太阳能光热发电之系统设计（上）

一、厂址选择

太阳能光热发电厂选址是指通过宏观影响因素、微观影响因素等对太阳能光热发电厂进行选址建设。太阳能光热发电在能源战略中具有重要地位，太阳能光热发电站厂址选择对发电成本有直接影响。

宏观影响因素

（1）气候条件：太阳能总辐射、散射在总辐射占比、等量太阳时、气温等；

（2）自然地理条件：地理位置、土地类型、地形等。

微观影响因素

（1）温度；

（2）风向及风速；

（3）降尘及沙尘暴；

（4）阴影；

（5）电力接入条件；

（6）交通运输；

（7）水资源；

（8）天然气资源。

1、太阳能资源

太阳能资源丰富程度是光热电站选址的首要依据：

（1）与光伏发电系统利用太阳全辐射（GHI）不同，太阳能光热发电系统只能利用太阳直接辐射（DNI），太阳辐射中的散射辐射则不能被太阳能光热发电系统利用，太阳能光热发电站的太阳能资源是通过法向直接辐照度(DNI)数据来评估。

（2）DNI是太阳能光热发电站厂址选择首先要考虑的事项，DNI值的大小直接决定着项目的可行性和经济性。

（3）按照国家能源局2015年发布的《关于组织太阳能热发电示范项目建设的通知》中的要求，申报示范项目的厂址年累计DNI值不应低于1600kWh/(m²▪a)。

年累计太阳DNI值与站址选择的关系

（4）我国太阳能辐射资源分布广泛，适合建设太阳能光热发电站的地区主要集中在西部和北部地区，主要有西藏（DNI约2400～2700kWh/m²）、青海（1900～2100kWh/m²）、甘肃（1700～2100kWh/m²）、新疆、内蒙古、东北及河北部分区域。

（5）根据经济测算，太阳能光热发电系统的平准化度电成本(LCOE)与DNI值成反比，单位面积的DNI值提高100，LCOE将减少4.5%。因此，DNI值高的地区自然是太阳能光热发电站选址首要考虑因素。

2、气象条件

（1）气象条件包括项目地环境温度、风速（最大、平均）、云量( 片云) 、霜、雪、洪水等，气象条件将影响太阳能光热发电站有效发电小时数、发电效率及设备运行可靠性等重要指标。

（2）环境温度低，与系统运行温差大，对汽轮机空冷冷凝机组降低能耗是有利的；但若环境温度过低(特别是冬季)，会增加吸热器热量损失，降低吸热器转换效率，拉低发电系统转换效率；同时为避免熔盐冻堵或导热油冷凝，需要对管道等传热系统进行保温和辅助加热，温度过低会增加辅助加热系统能量消耗，增加厂用电率，减小上网电量。

（3）风速的影响有两个方面：

• 为了保证在大风时运行精度和稳定性，需要对定日镜或聚光器支架进行加固，增加了材料用量，提高了系统成本。
• 吸热器或吸热管表面热量损失随着风速增大而增加，造成系统能量转换效率降低。

目前太阳能光热发电站聚光器设计的工作风速一般取14m/s(6级风)，如果超过此风速，即使太阳能资源非常好，也不能被太阳能光热发电系统利用。

（4）云量(片云) 对太阳能光热发电站发电量影响非常大，特别是塔式电站，如果频繁出现片云，为避免吸热器损坏，聚光系统需要频繁启停，造成启停过程中太阳能资源不能被有效利用，进而影响太阳能光热发电站的发电量；同时，系统频繁启停会降低吸热器使用寿命。

3、土地资源

厂址选择时，对土地资源需要从土地性质、土地坡度和土地面积进行综合考虑：

（1）土地性质：在符合土地利用总体规划的前提下，优先使用沙滩、戈壁、荒漠等难以利用及不适宜农业、生态、工业开发的土地，尽量不占用或少占用耕地；

（2）土地坡度：太阳能光热发电站对土地的平坦程度要求较高，应选择斜坡较少、尽量平坦的土地。

（3）土地面积：电站占地面积与项目成本有较大关系，占地面积越大，征地越多，投资成本越高。在系统转换效率一定的情况下，发电量与接收的太阳DNI值成正比，要增加发电量就必须增加反射镜镜面面积，以收集更多的太阳DNI。在电站规模相同时，不同类型的太阳能光热发电系统的占地面积也不相同，塔式和二次反射塔式太阳能光热发电系统的占地面积相对更大，槽式和菲涅尔式太阳能光热发电系统的占地面积相对较小。

土地坡度及土地利用率要求对比

（4）地形地貌

• 太阳能光热发电站场址宜选择沙滩、戈壁、荒漠等广阔的场地，该类地区太阳能资源丰富，建设条件好、受土地利用影响小。在此类地区建设太阳能光热发电站正符合我国在沙漠、戈壁、荒漠地区建设风光大基地项目的战略规划；

• 太阳能光热发电站反射镜可有效反射阳光，减少水汽蒸发，再加上日常反射镜清洗流入地面的水分，对于改善沙漠和戈壁的环境生态具有非常积极的作用。国家第一批光热示范项目所在地均为戈壁、荒滩、沙漠，电站投运后，植被生长情况得到明显改善。

项目地建站前后对比

（5）其他因素

• 可用地范围；
• 地质条件；
• 军事管制。

4、水资源

（1）水资源是太阳能光热发电站运行时需要消耗的资源，水资源的主要用途有：汽轮机蒸汽循环用水、冷却用水、镜面清洗用水等；

二次反射熔盐塔式电站建设场景

（2）由于太阳能光热发电站运行时耗水量较大，因此在站址选择时，必须确保站址周围是否有充足、稳定的供水条件；为了减少太阳能光热发电站的用水量，在电站设计时，一般优先选用空冷机组，镜面清洗方式优先选择干洗（有项目反映长时干洗后经，镜面会划痕，且冬季镜子易碎）。

5、天然气资源

天然气资源是太阳能光热发电站建设和运营时需要消耗的另一种重要资源，天然气主要用途有：导热油防凝、熔盐初始融化等，站址周围必须具备可靠的天然气供应条件。

6、电力接入

（1）太阳能光热发电站的建设规模一般在50MW以上，因此，电力系统接入的电压等级为110kV及以上；

（2）站址与可接入升压站(变电站) 之间距离将直接影响项目投入成本，所以对项目投资收益有十分重要的影响；

（3）项目建设施工电源及后期厂用电后备电源需要取自10kV或35kV电压等级的线路，站址附近要有10kV、35kV或以上线路可供接入。

7、交通运输

（1）建设期间交通运输条件承担着电站建设期间大量各种类型设备材料和人员运输；

（2）电站运行期间承担着系统运行后人员和普通物流的运输；

（3）外部运输所经公路等级、路径均需要满足电站建设和运营时对外运输的要求；

（4）电站离主干公路的距离、主干公路的等级、主干公路的路径等因素可作为衡量站址交通运输条件的指标。

8、其他因素

（1）国际能源领域学术期刊《Applied Energy》发表了一篇评估中国太阳能热发电潜力的报告，该研究基于高分辨率地理信息系统的最新数据，综合考虑包括太阳能辐射资源、坡度、土地利用类型、自然保护区和水资源在内的多要素来确定光热发电项目在各地建设的适宜性，并计算出光热发电的发展潜力；

（2）研究结果表明，中国约有94.8万km²的土地可用于支持光热发电的建设，99%集中在新疆、内蒙古、青海、甘肃、西藏等西部五省。根据适宜土地上可利用的太阳能资源进行评估，光热发电的地理潜力（适宜土地面积对应的太阳直接辐射总量）为2.13×10¹⁵kWh。综合考虑四种光热发电的技术路线，潜在装机规模为2.45×10⁷～5.40×10⁷MW，对应的潜在年发电量为6.46×10¹³～1.85×10¹⁴kWh。

（3）我国2021年全社会总用电量为8.3万亿kWh（8.3×10¹²kWh），我国的光热发电年发电量潜力约为全社会年用电量的7～22倍，完全有能力满足我国日益增长的用电需求。

9、我国光热项目厂址典型特点

• 建设期需要关注的厂址处关键因素：风、尘、云

（1）我国光热项目所在地具有高纬度、高海拔、冬季气温低等特点；

（2）我国厂址的特点：风大、云多、大气清洁度差、温度低；

（3）风、尘、云不仅影响电站特性，还会影响集热场设备投资；

• 运行阶段需要考虑：

（1）重视清洗策略，确保平均清洁度；

（2）重视集热场工况运行策略，应对云、风的变化。

二、技术路线

光热发电技术路线包括：塔式、槽式、线性菲涅尔式和碟式，主要差别为聚光集热方式不同，由此带来传热介质、运行参数、系统流程等不同。

• 技术路线选择需要考虑的因素：

（1）余弦效率；

（2）光学效率；

（3）大气清洁度；

（4）光学误差；

（5）吸热储热介质。

• 技术路线比较方向：

（1）从电网侧比较技术特点；

（2）从光热转换环节比较技术指标；

（3）结合厂址边界条件考虑技术路线需要关注的因素。

1、余弦效率

（1）为将太阳光反射到接收器上，反射镜表面不能总与太阳入射光保持垂直，呈现一个倾斜角，余弦损失就是因为这种倾斜所导致的反射镜反射面积相对于太阳光可见面积的减少而产生的，即太阳光入射方向与镜面采光口法线方向不平行引起的接收能量减少；

（2）余弦效率大小与反射镜表面法线和太阳入射光线之间的夹角的余弦成正比。太阳入射角越小，反射到定日镜上的有效面积就越大，余弦效率也就越高。反之，太阳入射角越大，反射到定日镜上的有效面积就越小，余弦效率也就越低；

（3）我国主要光热电站开发区域位于北回归线以北，因此全年大部分时间太阳入射角较大，造成余弦损失;余弦效率是评估余弦损失的指标，太阳入射角越大，反射到镜面上的有效面积就越小，余弦效率也就越低；余弦效率直接影响整个系统的发电效率；

（4）项目地纬度越高，余弦损失越大，余弦效率越低。确定较高余弦效率的集热器分布区域对于集热镜场的设计和布置非常重要。

2、光学效率

光热发电系统效率=集热系统的集热效率×热力循环系统的发电效率。

在同一聚光比下，存在一个最佳热源温度，使光热系统发电效率达到最高值。当热源温度继续升高，集热效率不升反降；当聚光比增大时，对应的最佳热源温度和最高效率也随之增加，两个不同聚光比系统，如果热源温度设计不合理，也可能出现效率倒挂。

实际光学效率包括余弦、反射镜反射率、反射镜面清洁度、吸热器清洁度、沿程光强损失、跟踪系统精度、玻璃罩管透过率（槽式）、集热管有效长度（槽式）、拦截率（包括面型精度、装配误差、风致扭曲及溢出）等损失；

不同聚光比对应的最佳热源温度和最高系统发电效率

考虑损失后不同聚光比对应的最佳热源温度和最高系统发电效率

• 影响光学效率的实际因素：余弦损失

（1）槽式光热系统镜面与太阳光的入射角度较小，余弦损失较小，塔式光热系统镜面通过跟踪太阳光的位置将光线聚焦到位于塔顶的接收器上，由于光线经过镜面的反射，塔式光热系统的镜面与太阳光的入射角度一般较大，余弦损失相对较大；

（2）塔式镜场北扇区余弦损失较小，南扇区损失较大，东扇区下午损失小上午损失大，西扇区上午损失小下午损失大；

（3）东西向布置槽式镜场太阳光可以较长时间地垂直照射到镜面上，使得光线与镜面的入射角度接近90度，余弦值接近0，南北向布置的槽式镜场太阳光的入射角度会有较大的变化范围，东西向布置的槽式镜场余弦损失小于南北向布置的槽式镜场。

• 影响光学效率的实际因素：气象条件

（1）光热电站一般建设在沙漠、戈壁、荒地地区，大多面临沙尘、大风、低温等自然气象条件，在我国适合建设光热电站的区域主要分布在西北部，这些挑战尤为突出；

（2）沙尘天气（大气通透度）：普遍存在扬沙天气和浮尘，沙尘暴频发，影响反射镜面清洁度、吸热器清洁度、沿程光强损失；

（3）大风：普遍存在瞬时阵风、日内大风等天气，影响拦截率；塔式电站定日镜抗风能力很重要；塔式电站定日镜反射光线在反射至吸热器过程中的大气衰减要结合厂址位置具体情况客观判断；

（4）低温：冬季极端低温零下20～30℃，增大辐射热损失和对流热损失，降低系统的有效集热量。

• 影响光学效率的实际因素：沿程光强损失

（1）大气的沿程衰减作用是造成太阳能损失的一个重要因素，包括水汽、沙尘、气溶胶等对光线的吸收和散射。反射光的光程越长，沿程光强损失越严重；定日镜距离越远、定日镜至吸热器路径中的水汽和气溶胶含量越高，太阳辐射能量损失越大，大气透射率也就越低。吸热器接收到的太阳辐射会弱于地面定日镜上接收到的太阳辐射；

（2）槽式及线性菲涅尔：反射镜面至吸热器的光程较短，平均焦距为2～3m，因此大气通透度对沿程光强损失的影响较小；

（3）塔式：塔式为点聚焦，其聚光集热环节的理论效率较高，定日镜镜面至塔顶吸热器的光程比较长，一般在200～2000m范围，沿程光强受大气通透性的影响较大；特别是对于近地表面大气清洁度较差的区域，在光传播过程中的能量损失较大。

• 影响光学效率的实际因素：拦截率

（1）槽式和线菲：槽式反射镜与集热管为一体化固定安装，相对位置固定，整体跟踪太阳聚光，且反射光程较短，受风载荷时拦截率变化较小；

（2）塔式：塔式定日镜与吸热器分别独立安装，相对位置不固定，且反射光程较长，受风载荷时塔的摆动和定日镜的抖动，为定日镜正确对焦造成较大困难，导致出现冷热斑、焦点偏离、溢出损失等现象。

• 影响光学效率的实际因素：散热损失

（1）无论对槽式、线菲还是塔式，低温都会增加吸热器、管道的辐射和对流散热损失，减少有效集热量，从而导致系统集热效率降低；

（2）槽式和线菲：真空集热管的选择性吸收光学特性，能够有效减少辐射热损失；玻璃罩管和金属管之间的真空结构，可以极大减少对流换热损失。

（3）塔式：吸热器的高温管屏是直接裸露在冷空气中，对流热损失较高；管屏外表面涂覆的油漆，虽然吸收率高但发射率也高，辐射热损失也处于较高水平；

对于槽式电站，随着纬度升高光学效率往下降；对于塔式电站，相对的受纬度高低影响没有那么明显；对于线性菲涅耳电站，纬度超过40度之后，效率下降明显；对于纬度较低地区塔式光学效率明显低于槽式；对于高纬度地区，塔式光学效率与与槽式电站相差不大；当效率较低的技术路线主要设备造价远低于效率较高技术路线时，较低效率的技术路线可能具有较好的度电成本及经济性。

光热效率与DNI品质、系统配置均有关系；采用大开口槽的光热效率普遍高于ET槽；对于采用相同技术路线相同配置的方案，纬度升高会使光热效率降低。

塔式的光热效率在40%左右，当塔槽在光热效率上的差值超过塔槽在热电转换环节的效率差时，槽式在全厂光电效率上就开始显示出优势。

三种集热技术年平均光学效率

三种集热技术月度DNI权重平均效率

3、光学误差

塔式电站定日镜的精度偏离设计值时，可能给集热场全年表现带来非常大的负面影响，因此塔式定日镜对生产质量以及安装精度要求较高。

尽管槽式集热器对生产、安装有一定的容错能力，但同样需要注意集热器在车间内的组装精度控制，以及在现场就位安装和调试；

线性菲涅耳电站，虽然光电效率及聚光比较低，但是其光学性能容错能力比较强，技术难度相对较低。

4、吸热储热介质

（1）熔盐；

（2）导热油；

（3）水。

采用熔盐作为吸热介质和储热介质，相对于槽式导热油，工艺流程大大简化，阀门及管路系统简单，易于运维；塔式熔盐电站相对于槽式导热油电站，在集热场和发电单元实现了几乎完全解耦运行，电网友好性更好；塔式电站利用的储热介质熔盐的工作温度区间是槽式导热油电站的2.7倍，因此存储同样容量的热能，成本更低。

5、发展前景

对于塔式或槽式（菲涅耳）技术，开发具有竞争力（成本和效率）的定日镜或集热器，如大开口槽式集热器；提高工作温度，采用熔盐作为传热流体的槽式技术，以及采用空气或CO₂作为传热流体的塔式技术；提高工作温度，采用高效的循环发电技术；采用更为经济的储热工艺，以降低工程造价，包括廉价的高温储热介质，热化学储热等；

发电单元单机容量进一步提高，特别对于槽式电站；塔式电站要注意镜场效率随容量的衰减。

任何技术发展，特别是应用于工程实践的新技术，其前景受制于产业政策，特别是电价政策。同时，受制于材料（如高温金属材料），关键部件（如熔盐槽旋转接头）供应的影响。

三、镜场系统设计

• 设计点DNI：

（1）设计点是用于确定太阳能集热系统参数的某时刻对应的气象条件和太阳法向直射辐照度（DNI）等；

（2）可选春分日或夏至日正午瞬时DNI为设计点，其中春分日的日辐照强度在光学中认为与全年平均辐照强度误差在5%左右，可以代表全年直射辐照平均值；

（3）而理论上全年其他时间点的瞬时DNI均低于夏至日正午，选择夏至日时则无需担心吸热器超温和弃光；

（4）设计点DNI为聚光及储热系统设备选型提供依据 。

• 太阳倍数：

（1）太阳倍数是指特定设计点中吸热器输出热功率与透平机组额定热功率之比；

（2）吸热器输出功率数值是由太阳倍数决定，太阳倍数会影响镜场规模及储能效率；

（3）提高太阳倍数会增加系统（尤其是镜场）投资成本，同时镜场规模扩大会增加发电量，会降低全周期的度电成本；

（4）影响太阳能热发电站年性能和经济性评价的关键设计参数，和储能时长不同组合决定不同光热电站出力及运行模式。

1、塔式镜场设计

塔式镜场设计-定日镜

• 定日镜选型设计：

（1）定日镜是塔式能热电站主要投资部分，也是聚光系统核心设备；

（2）定日镜主要作用将投射至定日镜表面太阳光反射汇聚到位于塔顶吸热器表面，定日镜选型至关重要。

山东三SEPCO Ⅲ型定日镜

定日镜选型设计

• 定日镜面型设计-面积大小

（1）定日镜是由许多面子镜拼接而成，定日镜面积大并不等于光斑尺寸一定大，通过子镜拼接角度调整（canting）技术，定日镜光斑大小主要由单面子镜大小和光程决定；

（2）尺寸大定日镜整体风载大，尺寸小定日镜整体风载小，抗风能力是由基础和结构强度决定的。评价定日镜抗风能力只能通过定日镜设计工作风速和生存风速评估，跟尺寸没有直接关系。

（3）单个定日镜面积和定日镜数量成反比，影响镜场运维成本；

定日镜尺寸、光程和光斑大小

定日镜风载和风载分析

PS10&PS20电站定日镜(120m²）

Gemasolar电站的定日镜(120m²）

新月沙丘电站定日镜(115m²）

solar one电站定日镜(40m²）

solar two电站定日镜(95m²）

Ivanpha电站定日镜(15.1m²）

SBP巨蜥定日镜(48.5m²）

首航敦煌电站定日镜(115.7m²）

（4）定日镜制造工艺；

（5）定日镜驱动控制系；

（6）安装和调试；

（7）土地利用率；

（8）吸热器吸收效率；

（9）成本造价（LCOE）；

• 定日镜材料选型：

（1）由于玻璃对光线的吸收作用，玻璃越厚镀银玻璃反射镜反射率越低，2mm玻璃反射率达到94.5%，3mm为94%，4mm仅为93.6%；

（2）首航敦煌100MW塔式光热电站采用3mm镜面，NOOR3光热单站采用2mm镜面，阿克塞熔盐槽式实验回路采用0.95mm加背板镜面，反射率可达到97%；

（3）子镜背板加强：面型通过刚性背板整体成型，相较于机械支撑点控制，面型精度更高，提高了镜面刚性，增强了抗风能力。

风荷载玻璃变形分析（风速16m/s，上-有金属背板，下-无金属背板）

• 定日镜面型设计-形状：

（1）四边形；

（2）五边形；

（3）六边形；

• 定日镜跟踪（双轴跟踪）：

（1）任务要求：调整镜面朝向，使太阳能主光线经镜面反射后，准确发射到目标位置，这就要求镜面中心的法向指向太阳光太阳位置与目标位置角平分线方向。

（2）方位俯仰跟踪：从起始状态，先绕方位轴（绿色的轴）转一个角度，再绕绿色的俯仰轴转一个角度，到当前的角度姿态。两个轴是互相垂直的，相互独立，互不影响；先进行方位轴运动，再俯仰轴运动，或者先俯仰运动，再方位运动，都是可以的，都是把镜面中心法向指向目标方向；这种跟踪方式应用广泛。

（3）俯仰侧滚跟踪：从起始状态，先绕绿色的俯仰轴上下运动一个角度，再绕蓝色的侧滚轴运动一个角度，到当前的角度姿态；这种跟踪方式有利于紧密布置定日镜场。

（4）极轴跟踪：适合分布式应用；

（5）自旋俯仰跟踪：适合与纠像差镜面结合；

方位俯仰跟踪

俯仰侧滚跟踪

• 定日镜跟踪准确度测量：

（1）定日镜跟踪准确度测量采用非接触式视觉检测方法，利用CCD相机采集定日镜在目标靶上形成的光斑图像，分析定日镜聚光特性，结合定日镜与目标靶位的位置关系计算定日镜的跟踪准确度；

（2）跟踪准确度测量系统由定日镜、靶面、相机、计算机及软件、风速风向仪、辐射表组成；

（3）定期进行效率计算及时发现吸热效率变化情况，通过对镜场与吸热屏目标方位参数修正，保持镜场处于高效率工作状态；

塔式电站定日镜校准及纠偏系统

塔式镜场设计-镜场布置

定日镜镜场布置方式：径向错列布置、玉米田布置、仿生学布置、北向镜场布置、四周镜场布置等。定日镜场布置考虑以下因素：

（1）阴影和遮挡；

（2）余弦损失；

（3）截断效率；

（4）镜面反射率；

（5）灰尘因子；

（6）纬度；

（7）风速；

（8）项目场地；

（9）其他限制条件；

• 塔式镜场效率：

注：1月1日、3月1日、6月1日、9月1日和12月1日余弦效率(η_cos)、阴影与遮挡效率(η_sb)、二次阴影效率(η_hb)和大气透过率(η_att)变化情况；6月1日镜场效率最高，因为太阳高度角带来的余弦效率和阴影遮挡效率(η_sb)较高。

注：分析3月1日不同辐照和风速下镜场功率、集热功率和发电功率等变化情况，镜场功率和集热功率主要受太阳辐射影响，得益于储罐储能效应，可以实现较长时间稳定电力输出。

余弦效率(η_cos)、阴影与遮挡效率(η_sb)、二次阴影效率(η_hb)和大气透过率(η_att)

2、槽式镜场设计

槽式镜场设计-聚光集热器

• 聚光集热器面型：

（1）集热器长度（L）；

（2）抛物线焦距（f）；

（3）集热器开口尺寸（c）；

（4）边缘角（Ø）；

（5）集热管直径（d）；

• 聚光集热器面型-早期阶段：

（1）早期阶段：LS-1，LS-2和LS-3槽式集热器；

（2）20世纪80年代，Luz公司在美国加州SEGS系列光热电站上采用了自研的槽式集热器。按研发投产时间，分为LS-1，LS-2和LS-3三种类型。其中LS-2有1985/1988年两个版本，基本参数相同，但提高了集热管的吸收率使得后者光学效率有提高。

（3）从Luz三种槽式集热器可以明显看出，为了降低成本，提高光学效率，集热器尺寸越来越大，开口宽度、单集热单元长度翻了一倍，反射镜背部的金属支撑结构也在不断优化。

LS-2背部结构（上1985版本，下1988版本）

• 聚光集热器面型-中期阶段：

（1）中期阶段：RP1-RP5型集热器；

（2）RP1作为最早的槽式集热技术方案开始应用，RP1的开口较小，结构相对简单。仅在SEGS1中试用了42600片，在SEGS2电站中试用部分。

（3）RP2设计相对RP1复杂，完全可以满足发电需求，在西班牙两个50MW电站，美国SEGS系列电站、Nevada州104MW电站使用。

（4）RP3是目前最成熟的槽式集热设计，更适合高温光热发电应用，累计使用面积超过三千万平方米，直到现在仍在进一步应用。

（5）RP4是RP3升级版，由于开发公司FLAGSOL破产，产品犹如昙花一现，未能大面积推广应用，设计目的是为了适应熔盐传热应用；

（6）RP5在2011年推出，目前也仅仅建成了一个试验回路，尚没有取得市场的认可。

RP1型集热器

RP2型集热器

RP3型集热器

RP4型集热器

RP5型集热器

• 聚光集热器面型-现阶段：

（1）现阶段：多种集热器百花齐放，Luz公司于1991年宣告破产之后槽式集热器进入了百花齐放、群雄割据的局面。

（2）1998年欧洲公司联合进行欧槽（Eurotrough）项目的研发，之后有实力的公司都在尝试发展自己的槽式集热器技术和专利，而其中大部分是基于欧槽改进、优化而来。

原型欧槽（Eurotrough）

集热器 E-2槽式集热器

SKAL-ET150集热器

SENERTrough集热器

（3）在光学性能表现方面大部分集热器尺寸基本相同且搭配集热管运行温度上限在390℃，光学效率并没有大提高，只是改动了反射镜支撑结构优化、减少现场组装工时、模块化、轻量化设计。

（4）未来阶段：轻量化、大开口集热器；

（5）在常规尺寸、常规开口的集热器大量应用之后，如何进一步提高光学效率，降低成本成为了下一代集热器发展的方向。

（6）下一阶段的集热器发展正朝向更大尺寸、更大开口宽度的方向在发展；

（7）为了得到更高的热电转换效率，提高光场出口蒸汽温度参数势在必行；

（8）缩小集热器组装复杂程度，减少部件和回路数量，减少土地使用面积，削减成本；

（9）降低安装难度，提高装配效率，大尺寸集热器朝部件标准化、轻量化、坚固化发展；

HELIOTube集热器

Skytrough集热器

SENERTrough2集热器

SpaceTube试验型集热器

终极槽试验回路

聚光集热器-整体设计

（1）抛物线型：从聚光集热性能角度，选择合适的抛物线焦距、边缘角等参数；

（2）几何参数：为了开发适用于高温段的集热器，需要相匹配集热器的几何参数，如开口尺寸、聚光比、SCA/SCE长度等；

（3）热力学参数：从工程边界条件和供应链能力的角度，需要匹配集热器的功率、集热管规格、介质流量流速等参数；

集热器整体设计需要关注因素

聚光集热器-结构设计

（1）结构设计：从保证集热器性能的角度，优化集热器结构设计，保证集热器聚光效率和跟踪精度；

集热器结构设计需要关注因素

（2）防风墙设计：从经济性方面考虑，选择合适的防风墙布置形式，在保证集热器安全性的基础上降低镜场建设成本；

（3）轻量化设计：从经济性方面考虑，对镜场内不同位置的集热器进行轻量化设计；

（4）工程应用：设计过程中应考虑集热器主要结构部件的长距离运输成本，且能够在工装工具辅助下完成集热器的高精度生产、组装、调试工作；

槽式镜场设计-集热管

集热管是槽式、线菲光热电站核心组件，电站生命周期内稳定发电与整体经济效益，很大程度上取决于集热管光学效率与长期可靠性；提高集热管光学效能和热稳定性措施：

（1）玻璃增透涂层：新一代减反射涂层通过DLR系列耐久性测试，展现出耐紫外、耐水、耐摩擦、耐风沙性能，确保集热管在恶劣环境下长期维持高透过率。

（2）玻璃封装技术：提高玻璃和金属热膨胀匹配系数，提高温度变化适应性，创新玻璃金属封接技术和自动化生产工艺使得集热管拥有质量可靠性和恶劣环境适应性；

（3）吸收涂层：提高膜层耐高温性能，提高膜层吸收率，集热管在DLR检测中超越工业标准管3%以上的光学效率，在过热加速老化测试(478℃,1000小时)和热循环冲击测试(200～478℃, 100次)后性能零衰减。

（4）集热管设计：波纹管设计带来高可靠性，在DLR循环拉伸疲劳测试后保持集热管真空完好；通过内反射盾二次反射，增加集热管吸收阳光有效面积；波纹管保护罩提供安全可靠的波纹管防护；降低整管热损，提高集热管耐高温冲击及高温老化性。

槽式镜场设计-回路设置及加强

根据场地条件调整回路布置；根据主导风向加强：反射镜、钢结构、立柱、基础等；根据主导风向设置挡风墙；

槽式镜场设计-回路布置方向

在中国第一批光热示范项目投建之前，全世界槽式电站大部分都分布在南北回归线之间“Sun Belt”地带，所有电站纬度均低于40°。

全球光热电站分布图

当中国示范项目加入到世界光热电站版图时，超过40°的高纬度光热电站开始出现。我国适合建设光热项目的直射光资源丰富的区域，除西藏和青海南部外，大部分处于35～50°的较高纬度地区。

槽式技术是一维跟踪技术，目前全球已投运和在建的槽式电站，集热器轴线均沿南北向布置，集热器绕轴自东向西跟踪太阳转动收集热量。

在地表上观察到的太阳位置，可用“方位角-天顶角”或“方位角-高度角”表示；方位角为0～360°，正北为0，顺时针方向增加。天顶角为0～180°，白天时段为0～90°，夜晚时段为90～180°；当采用槽式集热器时，太阳角度可以分解为沿开口平面法线的方向（紫色矢量）和沿集热器轴线的方向（橙色矢量），前者称横向角，后者称轴向角。

由于集热器开口平面始终绕轴转动跟踪太阳，所以横向角不产生余弦效应，只有轴向角产生余弦效应，轴向角即为入射角。入射角的绝对值越大，余弦损失越大，反之亦然。

不同纬度入射角余弦值变化（左-南北向、右-东西向）

DII（Direct Incident Irradiance），入射直接辐照度，是指法向直接辐照度DNI在垂直于跟踪太阳工作的槽式集热器开口平面方向上的分量，即下图中紫色线的分量。

与DNI相比，DII能够更准确地描述出可以被槽式集热器有效利用的太阳能部分，从而更直观地得出不同场址、不同集热器布置方向的太阳能资源优劣，所以建议代替DNI作为槽式电站的设计分析参数。

纬度越低，南北向布置的年集热量优势越明显；纬度越高，东西向布置的年集热量优势越明显；东西向布置的集热量在全年各月分布更均匀。

集热器沿东西向布置，行间距对镜场年集热量的影响，比南北向布置的变化更加平缓，意味着东西向布置的行间距有更灵活的调整空间，有利于节省占地，缩短管道长度。

东西向布置的集热量在全年各季节分布更均匀，除了减少季节性差异，平稳全年各月出力以外，还有利于提高设备在全年各月的利用率，减少弃光，提高全年发电量。

风荷载是槽式集热器强度和刚度设计的主要影响因素，直接决定了集热器的钢材用量。

将集热器的布置方向与项目厂址的风玫瑰图综合考虑，分析全年主导风向和最大风速风向，有利于合理选取集热器上的设计风荷载，减少集热器的钢材用量，降低项目初投资。

槽式镜场设计-场地坡度与场平

（1）场地坡度方向；

（2）集热器布置方向；

（3）场平方案：土方、台阶、成本；

（4）道路、清洗通道；

槽式镜场设计-集热场布置

（1）典型的回路布局方案适合集热场用地边界比较规则的场地；

（2）实际工程中，场地边界可能非常不规则。

（3）不能拘泥于特定布局类型，应因地制宜具体情况具体分析，尝试多种布局。

槽式镜场设计-集热场流量平衡

（1）集热场流量平衡的重要性：导热油超温，集热场出口温度，机组循环效率；

（2）方法：水力计算，现场调试；

（3）水力计算：为导热油循环泵扬程确定提供数据，为现场流量平衡调试提供参考。

四、吸热器系统设计

聚光系统和吸热系统是对立统一的有机整体，在不同纬度、不同气候、不同环境之间，设计阶段、选型阶段、安装阶段、到运维阶段都必须综合考虑，对整体效率、投资收益等产生关键影响。

太阳能光热发电系统中的吸热装置：塔式吸热器、槽式和线菲的集热管吸热器、蝶式吸热器；

塔式吸热器分类：

（1）结构特征：外置式、腔体式；

（2）传热流体：液体吸热器、气体吸热器、固体（颗粒）吸热器、球流吸热器；

（3）加热方式：管式吸热器、板式吸热器、容积式吸热器、热管式吸热器；

塔式吸热器

槽式吸热器

线性菲涅尔吸热器

碟式吸热器

待续，正在更新中......