太阳能热发电站聚光器技术的简述

《太阳能热发电站》结课论文
题目：关于槽式热发电站中太阳能聚光器技术的简述
学生姓名：
学号：
专业班级：能科-1403
学校：华北电力大学
2017年6月5日
[摘要]本文对槽式热发电站中的主要聚光器技术进行简述及比较。

[关键词]槽式热发电站；聚光器技术；聚光器技术比较。

一引言
太阳能热发电是通过对太阳光聚焦，获得几十倍，几百倍的太阳辐射能量进而进行热功转换，带动发电机发电。

对于槽式热发电站，聚光集热系统以线聚焦代替点聚焦，而聚光的关键在于聚光器技术。

槽式太阳能聚光集热系统由多个太阳能集热器组合SCA（Solar Collector Assembly）组成而每个太阳能集热器组合又由若干个太阳能集热器单元SCE（Solar Collector Elements）构成。

太阳能集热器组合包括聚光器，集热管和跟踪系统。

聚光器由反光镜和支架两部分组成。

聚光器应具有以下几点要求：
①具有较高的反射率
②具有良好的聚光性能
③具有足够的刚性
④具有良好的抗疲劳能力
⑤具有良好的抗风载荷能力
⑥具有良好的抗腐蚀能力
⑦具有良好的运动性能
⑧具有良好的保养，维护，运输性能
如图1是一个基本的聚光器结构和一个实例。

二发展历史及现状
世界上第一台槽式太阳能聚光器由美国工程师Ericsson建造于1870年，输出热功率为373W。

1912年，另一位美国发明家FrankSchuman在埃及建立了一个小型太阳能聚光器。

20世纪70年代的石油危机加速了太阳能热发电技术的发展，在8O年代中期，抛物面槽式太阳能聚光器进入商业化阶段。

美国Luz公司自1984一1991年陆续建立装机总容量为354MV的SEGS槽式电站，至2013年底已经商业化运营30年。

SEGS电站中的槽式太阳能聚光器有3种型号，包括LS-1，LS-2和LS-3，其中LS-2和LS-3是主要型号，由于SEGS是最早的商业化电站，囚此这两种型号也成为事实的槽式太阳能聚光器的标准规格。

在这两种槽式太阳能聚光器的基础上，各种新型、优化的槽式太阳能聚光器不断地被开发出来。

目前，世界各地都有着比较成熟的槽式太阳能聚光器。

例如：:美国的Luz公司的LS-2型聚光器；美国的Acures soler公司的Acures3001和Acures3011两种型号的聚光器；美国的Accrona soler power公司的SGX-1和SGX-2型聚光器。

欧洲LS-3的基础上研制的新型聚光器；SENER公司研制的SENER-1和SENER-2型槽式太阳能聚光器；太阳千年公司（solermillennium）在倒闭前也制造出LS-4型聚光器。

中国科学院电工所和皇明公司合作也制造了一种槽式太阳能聚光器；中金盛唐公司与2009年建立了240米槽式示范项目。

兰州大成真空科技有限公司于2012年5月建立一套槽式一线性菲尼尔式聚光发电示范系统。

华电工程公司采用欧洲槽式技术，于2010年在河北廊坊建立了长100m的槽式系统，规格与LS-3聚光器相同。

中广核太阳能公司与2013年在青海德令哈建立了一套槽式系统。

北京工业大学、华北电力大学、上海交通大学、中山大学、东莞康达新能源公司、常州龙腾太阳能公司、华锐风电公司、山东奇威特公司也都建有不同长度和开口尺寸的槽式太阳能聚光器样机。

三主要的聚光器技术的介绍
①Luz聚光器技术
从1984-1991年的8年间，Luz公司完成的LS-1，LS-2，LS-3的设计和建造，并实现了商业化运行。

其中LS-1是非常经典的槽式太阳能聚光器的设计，而美国Luz公司的LS-2型聚光器，开口尺寸为5 m,长47m，焦距1.4m，采用减速机作为传动机构，扭矩管作为支架结构。

LS-3型聚光器开口宽度则增加到5.77 m，采用空间朽架作为反射镜支撑结构，焦距为1.71m,与之配合的真空管直径为70 mm，聚光器长度增加到100m,采用液压传动系统作为传动机构。

LS-2和LS-3聚光器的反射镜均采用4 mm单层超白玻璃镜，对应的反射镜型号为RP2和RP3型。

图2为LS-2型槽式太阳能聚光器和LS-3型槽式太阳能聚光器
结构设计的改变使LS-3在聚光精度上得到很大提高，并且交装时允许有一定的倾角。

然而,SEGS的运作经验显示，任何成本的降低都是以聚光器的性能和可维护性为代价。

与LS-2聚光器相比，LS-3聚光器的热性能有所降低，聚光器的维护变的更加闲难。

但是Luz聚光器为新一代聚光器的设计提供了宝贵的经验。

下图为LS-3的结构。

②IST聚光器技术
IST聚光器技术（Industrial Solar Techonlogy）聚光器起初用于低温工业过程加热。

在NREL的USA trough计划的支持下，IST聚光器在效率上提高了很多.能够应用于高温太阳能热发电，同时降低了成本。

最初IST聚光器光器是
铝制成，后来用电镀钢结构代替了铝结构。

用薄的镀银玻璃反射镜取代了镀铝聚合体反射镜，提高了高温条件下集热管选择性涂层的热性能和耐久性，聚光器钢结构和薄玻璃反光镜的改进使系统成本降低15%，系统性能提高了12%。

所获得能量的成本降低20%。

③Euro Trough聚光器技术
是欧洲公司与研究试验室协会开发设计的新一代槽式集热器。

结合了使LS-2具有连接优势的扭力管设计和使LS-3降低成本的捆绑设计，增设了扭力盒。

该设计使得扭矩降低，运行时结构弯曲，性能更趋完善。

由于组成部件的变化减少、结构重量减轻，成本预计降低10%，而性能较LS-3提高3%。

其结构形式由轴式单元发展为桁架式单元，聚光器单列长度由100m增长为150m，从而可以带动更长的聚光器阵列。

Euro Trough聚光器的核心部件是一个约12m长的空间枢架，在其两侧固了用来固定抛物面反光镜的支撑臂。

该空间结构由四个不同部分组成，可以现场安装，固定，简化了加工过程.降低了加工成本。

如下图是一个实例和其扭矩简图。

④Duke Solar聚光器技术
Duke Solar聚光器技术是由LS-2改良设计的全铝空间结构。

结构特性、重量、制造工艺、抗腐蚀能力、制造成本和安装方面都优于LS-2。

另外要着重说明的是，该设计强调制作简单，必需部件的数量最小化，更易于安装。

下图是其空间结构：
⑤Solargenix聚光器技木
Solargenix DS-1聚光器采用全铝空间结构，模仿了LS-2聚光器实际的尺寸和操作特点，但在结构特性，重量，沉腐蚀性，生产成本及安装上都优于LS-2聚光器。

Solargenix DS-1在重量上是LS-2的一半.便于生产加工运输及现场安装，并且具较好的杭腐蚀性。

并且光学性能相当。

下图是DS-1：
2005年，Solargenix公司推出了新型的SGX-1聚光器。

该类聚光器采用有机蛛丝网状套节结构，其零件的数目比DS-1聚光器减少了一半，重量上减轻了30%，聚光器的安装耗时减少三分之一。

并且使用低成本的挤压部件，反光镜无需排列校正，单一钻膜提供了较大的耐性。

下图是SGX-1聚光器结构，图3是一个实例。

⑥欧洲槽式太阳能聚光器
欧洲槽式太阳能聚光器是在LS-2型聚光器的基础上开发的，其采用了扭矩盒子作为主结构，代替扭矩管或空间桁架结构。

力学计算结果表明，扭矩盒子为平体的支架结构比LS-3的空间桁架结构在弯曲刚度和扭转刚度上都要好。

欧洲槽式太阳能聚光器有两种型号，分别是ET-100和ET-150，主要差别在于聚光器的长度分别是100 m和l50m后者的成本更低。

欧洲槽式太阳能聚光器采用液压传动系统作为传动装置. 开口尺寸为5.7m，焦距为1.71 m,真空管直径为70mm 聚光器单元长度为12m。

ET-100为一个液压传动系统带动8组聚光器单元，ET-150则带动l2组。

采用4 mm厚的超白玻璃镜(钢化或退火玻璃)作为反射镜。

采用欧洲槽式太阳能聚光器的电站很多，如装机容量分别为50MV的Andasol-1、Andasol-2电站和2013年初建成的世界最大的太阳能热发电姑Shams一1。

图4是欧洲槽式太阳能聚光器的图片.
⑦意大利新型槽式太阳能聚光技术
意大利新技术、能源与可持续发展署(ENEA)采用熔融盐作为传热介质，建立了一座5MW的熔触槽式电站。

电站的槽式太阳能聚光器为扭矩管结构，反射镜的支撑臂为轻最化的钢板。

反射镜采用“三明治”结构，为复合材料背板上粘粘超薄玻璃镜。

聚光器采用液压传动，聚光器开口尺寸为5.77m.
⑧ SENER公司的新型聚光技术
SENER公司在太阳能热发电领域是各种聚光装备的供货商。

其研制的SENER-1槽式太阳能聚光器采用扭矩管结构，支挎臂为钢板冲压成型，SENER槽式太阳能聚光器的开口尺寸和LS-3相同，长度增加到150 m.反射镜为超白玻璃
镜，传动系统为液压传动。

在此基础.上，SENAR公司开发了第二代槽式太阳能聚光器，主要改进为增加了开口尺寸，达到6.87m,反射镜的支撑臂也做了优化。

图5为SENER-2槽式太阳能聚光器。

⑨太阳千年公司（solermillennium）的新型聚光技术
太阳千年公司（solermillennium）在倒闭前曾经设计并制造了更.大开尺寸的槽式太阳能聚光器，规格为LS-4型。

其支撑结构为扭矩管，支撑臂采用矩形钢管焊接成平面桁架结构，为了保证旋转轴和聚光器的中心重合，在扭矩管的另一侧配有配重。

聚光器开口尺寸为6.77 m,焦距为1 .71 m,与之配合的真空管直径为90mm,聚光器长度为150 m,采用液压传动。

反射镜为超白玻璃镜，与LS-3的反射镜尺寸不同，LS-4反射镜的规格为1.9m※1.57m。

下图6为太阳千年新型槽式太阳能聚光器。

⑩中国科学院电工研究所与皇明公司合作的新型聚光技术
中国科学院电工研究所与皇明公司合作在2005年采用玻璃钢作为背板，超薄玻璃反射镜贴在玻璃钢上，采用液压传动，在北京通县制作了开口尺寸为2.5m 的槽式太阳能聚光器。

2010年，在北京延庆又建立了长度为l20 m的槽式实验
系统，槽式太阳能聚光器的开口尺寸为5.76 m,长度100m，采用液压传动，支撑结构为扭矩管，支撑臂采用矩形钢管焊接而成，反射镜采用4 mm厚玻璃热弯成抛物柱面，再与1.1mm厚的超薄玻璃镜夹胶粘接而成。

图7为中国科学院电工研究所-皇明公司槽式热发电太阳能聚光器。

四几种典型的聚光器技术比较
五槽式太阳能热发电站聚光器技术主要特点
槽式太阳能聚光器的主要技术指标包括:
①反射镜的镜面反射率
②反射面的面形精度
③跟踪精度
④支架结构的强度和刚度
⑤反射镜的长期耐候性和长期寿命
六槽式太阳能热发电站聚光器技术研发关键
基于槽式太阳能聚光器的特点，研发聚光器的关键点在于:
①低成本、高镜面反射率和面形精度、长寿命的槽式反射镜
槽式反射镜是槽式太阳能聚光器的关键部件，其成本约占槽式太阳能聚光器成本的40%。

为了提高反射率，采用高透光率的低铁玻璃，以银作为反射材料，降低玻璃镜的厚度也可提高反射率，但会降低玻璃的刚度进而降低反射镜的面形精度，通常采用4mm厚的玻璃反射镜。

为了提高反射镜的耐候性，要求反射镜的背漆能够抗紫外老化、耐沙尘、耐酸碱和有较大温差。

另外一种方案是“三明治”结构，采用超薄玻璃镜或者反射薄膜作为反射面，背板采用复合材料、玻璃或者钢板保证反射面的面形，这样反射层可获得背板的保护。

②大扭矩、高精度的传动系统
传动系统的精度对槽式太阳能聚光器反射面的跟踪精度具有决定性影响。

传动系统可采用液压和机械两种方案。

液压传动的优势在于可在较低成本的前提下输出大扭矩，机械传动的优势是可连续跟踪。

③真空管支撑臂与真空管的连接方式
槽式真空管的损坏率和真空管与支撑臂之间的连接方式有重要关联。

真空管工作温度与非工作温度的温差比较大，因此由于热胀冷缩的关系，要求支撑臂可沿着真空管的轴向移动。

④槽式太阳能聚光器支架的轻量化
槽式太阳能聚光器支架的轻量化是降低聚光器成本的要求。

聚光器支架结构采用钢材焊接或冲压而成，其技术要求包括在具有高强度、高抗弯刚度和抗扭刚度的基础上尽量降低钢材的重量，并能够实现批量化生产，保证产品的一致性。

⑤槽式太阳能聚光器整体结构的快速生产、快速坡配和快速安装调试
由于建设周期对槽式热发电站的成本也有重要影呐，而槽式太阳能聚光器的安装调试又在槽式热发电站的建设中占据主导地位，因此如何保证在满足性能的要求下，竟可能快速的建设槽式太阳能聚光场也很重要。

七槽式太阳能热发电站聚光器的发展趋势
制约太阳能光热发电发展的重要原因是成本电价无法跟常规能源竞争。

降低光热发电的成本电价可通过降低一次投资成本和提高光电转换效率来实现，这两方面都对聚光器提出了新的要求。

从聚光器的发展历史上可看出，聚光器的开口尺寸越来越大，且长度越来越长，目前这个趋势仍在继续。

大开门聚光器的好处有两方面，一方面可降低聚光器制造成本；另一方面可以提高集热器的聚光比，有利于提高系统运行温度，进而可提高热电转换效率。

但增加开口尺寸对聚光器抗风性能的要求也在变高。

采用调整反射面的形状、增加反射镜间缝隙的方案可以降低风载荷。

增加聚光器长度，可降低控制系统、传动系统和热工系统的成本，还可减少端部损失提高集热效率，但是对聚光器扭转刚度的要求也增加了，因此还可以采用了新型设计以降低聚光器扭转时的摩擦阻力。

采用新材料新工艺改进反射镜的性能。

3M公司开发了一种反射薄膜，可作为槽式太阳能聚光器的反射材料，由于反射膜是前表面反射，因此对材料的耐磨
性能要求很高。

Garden公司采用两片玻璃同时热弯，然后前表而玻璃制镜，再采用PVB薄膜将玻璃镜和后表面玻璃粘接，由于有后表面玻璃的保护，这种反射镜的抗风沙性能更好，但是成本比单层玻璃镜要高。

玻璃越薄，透光率越高，因此采用超薄玻璃镜作为反射镜可不用低铁玻璃材料，以降低成本，但是会增加背板成本。

随着电子信息产业技术的发展，槽式系统的控制系统也随之改进。

传统的PLC控制方案价格过高，因此新的专用控制芯片也将逐步被开发出来。

倾角仪精度的提高和价格的下降，使得倾角仪可在聚光器上广泛使用，作为控制系统的反馈传感器，增加控制精度。

此外，DCS技术也逐步被广泛用于槽式镜场的控制系统中。

相信在不远的未来，随着科学技术的发展和人民对太阳热能的应用的开发，会有越来越先进的聚光器技术的出现。

主要参考文献
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