線聚光太陽能集熱器發展綜述

黃建新，唐梓彭，魏　超（.新疆華電苦水風電有限責任公司，新疆哈密839000；.華電電力科學研究院，浙江杭州30030）

?

線聚光太陽能集熱器發展綜述

黃建新1，唐梓彭2，魏超2
（1.新疆華電苦水風電有限責任公司，新疆哈密839000；2.華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

摘要：線聚光太陽能集熱器在太陽能光熱發電、工業用熱以及民用太陽能供熱與制冷等領域有著廣泛的應用前景。本文綜述了兩類典型線聚光太陽能集熱器：拋物面槽式集熱器（PTC）與線性菲涅爾反射器（LFR）的發展與現階段應用狀況，并對線聚光集熱器在我國未來的應用前景進行了討論。

關鍵詞：槽式太陽能集熱器；線性菲涅爾反射器；綜述

0　引言

聚光式太陽能集熱器主要依靠反光鏡聚光器反射太陽光，并于接收器處形成聚光帶，達到聚光集熱的目的。按聚光帶形狀不同，可分為點聚光型與線聚光型兩類。

線聚光太陽能集熱器主要包括拋物面槽式集熱器（Parabolic trough collector，PTC）以及線性菲涅爾反射器（Linear Fresnel reflector，LFR）。PTC通過拋物面狀聚光器跟蹤太陽運動軌跡，并將入射到聚光面的太陽光線（直射輻射）反射并聚集至聚光器拋物面中心線處，形成條狀聚光帶；而LFR則借用菲涅爾透鏡原理，將連續拋物面狀聚光器簡化為數量不等的多條獨立平面反光鏡，并采用各個反光鏡單元單獨跟蹤追日的方法進行聚光。相較而言，LFR通過平面反光鏡元陣列實現了與PTC連續拋物面相近的聚光效果，簡化了鏡面結構，降低了制造難度和成本。但是由于LFR反射鏡元間普遍存在遮擋影響以及其本身結構造成的更大的光學損失，PTC的光學與熱效率一般要高于LFR[1]。PTC與LFR的工作原理如圖1所示。

線聚光太陽能集熱器的最高運行溫度可達400℃，因此多應用于中高溫太陽能聚光發電（如圖2所示），此類集熱器的研究歷程也與太陽能發電技術的起源與發展密切相關。國外學者對線聚光太陽能集熱器的研究起步很早，同時得到了眾多實際應用項目的支持。在我國，線聚光太陽能集熱器的研究在2000年左右才進入比較快速的發展階段，但由于缺少應用項目的支持以及我國太陽能集熱器產業自身的不足，研究多以理論計算、經濟性分析、進展調研以及小型實驗為主。近年來，國內一些太陽能聚光發電實驗項目的出現，為線聚光太陽能集熱器在我國的發展提供了新的機遇。

1　PTC與LFR的發展與現狀

1.1 PTC

1870年，美國工程師John Ericsson建立了一套聚光面積3.52m2的PTC系統，并使用其作為熱源驅動一臺功率373W的小型熱機[3]，該試驗系統標志著PTC技術發展的開端。其后30年間，Ericsson對PTC系統進行了多次不同方面的實驗研究，并開始積極推進PT技術的商業化應用。然而，Ericsson的實驗項目與推廣計劃因其于1889年去世而中斷。1912年，另一位美國工程師Frank Shuman在埃及開羅附近的Meadi建立了世界上第一套大型PTC集熱系統[3]，并第一次采用了玻璃外殼的集熱管。其系統聚光總面積達1250m2，并在實驗中測得了40.7%的峰值集熱效率。1915年，由于第一次世界大戰的爆發，以及當時世界化石能源供應充足，Shuman的PTC電力計劃最終被終止。

二十世紀四十年代前后，西方學者重新對PTC以及其集熱系統進行了實驗與理論研究，并為西方國家七十年代開始的太陽能聚光發電商業化打下了基礎。1975年前后，Honeywell International Inc與U.S. Government’s Sandia National Laboratories聯合設計并建造了美國最早的兩臺真正意義上面向商業化運行的PTC，并對它們進行了性能測試。同一時期，針對PTC聚光器制造工藝的研究也發展起來。Michael[4]與D. L. Evans[5]于七十年代后期對PTC的理論傳熱模型進行了初步研究并做出了運行效率預測，但尚未對充分考慮實際運行情況。

二十世紀八十年代開始，聚光太陽能發電（Concentrated Solar Power，CSP）技術開始進入商業化階段，而其中最具代表性、技術發展最成熟、應用最廣泛的便是PTC技術。1984～1989年，Luz International Ltd設計并制造了LS1～LS3三種型號的PTC（如圖3所示）并相繼應用于美國的Solar Electric Generating System（SEGS）系列電力項目。1992年，Solel Belgium（現稱Solel Solar Systems Ltd）并購了Luz International Ltd，隨后推出了LS4型的PTC試驗機，但并未投入實際應用。這一期間，涉及PTC的研究多以LS1～LS3型集熱器為基礎進行實驗測試或理論分析。九十年代后期，采用PTC的太陽能電力在歐洲也開始獲得重視并開始快速發展。Fichtner Solar以及Flabeg SolarInt等歐洲研究機構或企業結成聯合體，并合作推進了新一代PTC（EuroTrough collector）的研制，目的是為了替代當時的LS3型集熱器，并于1998年前后推出了ET-100與ET-150系列的新PTC。EuroTrough改進了先前同類集熱器結構重量大、占地面積大、運輸與維護成本高等問題，提高了PTC的市場競爭力。到2003年，第三代EuroTrough集熱器（SKAL-ET）已在美國SEGS-V電站投入實際運行。同一時期，SENER（西班牙）、Italian National Environmental& Renewable Research Centre（意大利）以及Solarlite（德國）等西方企業或研究機構也推出了面向聚光太陽能發電項目的的PTC。

隨著采用PTC的聚光太陽能發電技術的日益成熟，更多的學者開始對PTC的基礎理論開展更深入的研究，而我國學者對PTC的研究也與2000年前后開始出現。王志峰[6]，對單軸跟蹤形式的PTC進行了光學分析，并對集熱管內流體的混合對流和傳熱過程進行了探討；Forristall[7]等，通過更深入的傳熱研究與考慮各類影響因子的作用，得到了更精確但復雜的PTC效率公式，并建立了相關的接收器集熱管熱力學模型；Riffelmann[8]等對采用拋物面熱流掃描儀對PTC聚焦平面上的熱流分布進行了測量，并以此來進行光學誤差的分析；肖杰等[9]對PTC系統的聚光特性進行了模擬研究，并得出了PTC集熱管內熱流的分布特性；Soteris A. Kalogirou[10]對PTC集熱器的傳熱機理進行了詳細分析，考慮了三種傳熱形式，并借助EES建立了PTC的詳細傳熱模型；東朝陽[11]等優化了的PTC的熱力學模型，并分析了影響集熱器熱效率的主要因素。

由于西方國家成熟的太陽能聚光發電應用項目的支持，PTC高溫光熱利用技術已獲得了相對充分的研究。在其他中低溫太陽能光熱利用領域中，例如太陽能吸收式制冷，PTC也得到了一定程度的利用。但整體來看，由于其他中低溫太陽能集熱器的競爭，以及PTC本身制造成本高、占地空間大以及更適宜大規模系統應用等特點，太陽能光熱發電仍將是PTC技術的主要利用領域。表1列出了有代表性的PTC聚光太陽能電站。

表1　采用PTC技術的的聚光太陽能電站[3]

1.2 LFR

與起源于十九世紀的PTC技術相比，LFR技術的起源要晚得多。意大利學者Giovanni Francia[12]最早于1962年左右提出了LFR的設計并付諸實驗。圖4所示為Francia設計并試驗的FLR。隨后多數針對LFR技術的研究都與美國US Central Receiver項目有關，并主要以跟蹤技術的研究為主。1979年，Di Canio[13]等設計了一套10MW至100MW的線性菲涅爾聚光太陽能電站并進行了詳細研究，試驗研究的成功標志了LFR發電技術商業化的開端。

2000年，Mills與Morrison[14]提出緊湊式線性菲涅爾反射器（Compact Linear Fresnel Reflector，CLFR）概念（如圖5所示），這種新概念改進了傳統LFR因反射鏡相互遮擋而造成效率降低的問題，并已經投入澳大利亞Liddell電站（如圖6所示）的實際運行。其后，隨著LFR技術越來越多的被西方國家的聚光太陽能電站采用，更多針對LFR技術的深入研究開始出現。Reynolds等[15]對采用梯形接收器的LFR系統的熱損失情況進行了實驗與理論研究，其計算熱損失比實驗熱損失低約40%，顯示了LFR運行中外界不確定性因素的影響。M. Lin等[16]對采用V型接收器腔體的LFR系統進行了實驗研究，得到了其集熱效率隨腔體溫度的變化情況。F.J. Pino等[17]對單軸跟蹤式LFR系統進行了數學建模與實驗驗證，研究了其使用水為工質時的熱性能，并驗證了其模型的準確性。R. Abbas等[18]提出了新的高聚光率LFR系統，同時闡述了LFR技術在CSP電站領域中的優勢與發展前景。

我國學者對LFR技術的研究在近年來也開始出現。山東大學的宋固[19]與車淑萍[20]分別針對LFR的集熱性能與光學性能做了理論分析，并進行了基礎的實驗研究。杜春旭等[21]對LFR的反射鏡元跟蹤策略進行了數值計算以及實驗研究，得到了不同季節、不同時間下LFR反射鏡元跟蹤傾角的具體數值與變化趨勢。Jia He 等[22]討論了典型LFR集熱器的設計與優化方案，并分析了反射鏡單元與接收器高度等參數的選定對集熱器性能的影響。

現階段，LFR技術已經成為具有競爭力的聚光太陽能集熱技術，在CSP電力領域中已成為十分具有競爭力的技術方案。在其他太陽能光熱利用領域中，LFR技術還沒有得到重視。表2列出了現有的采用LFR或CLFR技術的聚光太陽能電站[23]。

表2　采用LFR或CLFR技術的的聚光太陽能電站

2　線聚光太陽能集熱器的未來發展趨勢

現階段，面向太陽能聚光發電的PTC與LFR技術已經獲得了較為全面的發展，并在世界范圍內的許多太陽能電站得到了應用。但是，在線聚光太陽能集熱器未來的發展中，仍有一些值得繼續研究與改進的方面：

（1）降低集熱器成本。線聚光太陽能集熱器的主要部件：反射器鏡面、金屬支撐結構以及跟蹤系統造成了此類集熱器比非聚光集熱器高得多的制造與維護成本。通過改進反射器鏡面制造工藝、優化支撐結構設計以及采用新材料等手段來有效減少此類集熱器的制造成本，降低采用線聚光集熱器系統的初始投資，將提升此類集熱器應用技術在未來的市場競爭力。

（2）提高集熱能力。集熱能力是太陽能集熱器最關鍵的評價指標。線聚光太陽能集熱器在實際運行中由于太陽位置的實時變動以及環境因素的影響，造成了其光學性能變化與集熱損失。而跟蹤精準度、反射器聚光效果以及接收器集熱效果也對整體集熱性能有很大影響。通過優化跟蹤追日策略、改進反射器光學設計以及提高集熱管保溫隔熱能力等手段以提升線聚光集熱器的集熱能力，使之在不同溫度的太陽能光熱利用范圍內均可有更有效地運行。

（3）拓展應用范圍。線聚光太陽能集熱器不僅適用于高溫太陽能聚光發電，在中低溫太陽能熱利用領域也有著很好的應用前景。在諸如區域型太陽能供熱制冷等領域中，線聚光太陽能集熱器均可得到有效利用。而拓展應用范圍的經濟與技術關鍵正如（1）、（2）所述，這三點構成了相互關聯與影響的整體，也是線聚光太陽能集熱器未來發展的主要方向。

3　結語

我國針對聚光太陽能集熱器的研究與應用較晚，但近年來隨著國家政策對太陽能產業的支持以及國內太陽能產業的不斷發展，一些應用線聚光太陽能集熱器的試驗項目開始出現。2010年起，我國已計劃在寧夏、甘肅以及海南等地建立數個PTC太陽能發電試驗項目[24]，線聚光太陽能集熱器將在我國未來的太陽能光熱發電產業中發揮重要作用。在電力應用以外，國內近年來也出現了一些采用PTC技術的中低溫太陽能集中熱水、供熱與制冷系統工程，但由于缺少相關建設與檢測技術規范以及國內太陽能集熱器制造業技術水平的不足，線聚光太陽能集熱器在我國的實際應用仍未形成規模，市場占有率也很低。對我國而言，建立一套適用于線聚光集熱器的工程、檢測與設計規范以及繼續提升太陽能制造業的整體技術水平將成為未來一段時間內需要首先解決的問題。

參考文獻：

[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.拋物跟蹤式太陽高溫集熱器的研究[J].太陽能學報，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，程澤東，等.槽式太陽能集熱器集熱性能分析[J].工程熱物理學報. 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]東朝陽，張明智，耿士敏.拋物槽式集熱器熱效率研究[J].節能，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.線性菲涅爾反射式太陽能集熱系統研究[D].山東大學，2011.

[20]車淑萍.線性菲涅爾反射系統光學和集熱性能研究[D].山東大學，2012.

[21]杜春旭，王普，馬重芳，等.菲涅耳太陽能聚光系統跟蹤傾角的矢量算法[J].太陽能學報，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]李啟明，鄭建濤，徐海衛，等.線性菲涅爾式太陽能熱發電技術發展概況[J].太陽能，2012，（7）：41～45.

[24]鄭建濤，裴杰.我國聚光型太陽能熱發電技術發展現狀[J].熱力發電，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

作者簡介：黃建新（1965-），男，四川樂至人，副總工程師，主要從事新能源管理、安全生產管理等工作。

中圖分類號：TK512

文獻標識碼：A

文章編號：2095-3429（2016）01-0021-05

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.005