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菲涅尔透射线聚光中高温太阳能集热系统
一、 传统槽式抛物面聚光器的缺陷
在太阳能聚光集热技术中，传统的槽式抛物面聚光器是应用最广泛、最成熟的技术之一，它在许多大型的太阳能热电厂中都得到了成功的利用。在太阳能跟踪系统的精确控制下，它能收集到大于400℃以上的高温。
至上世纪90年代初，LUZ太阳能热发电国际有限公司就在美国加州沙漠相继建成了9座槽式太阳能热发电站，总装机容量353.8MW，并投入并网营运。经过努力，电站的初次投资由1号电站的4490美元/kW降到8号电站的2650美元/kW，发电成本从24美分/kWh降到8美分/kWh。可见槽式太阳能热发电站是很有开发前景的，也是目前国际国内普遍看好的发展方向，其技术相对成熟。目前国际上，槽式太阳能集热器的制造商主要有Flagsol公司、Solel公司、Sener公司、Solucar公司和IST公司等。但LUZ公司最后宣布倒闭，原因是电站的管理维护花费巨大资金，以致太阳能电站入不敷出，最后不得不倒闭。分析原因是抛物面槽式聚光器具有重大的工程缺陷，分析如下（理论上是非常完美的）：
（1）为了获得太阳光的能量，它的开口一般都做得很大，一般可达到6~8米，为了将上面的玻璃反射镜支撑住，并能抗击风的吹击，特别不能因风而产生扭曲变形，否则光线不能反射到接收器上，需要坚固而沉重的支撑架子，这个要求是苛刻的，当跟踪机构驱动整体系统跟踪太阳运转时，就需要巨大的电力（消耗了自身电力的25%），从而降低了它自身的效率。
（2）它的聚光面朝上，特别容易积聚尘土，降低了系统的聚光率，而且不易清扫。对暴雨和暴雪的冲击也难以应付，必须旋转至凸面朝上才能安全，这又消耗了系统本身的电力，减少了系统的电力输出。
（3）其接收器采用真空集热管，它的反射光线主要来自下方，所以接收管的上下表面受热不均，容易产生热弯现象，甚至使真空管破裂。
（4）它的真空管接收器置于空中，当真空管高温运行时，它与天空进行辐射换热，辐射损失严重。
（5）要求高精度的跟踪。对于大型的槽式抛物面聚光器，需要的最小跟踪精度为0.1°，如果光线倾斜入射，要求的精度更高。一般需要液压跟踪，大大增加了系统成本。
这些缺陷的存在，限制了槽式抛物面聚光系统的应用。也使太阳能热动力技术由于成本高昂而难于为用户接受。因此，寻找新的聚光技术成为我国发展太阳能热电的关键。本项发明专利技术将透射与反射以及二次再聚光技术融为一体，取之最有效的部分，并将系统整体设计为转轮式，大大节省了驱动系统所需要的电力，具有重大的工程优势。
二、菲涅尔透射聚光高温集热系统的工作原理
菲涅尔透射聚光的原理是利用光线在不同厚度的材料中折射方向不同来实现的。如下图所示。光线通过它时，由于曲面是弯曲的，所以上下表面的折射方向不同，通过设计，可以将不同地点入射的光线都折射到同一个地方。这就是菲涅尔透射聚光的工作原理。菲涅尔透镜只取圆柱面上的一部分。并将光折射到圆柱面的下表面上，使得装置的重心正好在圆柱的圆心上，使系统运行轻便。
除了透射聚光器外，其他的部件与传统的槽式抛物面聚光系统基本相同，但由于它的真空管接收器放在了聚光器的下方，所以它可以设置二次聚光器，可以把没有直接打到真空管的光被再次反射到真空管上。
聚光器由有机透明材料根据光学原理设计、并采用精确模具注塑成型，组成材料采用抗紫外的PC制造，PC材料就是制造汽车大灯的材料，可以在太阳光下工作近十年。聚光器的外观如图所示：
三、聚光实验 （1）菲涅尔透射聚光效果 菲涅尔聚光器由PC材料制造，PC材料具有很高的透射率，本聚光器的平均厚度为6mm，因此我们的聚光器的平均透射率达到88%~90%。由于是模具制造，尺寸大小比较规范，所以聚光效果非常良好，下图是单片聚光器的聚光光斑照片，光斑宽度在3.5厘米左右，如果二次聚光器的宽度在15厘米的话，可以8分钟跟踪一次。大大节省了跟踪电机的电耗和跟踪精度的要求。
（2）菲涅尔透射聚光太阳能中温系统的实验
四、系统的重要优势 本系统结构简单，围绕重心选择，相比槽式抛物面系统，具有如下重要的工程优势： （1）系统的抗风能力强，因为它是上下而且基本呈圆柱形结构，可以放得很低，甚至它的下半部分可以置于地平线之下； （2）因为它有二次聚光器，因此需要的跟踪精度要求很低，不像槽式抛物面聚光那样，只有单独的真空管接收器，它的跟踪精度要求大约在1.5°，比传统抛物面放大了7倍，如此低的跟踪精度可以用步进电机驱动，避免了液压传动跟踪系统的大投资，大大减低了跟踪成本，也降低了跟踪系统的电力消耗（系统围绕轴心转本身也最省功）。 （3）装置中，菲涅耳透射镜的凸面朝上，真空管和二次聚光器又都置于菲涅尔聚光器的下方，大大减轻了受风雨和尘土的侵蚀，不会因环境因素降低其光学性能。即使是暴雨和暴雪也对系统的损害不大，无需临时旋转到朝上位置。因此它的抗雨雪和尘土的能力大大加强； （4）此类系统由于设计了二次反射器，也使真空管处于一个相对的温室系统中，大大较少了热损失，同时接收器上下得到加热，提高了接收器的效率，也避免了热弯现象的产生。 （5）聚光器采用传统有机透明材料制造，可以流水线生产，大大降低了系统的制造、安装和维护成本 五、产品前景 在环境污染日益严重，人们普遍期待绿色用能的今天，利用太阳能发电正在成为人们首选的课题。然而，塔式太阳能发电成本太高，抛物盘式分体发电不利于规模化，而槽式太阳能聚光发电又有诸多缺陷，本太阳能聚光系统也许是最可行的方法。如果本项目研究成功，将为太阳能聚光发电提供最有价值的聚光系统，也为中国的太阳能产业派生了一个新的增长点，对提升我国的太阳能产业规模和科技含量无疑具有重大意义。另外，新型高温集热系统在许多其它领域也有重要的应用价值。如在太阳能海水淡化技术、太阳能空调技术领域等。由于目前没有低成本耐候性强的中温（约150℃）太阳能集热器，致使太阳能海水淡化系统的整体效率不高，制约了太阳能海水淡化产业的发展。现有的太阳能制冷技术，包括吸收式和吸附式制冷，都因太阳能集热器工作温度太低（小于90℃）而使系统效率太低，限制了太阳能空调系统的推广应用。尚迪福线聚光太阳能集热系统将使太阳能空调的工作温度从现有的80至90℃提高到120至150℃，COP值从0.4 提高到1.0以上。将极大地推动太阳能空调的发展。 |
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