光热发电用槽式集热器技术发展研究

光热发电用槽式集热器技术发展研究
摘要：在分析槽式集热器关键组成的基础上，对光热发电领域不同时间段主流槽式集热器类型和技术特性进行了统计，并分析不同技术路线下（扭矩框、扭矩管、空间桁架）集热器技术特点、发展路线图和趋势，明确了拦截率和光学效率等关键参数指标，提出槽式集热器发展的“技术-经济”优化迭代的过程。

关键词：光热发电；槽式集热器；扭矩框；扭矩管；空间桁架
一、槽式光热发电
槽式光热发电全称为“槽式抛物面聚光太阳能热发电”，是最成熟的聚光热发电技术，其发展历史可以追溯到20世纪70年代。

其装置是一种借助槽式抛物面反光镜将太阳光反射并聚焦到集热管上，加热集热管中的导热流体，管中导热流体通过换热系统将水加热成水蒸汽，驱动汽轮发电机组发电的清洁能源利用装置[1，2]。

二、槽式集热器组成
聚光集热子系统，是系统的核心，主要由反光镜、真空集热管、跟踪系统（包括：驱动、控制和传感器）、柔性连接和钢结构支架等部件组成。

一般采用集热器轴线南北线水平布置，由东向西跟踪太阳[3]。

钢结构支架作为反光镜、集热管、柔性连接的支撑和连接结构，实现集热器面型维持。

集热器技术发展主要为支架形式的优化，包括扭矩管、扭矩框、空间桁架等不同的结构设计。

在材料方面，主流材料选型为碳钢，也有技术选用铝合金作为结构材料。

集热器通过反光镜将太阳光束聚集到一条焦线上而收集太阳能直接辐射能。

反光镜作为关键光学部件，选型中需保证高精度、高反射率、和高耐用性。

反光
镜接收阳光直射辐射，然后反射光至焦线，从而将能量聚集在真空集热管之上。

发电用集热器的反光镜聚光倍率一般在60倍至100倍。

真空集热管是集热器的关键部件，将太阳辐射能转换成热能。

其构造原理：
包括一个内层不锈钢管，直径为70mm-100mm，外层为高硼硅玻璃管和两端金属波
纹管。

内管涂覆有选择性吸收涂层以实现聚集太阳辐射的吸收率最大，和红外辐
射的最小；玻璃管上涂布有减反涂层，用于提高光透过率；位于两端的玻璃管通
过精密玻璃－金属封接与金属波纹管实现连接（补偿内部金属管和外部玻璃管之
间的热胀冷缩的差异），密封内部空间保持真空。

主流集热管集热温度可达400℃，光热转化效率可达80%以上。

集热器配套驱动和跟踪系统，实现高精度太阳跟踪。

每个集热器在日间跟踪
太阳光时均会绕其旋转轴旋转，旋转过程由两个液压缸驱动两个连接在扭矩传送
装置的悬杆臂来实现。

跟踪系统有当地控制器（LOC）来控制，安装在驱动塔门
之上。

信号线和动力线由LOC连接至液压机构和传感器，这些组件功能是给LOC
提供输入信息。

位置传感器测量SCA定位角度，并提供数据作为输入给LOC。

集
热器跟踪精度可达到0.1°级别，保证集热器运行性能。

集热器通过柔性连接，实现相邻的集热器之间和集热器与静止管路间的相对
旋转。

为了达到这一目的，需要使用两种类型的旋转接头，单头和双头球形接头。

单头球形接头系统用于集热器联排末端的管路连接。

这可以是回路连接至太阳集
热区总管路，或者是通过跨接管路实现两排集热器间连接。

双头球形接头用于两
相邻集热器的相互连接。

三、槽式集热器技术发展梳理
3.1 LUZ型集热器系列
正是商业化应用的光热发电用槽式集热器技术起源于LUZ公司设计的LS-1、LS-2和LS-3槽式集热器[4，5]，产品从1984年至1990年应用于美国SEGS （Solar Electric Generating System）电站，总共建设电站规模为354MW。

LS-1型集热器：集热器在1984年完成设计开发，集热器开口弦长2.55m，
集热管直径40mm，抛物面焦距0.7m，聚光倍数约63倍左右，峰值光学效率
73.4%，集热器设计拦截率87%，最高允许使用温度307℃。

LS-1型集热器仅应用
于SEGS-1项目和SEGS-2项目中，并未规模化推广。

LS-2型集热器：集热器在1985年完成设计开发，1988年升级开发（优化使
用温度），集热器开口弦长5.0m，集热管直径70mm，抛物面焦距1.4m，反光镜
采用4片装（内片1570mm*1400mm，外片1570mm*1324mm），聚光倍数约71倍左右，峰值光学效率74%，集热器设计拦截率89%，最高允许使用温度初始为349℃，后优化到390℃。

LS-2型集热器项目业绩相对较多，总装机容量约300MW。

LS-3型集热器：集热器在1989年完成设计开发，集热器开口弦长5.76m，
集热管直径70mm，抛物面焦距1.71m，反光镜采用4片装（内片1700mm*1641mm
和外片1700mm*1501mm），聚光倍数约82倍左右，峰值光学效率77%，集热器设
计拦截率93%，最高允许使用温度390℃。

LS-3型集热器指导了后续集热器开发
方向，其反光镜型号被广泛应用于后续光热电站[6]。

图1 LS-2型和LS-3型集热器
3.2 RP-3型集热器系列
基于LS-3型集热器参数（射镜采用5.77m开口RP-3，集热管采用70mm直径），一系列槽式集热器被开发出来，并且都具有广泛的商业化应用业绩。

根据支架技术路线，分为3种流派：1）扭矩框，2）扭矩管，3）空间桁架。

其中扭矩框以德国SBP公司的EuroTrough支架为代表[7]；扭矩管以西班牙
Sener公司的SENERtrough支架为代表[8]；空间桁架以西班牙Abengoa公司的E2支架为代表。

图2 不同支架形式集热器
不同的支架结构形式具有不同适用性和特点，基于现阶段原材料处理和加工工艺条件，各自优缺点如下：
扭矩框式支架：箱式桁架结构，形成一个扭矩箱，支架两端安装端板、几何形状为矩形的钢结构、集热管支撑、悬臂，该扭矩箱式结构可以抵抗强风和重力形成的扭转和弯曲。

其优点为由钢构部件拼接而成，原材料加工过程没有大型零部件机加工作，加工工艺相对简单；适合批量流水线加工生产，生产品质和数量可控；零部件运输堆积密度高，便于运输，运输成本可控；技术从2003年开始商业化使用，工艺成熟，风险可控。

其缺点为需要加工单体的零件种类及型号繁多，对物资管理能力提出要求；现场组装需要专用工装，工装及人工费用较大；现场调试相对困难，连接零部件多；扭矩框中有单体12m长部件，对热浸镀设备提出要求。

扭矩管式支架：一般通过在螺旋焊管上加工装配悬臂及集热器支撑件，同时在扭管的端部焊接连接端板，扭矩管通过固定在端板上的轴连接起来从而形成集热器的支架。

其优点为采用一根主轴加工的结构，通过机床加工可实现高精度；适合模具化的工业化流水生产；现场组装工艺简单、时间较短、人工需求少；车间组装精度较高；适合制作跨度较长的集热器支架。

其缺点为单根主轴较长，货物运输空隙率大；对机械加工设备尺寸和精度要求高，加工成本高；需要定制大型工装和焊接专机；若采用热镀锌防腐，需要大型热浸镀设备。

空间桁架式支架：使用工装台架，将预制好的钢管（端部有固定接口）拼装成空间支架结构，在空间结构上安装集热管支撑和悬臂，实现集热器支撑结构的作用。

其优点为所有材料为机械加工、无焊接，几何尺寸控制精确，保证集热器精度；材料为管材一次成型，生产周期短，生产效率高；防腐处理简单，防腐效果好；运输方便，运费成本低。

其缺点为生产过程需要定制模具；组装需要专业工装，过程复杂，工艺控制要求严格；项目需具备规模才能体现经济性。

3.3现阶段商业化集热器系列
随集热器技术的发展和成熟，从最优经济性角度出发，集热器的发展趋势逐渐倾向为大开口、轻量化、提高制造效率和装配效率。

3.3.1 集热器开口弦长发展序列
图3 集热器开口尺寸发展趋势图
集热器开口弦长从LS-3系列的5.770m逐步增大，标准RP4型为6.776m，Sener Trough2型为6.870m，标准RP5型为7.510m，现阶段商运的最大集热器Space Tube 8.2开口为8.200m。

标准RP-4型集热器：是LS-3型产品的优化升级版，代表产品为SBP公司的UT终极槽（Heliotrough），焦距1710mm，开口增大到6776mm；反光镜内片和外片的尺寸相同，都是1570mm*1900mm，集热管直径增大到88.9mm。

聚光比约75倍。

RP4型集热器仅搭建试验回路，未能实现商业化应用。

SenerTrough-2型集热器：开口弦长达6868mm，焦距2m，相对LS-3集热器的5770mm，集热器截面大出约20%，单个集热模块的长度13米，搭配88.9mm真
空集热管。

SenerTrough-2型集热器可实现集热系统成本的有效降低，同时提升集热效率，有较为广泛的商业化项目应用。

标准RP-5型集热器：代表产品为SBP公司的UT终极槽（Ultimate Trough），其为一种高性价比集热器，开口弦长7510mm。

采用双焦距设计（内片反光镜焦距1710mm，外片反光镜焦距1878mm），内外反射镜中设置较大间隙，以实现对风压的降低，但同时也造成成本的增加。

目前有1个商业化项目。

SpaceTube-8.2型集热器：集热器结构设计为空间桁架，该集热器开口8.2米，集热单元长度16米，集热管88.9mm，搭配48面槽式反射镜，是现阶段商业化运行的槽式集热器。

3.3.2 SBP集热器系列
SBP作为槽式集热器产业的核心企业，开发出了一系列经典集热器型号，其中部分产品规模化应用于商业化项目[9]。

表1 SBP集热器系列关键参数
备注：
SCE ：集热器单元；SCA ：集热器模块
图4 SBP 集热器系列
Ultimate Trough 槽作为
SBP 公司最新技术产品，从光学和空气动力方面进行设计优化，降低单位集热器的钢结构和安装成本；引入了自动化的连接技术，简化加工工艺，有效降低劳动成本，提升安装效率；实现光学性能显著提升，采用94mm 集热管，拦截因子可达99.2%；采用70毫米集热管，拦截因子为97.5%。

实现成本削减驱动，提高集热器经济性。

3.3.3 Sener 集热器系列
SENERtrough®槽作为扭矩管型集热器最具代表性的产品，至今开发出商业化使用的SNT-1和SNT-2集热器型号，应用于约20个光热项目中。

表2 SNT 集热器系列关键参数
(m)(m)量积(m2)(%)(%)
SNT-112 5.
771268.19
7.0%
77
.0%
SNT-213
.2
6.
87
1287.39
7.5%
81
.6%
5.77m
6.87m
图5 SNT集热器系列
3.3.4 Abengoa集热器系列
Abengoa公司开发的槽式集热器，在用商业化项目容量规模最大，达到
2.2GW，作为光热电站著名EPC企业，其开发的空间桁架结构集热器成为业内标
杆[11]。

在集热器发展过程中，集热器成本实现有效下降：ASTR0（2007年，相
对ET集热器成本降低20%）-Phoenix（2009年，相对ASTR0集热器成本降低10%）
-E2（2011年，相对ASTR0集热器成本降低10%）-ST8.2（2013年，相对E2集热器成本降低20%）。

表3 Abengoa集热器系列关键参数
SC E长度(m)
开
口弦长
(m)
SC
A中含
SCE数
量
SCE
有效截面
积(m2)
拦
截率
(%)
峰
值光学
效率
(%)
ASTR012 5.
771268.19
7.0%
75
.0%
Phoenix12 5.
771268.19
7.0%
77
.0%
E212 5.
771068.19
7.0%
77
.0%
ST8.2168.
1810127.09
7%
81
.0%
Phoenix ASTR0
E2
ST8.2
图6 Abengo 集热器系列
3.3.5 非玻璃镜面集热器系列
为实现集热器轻量化，有公司设计采用有机材质反光膜作为镜面材料，其中业内影响较大的产品包括Gossamer&3M 公司的LAT- 73[12]和Skyfuel 公司的Skytrough[13]。

轻量化的集热器可有效降低集热器支撑结构成本，但由于反光镜采用“高分子反光膜”产品，在强太阳辐照下的耐候性有待考察。

表4 有机膜镜面集热器系列关键参数
SC E 长度(m)
开口弦长 (m)
SC A 中含SCE 数
SCE 有效截面积(m2)
拦截率 (%)
峰值光学效率
图7 非玻璃镜面集热器系列
四、结论
本文回顾槽式太阳能集热器技术的进展，从时间轴和关键供应商产品两个维度，对集热器技术发展路线进行统计梳理，得到结论如下：
1）发电用槽式集热器技术发展趋势为大开口、轻量化、成本优化可控。

2）主流集热技术路线包括扭矩管、扭矩框和空间桁架三种，三种技术路线各有其技术特点，每种技术适用于不同环境条件。

项目厂址风荷载大，可选用扭矩框式；降低组装工艺难度，可选用扭矩管式；降低钢结构重量，可选用空间桁架式。

3）集热器开发需考虑配套设备供应，保证关键设备反光镜和真空集热管具有商业化产品。

4）新技术和材料开始应用于集热器开发，使用高反射率、高耐候性的反光
膜作为镜面材料，使用铝合金作为支撑结构材料。

综上，槽式集热器发展的过程就是“技术–经济优化”的迭代，实现单位
成本下最优的集热效果。

目前最优集热器技术方案尚未定型，各种技术路线有其
适用的项目条件。

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