[科普中国]-聚光型太阳能集热器

功能原理

聚光型太阳能集热器是利用反射器、透镜或其他光学器件将进入集热器采光口的太阳光线改变方向并聚集到接收器上的装置，可通过单轴或双轴跟踪获得更高的能流密度。这种太阳能集热器通过凹面反射镜或透镜将太阳辐射能汇集到较小的面积上，从而使单位面积上的热流量增加并且减小了接收器和环境之间的换热面积，提高了工质的温度和集热器的热效率，而它的缺点是只能接收直射辐射，且需要跟踪系统配合，从而导致成本增加。目前这种聚光型太阳能集热器主要用于太阳能热发电、太阳能制氢、太阳炉和双效LiBr-H2O吸收式制冷系统等，属于中高温集热器的范畴。

分类太阳能集热器作为将太阳辐射能聚集起来并转化为热能的装置，它有多种分类方法。按传热工质的种类可分为液体型和空气型集热器;按是否跟踪太阳的类型可分为跟踪型和非跟踪型集热器；按工作温度范围分类，可分为低温型、中温型和高温型集热器三大类。以上分类的各种方法实际上相互之间都有重叠。目前，太阳能集热器最常用的分类方法是接收器接收太阳光线的方式即太阳光线进入集热器采光口是否改变方向分为聚光型集热器和非聚光型集热器，聚光太阳能集热器主要有三种应用形式：槽式集热器、塔式集热器和碟式集热器。2

槽式集热器槽式太阳能集热器是一种借助槽形抛物面反射镜将太阳光聚焦反射在一条线上，在这条焦线上布置安装有集热管，来吸收太阳聚焦反射后的太阳辐射能。通过管内热载体将管内流体加热直接利用，或将管内流体加热蒸汽，推动汽轮机借助于蒸汽动力循环发电的清洁能源利用装置。槽式系统的聚光比在10-100之间，温度最高可达400℃，槽形抛物面太阳能发电站的功率为10-100MW，是目前所有太阳能热发电站中功率最大的。

塔式集热器塔式太阳能集热器是在空旷的地面上建立一个高大的中央吸收塔，塔顶部安装固定一个吸收器。塔周围布置有定口镜群，定口镜群将太阳光反射到塔顶的接收器的腔体内产生高温，再将通过吸收器的工质加热并产生高温蒸汽的系统。塔式太阳能集热器的聚光比可以达到300-1500，运行温度可达1500℃，总效率在15%以上。塔式太阳能发电站属于高温热发电。目前塔式发电的利用规模可达10-20MW，处于示范工程建设阶段。

碟式集热器碟式太阳能集热器是世界上最早出现的用于发电的太阳能动力系统。

碟式太阳能集热器是借助于双轴跟踪，抛物型碟式镜面将太阳辐射能聚焦反射到位于其焦点位置的吸热器上，吸热器吸收这部分辐射能并将其转换成为热能直接利用，或者推动位于吸热器上的热电转换装置，比如斯特林发动机或者郎肯循环热机，进而完成发电过程将热能转换为电能。

碟式太阳能热发电采用抛物面聚焦，吸收器位于各抛物面的焦点处。单个碟式系统发电装置的容量范围在5-5kW之间，用氦气或氢气做工质，工作温度达800℃,效率达29.4，在三种聚光式发电中是最高的。碟式系统可以既可以作分布式系统单独供电，也可以并网发电，使用灵活。3

主要部件真空集热管真空集热管是槽式太阳能集热器最重要的组成部件之一。槽式抛物面反射镜将太阳光线聚焦后反射到真空集热管上，然后透过玻璃外管照射在吸热管上，吸热管银有选择性图层的外壁吸收太阳福射能并将其转化为热能，传给内管中的传热工质。吸热管表面沉积有光谱选择性吸收涂层，用来吸收太阳光线，同时吸热管与玻璃管之间为真空层，可有效抑制真空管内空气的传导和对流热损失。

聚光反射镜由于太阳能的能量密度较低，要想获得较高的集热温度，需要通过聚集太阳能的手段来实现。聚光型太阳能集热器就是利用聚光反射镜（也称聚光器）将太阳光线汇聚并反射到集热管上来加热吸热管内传热工质，其作用等同于塔式太阳能热发电系统中的定日镜，因此聚光装置的性能对太阳能集热器的聚光比和热效率有着直接的影响。

反射镜由反射材料、基材和保护膜组成。在槽式太阳能热发电系统中，反射镜的制作材料有玻璃、髙分子合成材料及铅一般常用的是皆含铁量较低和反射率较高的银铝为反光材料的抛物面玻璃背面镜，而在银或铅反光层背面再喷涂一层或多层保护膜。4

跟踪机构太阳能具有低密度性和间隙性，而且空间分布不均匀，同时太阳辐射以某一斜角射向水平位置的集热器时，就会使太阳辐射强度受到一定程度的损失，然而若把集热器倾斜放置就能够减少这种不必要的损失。如果接连不断的转动和倾斜集热器，使采光口和太阳入射光线始终保持垂直，便可使单位面积上辐射能量达到最大。因此为使太阳能集热器能更有效地吸收和利用太阳辐射能，并使传热工质获得更高的温度，大部分聚光集热器必须采用跟踪技术。

支架结构支架是太阳能聚光集热器的承载机构，为了防止反射镜在工作过程中发生损坏和变形，支架应与聚光反射镜紧密贴合在一起，尤其是支架与反射镜背面接触的部分。支架作为反射镜和集热管的支撑部件，需要其不仅具有足够的刚度和较轻的质量，还要有良好的抗疲劳能力和良好的运动性能等，以便于对太阳能集热器进行焦距的调节，达到整个系统长期安全稳定运行的目的，因此支架的整体设计和布置就显得十分重要。1

特点优势利用聚光型太阳能集热器进行水加热，可使太阳光通过每只凸透镜经过折射聚光，使太阳光的焦点照射到吸热板上迅速地加热金属管内的水。由于太阳光聚光焦点的温度很高，使金属管内的水加热速度快，温度高，吸收太阳能的热效率高。经集热器与水箱的水闭路循环，使水箱中的水加热温度高，时间短。

利用聚光型太阳能集热器进行太阳能热发电技术是将低密度太阳能聚集起来，通过换热设备将热量传给传热介质产生高温蒸汽，然后驱动传统发电设备产生电能的新技术。太阳能热发电技术与其他发电技术相比经济性好、投资少、电价低，而发电方式与传统发电方式相同，对电网影响小，无需专用技术改造即可入网;原料无高污染、高能耗工序，在环保和节能方面有大优势。太阳能热发电技术特别适用于大规模发电，不仅可以改变我国以煤为主的常规发电结构，也是未来我国电力行业可持续发展的重要一部分。