[科普中国]-太阳能反射器

背景

太阳能主要以光—热、光—电、光—化学、光—生物质等几种转换方式来利用，其中太阳能光—电转换主要采用太阳能电池来实现。按基体材料分，太阳能电池主要分为两类：一类是硅太阳能电池，包括单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、微晶硅电池等；一类是化合物太阳能电池，主要包括单晶硅化合物电池、多晶硅化合物电池，硅太阳能电池一直是主流产品，其中多晶硅太阳能电池自1998年开始成为世界光伏发电市场的主角2。

但是电池片常规转换率在20以下，极大的限制了太阳能行业的发展，太阳能聚光器正是在此背景下对太阳能电池的更新换代产品，经过不断试验的数据，太阳能聚光器热能转换效率能达到80以上，可用于建筑供热供汽。也可直接并入电网用于发电。能大量节省煤炭天然气等能源，市场前景十分广阔。

太阳能反射器优点太阳能聚光器与传统的太阳能集热器相比，线性镜面的性能是很惊人的：即使没有任何隔热装置和选择性吸收体表面，能量流失只有入射能的10%。能有如此出色表现的原因就在于线性镜面可集中入射光，它允许设备的热量传输出去，这些热量即使在没有任何隔热装置的情况下仍然比热量流失高很多。如此高的转换效率充分解决太阳能电池片转换效率不足的问题。产品广泛用于建筑光伏一体化系统，用太阳能代替煤炭天然气等燃料，用以光伏发电上网和独立发电系统，以满足市场需求2。

太阳能热发电系统与光伏发电相比较，具有效率、造价低、技术成熟等优点，并且容易与化石燃料进行混合发电，成为当前太阳能开发和利用的一个主要研究方向。现阶段，槽式、塔式和碟式是最为常见的三种太阳能热发电系统，其中碟式热发电系统相对于其他两种方式而言，被认为是发展空间最大的一种3。

太阳能反射器几种类型线性聚光反射器线性聚光太阳能发电采用线聚焦技术，线性聚光器包括抛物面槽式系统和线性菲涅耳反射系统2种，利用很大的反射镜来捕获太阳的能量，并把太阳光反射和对焦集中到焦线上，在这条焦线上安装有线性管状集热器，集热器吸收聚焦后的太阳辐射能，把吸热管内的流体加热，然后产生过热蒸汽，驱动涡轮发电机产生电力。线性集中聚光器系统通常由按南北向平行排列的大量聚光器组成，这样保证最大限度地聚集太阳能。

1.抛物面槽式反射器

目前，在美国太阳能热发电领域中占主导地位的是抛物面槽式线性聚光系统，槽式太阳能发电系统由太阳能聚光器，以及吸热配件或接收器和跟踪机构组成。其中太阳能聚光器由许多弯曲的反射镜组合装配而成，安装在支架上。吸热管或接收器管沿着每个抛物形反射镜的焦线固定安装，用以吸收太阳辐射能，传热工质(不管是传热流体还是水/蒸汽)都要从太阳能集热管中流过，从而产生过热蒸汽，直接输送到涡轮机用以发电。

该系统基本工作机理是利用若干个槽式采光板在单轴跟踪机构作用下，将太阳光聚集到该系统的集热器上，从而对传热工质进行加热，并使之汽化产生蒸汽，蒸汽受热膨胀对外做功，驱动发电机运行工作，进而达到发电的目的4。另外，该热发电系统安装维护等方而较为方便，发电成本低，集热器的散热而积也比较大，相对于另外两种发电系统，其技术较为成熟，并最早实现商业化，但其主要的缺点在于能量集中过程依赖于管道，管道质量的好坏将影响整个系统的集热效果5。

2.线性菲涅尔反射器系统

第二种线性聚光技术是线性菲涅尔反射器系统，该系统由反射镜。聚光器和跟踪机构组成。把平坦的或略有弯曲的反射镜安装配置在跟踪器上，在反射镜上方的空间安装吸热管，反射镜把阳光反射到吸热管。有时在聚光器的顶部加装小型抛物面反射镜，以加强阳光的聚焦。

碟式反射器与其他聚光太阳能发电技术相比，碟式引擎系统产生的电力功率相对较少，通常在3~25万kW的范围内，很适合分布式应用，如果将多个这样分布安装的单元碟式。引擎系统整合成一簇，可以实现集中向电网供电，不但能缓解电力能源需求，还可以提高整个电网的运行安全性。整个发电系统安装在一个双轴跟踪支撑机构上，实现定日跟踪，连续发电，发电效率高达30%，在相同的运行温度下，发电效率明显高于槽式和塔式，是所有太阳能热发电系统中效率最高的。缺点是碟式太阳能热发电系统的单元发电容量较小。

碟式太阳能聚光器通常是由支架、连接杆、反射镜和U形固定块等部分组成6，类似于抛物而雷达天线形状。聚光器能将平行的太阳光反射聚焦在集热器上，集热器再将热能传递给发电机，从而实现发电的效果。碟式聚光器作为该类型的热发电系统中不可或缺的部件，其主要作用就是收集太阳能，此外，它还可应用于诸如太阳能空调、太阳能污水处理系统等领域，总而言之，碟式太阳能聚光器的性能的优劣会直接影响系统的总体性能7。

碟式太阳能聚光器主要用来收集太阳能，是整个系统不可或缺的部件。由于该聚光器而积庞大，除受自身重力载荷影响外，对于外界风载荷等情况极为敏感，在风载荷作用下，容易导致曲而固镜壳和网架发生塑性变形或破坏，严重的话，还会导致反射镜而的挤压破裂。为了获得聚光器最佳的避风高度角和方位角，以及得到聚光器在不同位姿时的风载特性3。

塔式反射器塔式太阳能热发电系统主要由日光反射镜子系统。接收器组成，见图。其中日光反射镜子系统由大量大型。平坦的太阳跟踪反射镜构成，对太阳进行实时跟踪，把太阳光聚焦到塔顶的接收器。在接收器中对传热流体进行加热，产生高温过热蒸汽，过热蒸汽推动常规涡轮发电机组发电。一些电力塔利用水。蒸汽作为传热流体。由于其卓越的传热和能量存储能力，在其他先进的设计中，对其进行了熔融硝酸盐试验。具有商业规模的工厂可以生产200MW的电力造价十分昂贵，建设电站的投资很高。

聚光太阳能发电基本原理聚光太阳能发电使用抛物镜将光线聚集到充有合成油的吸热管上，再将加热到约400摄氏度的合成油输送到热交换器里，将热量通过此加热循环水，将水加热，产生水蒸气，推动涡轮转动使发电机运转，以此来发电。

聚光太阳能发电与太阳能电池不同，太阳能电池使用太阳电池板将太阳能直接变成电能，可以在阴天操作，CSP一般只能够在阳光充足、天气晴朗的地方进行。

塔式太阳能热发电系统，又称之为集中型太阳能热发电系统，其基本工作原理是利用安装在地而上若干台大型定日镜在双轴跟踪机构作用下，将太阳光反射聚集到接收塔上的吸热器，吸热器将太阳能转化为热能，热能再传给热传导工质，其受热产生蒸汽，蒸汽膨胀则对外做功，驱动发电机运行工作，进而达到发电的目的8。此外，该系统具有光电转化效率高，可与其他能源进行混合发电及实现高温储能的优点，但其占地而积大，建设费用昂贵，并且聚光场和吸热场的优化配合还需进一步研究。

发展现状对于光伏组件，目前大致可以分为非聚光的平板太阳电池组件、聚光光伏发电组件和薄膜电池组件等三类。前者目前应用最为普遍，后者尚处于开发之中，聚光光伏发电组件则由于结构尺寸较大和需要对日跟踪，通常是用在有一定场地和空间的场合，市场主要定位在乡村、台站和户用的中型离网光伏电站及大型并网发电中心电站。

西方发达国家（如美、日、德、澳等）主要发展平板太阳电池组件，从上世纪70年代起还发展聚光光伏发电组件，并达到了较高的技术水平和较大的规模。聚光光伏发电组件有反射式结构和折射式结构两大类，但后来主要发展折射式的，其聚光透镜常用点聚焦平板式和线聚焦柱面式两种。点聚焦平板式与线聚焦柱面式聚光光伏发电组件相比，结构紧凑，聚光比高，所用电池少，但电池温度较高（从而降低光电转换效率和长期性能），对日跟踪系统精度要求较高。

发展优势1、与其它产业相比具有产业竞争优势

我国政府一直把研究开发太阳能和可再生资源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术的发展。二十多年来，太阳能利用技术和研究开发、商品化生产、市场开拓等方面都获得了长足发展，成为快速稳定发展的新兴产业之一。我国已在太阳能光伏利用领域做出了积极的发展，光伏技术在解决西部边远无电地区人民的生活用电发挥了作用。近几年我国在西藏、青海、甘肃等地区投资建设光伏电站示范项目，为解决无电地区的供电问题作出了很大贡献，并积累了宝贵的经验。随着我国光伏产业的发展，光伏能源将在中国的能源发展中占有举足轻重的地位。

2、与水利发电、火力发电相比具有资源优势

利用太阳做能源，没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪声，不产生有害的物质，因而不会污染环境，没有公害。一年内到达地面的太阳辐射能的总量，要比地球上现在每年消耗的各种能源的总量大几万倍。我国宁夏、甘肃、青海、新疆、西藏的大部分地区年平均日照时间在3000h以上，如果光伏电站采用固定平板式结构，则大约有一半日照时间可利用，即年发电量为1.5kW﹒h/Wp﹒年；如果采用对日跟踪平板式结构，年发电量约可提高40%，即达到2.1 kW﹒h/Wp﹒年的水平；若采用聚光式结构，年发电量约可提高47%，即达到2.2 kW﹒h/Wp﹒年。

3、与潜在的竞争对手相比具有市场优势

我国是石化能源资源贫国，人均能源资源不足世界平均水平的一半，现在耗能是以煤炭为主（约占70%）。要实现2020年国内生产总值比2000年翻两番的目标，能源供需矛盾十分突出，到时石化能源产生的CO2排放量为全球第一（约占28%）。另外，目前我国西部地区约有2万多个村、700多万户、3000多万农牧民处于无电状态。但是，我国是富太阳能资源国，全国2/3以上地区年日照超过2000小时，荒漠面积有108万平方公里，主要分布在西北地区，适合安装并网光伏发电系统，如果利用其中的1.38万平方公里面积，则装机容量可达1380GWp，相当于我国2002年的全部用电量，因此市场潜量十分巨大。充分利用太阳能源发电，这一阳光工程将给西部地区尤其是西部贫困山区带来极大的社会效益和经济效益。