能发电站，现正在逐步加快对太阳能热发电系统的研究和建设。

1 太阳能聚光系统分析

1.1 抛物槽式聚光系统

该系统的聚光设备为抛物柱面聚光镜，水平放置，多和吸热管平行，采用绕单轴旋转跟踪太阳光的方式，以保证太阳光线的直射方向始终与旋转轴垂直。为了保证聚光效果，抛物面会将太阳光会聚在聚焦线处的吸热管上。系统光学结构中的主要几何参数有:聚光镜的口径、焦距以及边缘角，因此在设计过程中应当重点考虑聚光比和光斑的溢出损失。抛物槽式聚光发电系统如图1所示。

图1 抛物槽式聚光发电系统Fig.1 Parabolic-trough type concentrating power generation system

在设计时，主要利用光学软件对系统进行建模，并利用相关工具对蒙特卡罗光纤追踪，在分析系统光学性能之后，可以确定其聚光结构。在制作时，重点是真空集热管和抛物柱面反光镜的加工。真空集热管要选择能够在高温环境下具有高吸热效率、不易脱落、使用时间长的涂层材料，反光镜关键是镜面面形的精度要很高。当前该系统已实现商业化的生产建设且加工技术较为成熟，在实际应用中，电站的规模能够达到100 MW，年光电转化效率约为14%。下一步研究方向主要是降低聚光镜的加工成本，并提高聚光效率。

1.2 碟式聚光系统

该系统目前有单碟式和多碟式两种。其中，单个旋转抛物面反光镜和斯特林发动机组成单碟式系统，多个碟形反光镜和斯特林发动机组成多碟式系统。该系统围绕双轴旋转对太阳光进行三维跟踪，为了保证聚光效果，光轴方向和入射方向始终保持一致。其原理是利用旋转抛物面对于平行光有理想的会聚特性。碟式聚光发电系统如图2所示。

图2 碟式聚光发电系统Fig.2 Disc-type concentrating power generation system

该系统设计理念基本和槽式聚光系统相同。技术难点是关于斯特林发动机和旋转抛物面反光镜的加工制作。斯特林发动机要求外燃系统的温度要高于封闭循环系统的工质温度，目前欧美部分发达国家已经可以对此发动机进行生产。抛物面反光镜加工要求面形精度高，目前可以使用小尺寸的曲面镜进行拼接，还可以通过在基材料上粘贴薄的镀银玻璃反射镜制作而成。在实际应用中，最高年光电转化效率能够达到29.4%，最大装机容量为25 kW，适用于沙漠等干旱地区，但其工件的加工成本较高，因此，为了实现商业化生产要降低聚光发电的成本。

1.3 塔式聚光系统

该系统目前有单塔式和多塔式聚光阵列两种。单塔式系统的组成部分有:镜场、单塔、塔顶吸热器，其中镜场主要由定日镜组成。多塔式系统由镜场和多个塔顶组成，可以满足大规模发电需求。系统定日镜会绕双轴旋转对太阳光进行三维跟踪，将太阳光反射到塔顶后，塔顶的吸热器再将低密度的太阳辐射会聚一起转化为热能，并通过传热工质传输到地面实现发电。塔式聚光发电系统如图3所示。

图3 塔式聚光发电系统Fig.3 Tower-type concentrating power generation system

在设计时，主要考虑定日镜和镜场，可以利用光学软件设计镜面，采用轮胎面聚光镜的光斑变化，使其容易被吸热器接收。镜场的结构参数和地理位置等也需要在设计中考虑。在制作中，平面定日镜的成本较低，尺寸较小，但是对光线无会聚作用，只适用于小型镜场。曲面定日镜的成本较高，加工难度也较大，但是聚光性能较为理想，可以做成大型镜场。但在实际制作中，由于小尺寸定日镜的数量巨大，大尺寸的镜场难以控制，因此要进行优化设计。目前该系统的年光电转化效率为15%，设计规模可以达到20 MW。

1.4 菲涅耳聚光系统

该系统由主聚光镜、次聚光镜以及吸热管组成，主聚光镜由可以绕水平轴旋转的条形平面反射镜组成，是基于抛物槽式聚光系统改进而成。其原理是主聚光镜跟踪太阳光，并将光线会聚在镜场上方的吸热管，通过吸热管上方的次聚光镜二次聚光，达到更优的聚光性能。菲涅耳聚光发电系统如图4所示。

图4 菲涅耳聚光发电系统Fig.4 Fresnel concentrating power generation system

在设计时主要考虑其二次聚光方式下，主聚光和次聚光镜场的结构参数，可以利用光学设计软件进行模拟分析。在制作中，主、次聚光镜的生产工艺已经成熟。该系统目前正处于商业化演示阶段，年光电转化效率可以高达37%，具有良好的发展前景。

抛物槽式聚光技术成熟，目前该种电站规模大，年光电转化率较为经济，已大量投入生产建设，如果可以降低聚光镜加工成本，提高聚光效率，该技术将得到更大的发展；碟式聚光式电站年光电转化率高，普遍适用于沙漠等干旱地区，但由于其技术复杂，设备昂贵，难以在其他地区获得发展；曲面定日镜技术同样有成本较高、加工难度较大的缺点，该种聚光系统应着重发展大型日镜，才会有更高的经济效益；菲涅耳聚光电站技术难点较少，成本较低，具有较好的发展前景，是未来太阳能发电的发展和研究方向。

2 太阳能热发电技术展望

我国逐步增大了对太阳能发电技术和资金投入，并取得了良好的进展，但距商业化大规模太阳能发电仍有一定距离。充分结合当地气候环境条件，积极更新先进发电技术，采用科学合理太阳能热发电方式。还可以考虑整合太阳能发电和常规发电优缺点，完善发电站发电系统，在保证环境的前提下，提高供电输出的稳定性。将成熟发电技术合理利用到太阳能发电技术中，积极研发新兴技术，完善发电工艺，对发电系统进行整合提高，提高热能转化率，解决现有太阳能发电问题，保证发电站的经济效益。

[1] 高瑶.5kW点聚焦太阳能斯特林发电系统的性能分析[D].南京:南京航空航天大学，2016.

[2] 金东寒.斯特林发动机技术[M].黑龙江:哈尔滨工程大学出版社，2016.

[3] 王军，刘德有，张文进，等.碟式太阳能热发电[J].太阳能，2006，(03):63-66.

[4] 王国莹，霍天强.太阳能热发电-太阳能斯特林热发电[J].西北水力发电，2006，(22):42-45.

Analysis of solar thermal power generation concentrating system

KANG Wen-tao

(Three Gorges New Energy Jiuquan Chaoyang New Energy Power Generation Co., Ltd., Jiuquan 730050)

In this paper, the solar thermal power generation system is analyzed and discussed. Based on the research status of solar thermal power generation, four applications of solar concentrating system are analyzed, and the application of solar concentrating system is prospected.

Solar energy; Thermal power generation; Concentrating system; Analysis

2017-02-19

康文涛(1986-)，男，工学学士，助理工程师。

TK514

B

1674-8646(2017)08-0102-02