静止
真空管 复合抛物面
1-5
5-15
60-240
60-300 60-250 60-300 60-400 100-1500 150-2000
单轴 跟踪
线性菲涅尔 圆柱槽式 抛物面槽式
10-40 15~50 10-85 600~2000 300~1500
双轴 跟踪
碟式 塔式-定日镜
3.3.1 平板集热器
Ce 0Cg
0称为“光学散射损失因子”。
（3）抛物面聚光器的理论聚光比 设右图所所示的抛物面，其焦 平面与其收光孔重合。 假如太阳光线是绝对平行的，则 右图抛物面聚光器的聚光比应趋向 于无穷大，因光线都聚焦在一点。 而事实上，由于太阳圆盘有32′ 的张角，所以抛物面所能够达到的 极限聚光比只是 碟式抛物面 槽式抛物面
太阳图像宽度W计算公式
4f tan16 W= cos (1 cos )
聚光抛物面实例
3.1.3 抛物面的离散化 线性菲涅尔聚光系统
当为提高聚光比而扩大抛物面时，会产生如下 问题： （1）抛物面的重量及转动惯量随尺度增大而急 剧增大，为跟踪设计带来困难。 （2）抛物面过大难以解决风荷载问题。 （3）连续抛物面的精确机械加工不容易实现。
太阳能热发电系统热电转换效率与聚光比及吸热器温 度之间的关系
两种基本的聚光形式
1. 反射式聚光
2. 折射式聚光
3.1.2 抛物面反射聚光

抛物面焦点上的光源（焦点）所产生的平行光束
抛物线方程：
z 4fx
2
实际太阳光线所产生的成像

太阳到达地球表面的光线并非平行光，而是张角为32′的发散光，因此 不可能完全聚焦。经抛物面聚焦后所产生的图像宽度W，随着反射点 P的位置不同而变化。
年度平均余弦效率

吸热器末端溢出损失
LFR聚光集热系统采用单轴跟踪，故反射光在吸热器上会沿其轴 向随着时间变化而移动。当太阳光线入射角度较大时，部分反射光将 从吸热器末端移出，形成末端偏移溢出损失。偏移程度越大，末端损 失程度也越大。 对于南北场，反射光偏移沿东西方向运动， 用e表示，
e sin s cos2 s H 2 +d 2 1 cos s sin s

此外，在普通抛物面聚光器中，吸热器必 须和集热面一同转动，造成无谓的动力消耗。
线性菲涅尔聚光系统（Linear Fresnel ReflectorLFR), 因由法国工程师Augstin-Jean Fresnel 发明而得名。
吸热器 吸热器 反射光 反射光 太阳入射光 太阳入射光 H
南
镜元4 镜元3 镜元2 镜元1
cosθi S N cos s cos s sin sin s cos
(H,0,e)
性
吸 热
器
线
西
塔 高 H Z
αs太阳高度角 s 太阳方位角 镜元倾角
E
k o i j
qi
南 东
X
R
Rz r Re r Rn
S
s
(0,d,0)
A
反
N
镜元轴与塔基距离d
3.4.2 塔式-定日镜系统
定日镜形式
吸热塔的结构形式
混凝土塔
钢塔
3.5 线聚焦集热器
3.5.1 抛物槽式聚光器

抛物槽式聚光器的结构 与部件
抛物型聚光面 长条型支架 水平横轴 子午面旋转 水平管吸热器 柔性连接管
抛物槽式聚光器实例
设计运行温度400℃、用于抛物槽式集热的真空管，长度2米 （北京市太阳能研究所）。
（1）需要双轴跟踪系统。 （2）聚光器、吸热器和斯特林发动机一体化，整体转动。 （3）斯特林机的制造成本高，而且可靠性低，寿命短，目 前商业化程度低。 （4）由于重量与可用空间限制，碟式聚光器无法与蓄热系 统相结合，导致系统频繁启动、停止。 （5）美国一碟式实验系统的光电转换率达到31％，保持着 太阳能发电技术的最高效世界纪录。
2 2
偏移/m
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
e 最大
n 最大
e 平均
n 平均
南北场 东西场
镜场的纵向长度越长，偏移对系统光 学效率的影响越小。以西班牙的参考PE-1 电站为例，其LFR镜场纵向长度为980m， 由南北场和东西场引起的最大末端偏移溢 出损失分别占总辐射的4.6%与2.6%，年 平均末端偏移损失在1%左右。
菲涅尔透镜的设计原理
阶梯平面倾角α与折射光线倾角φ 、及透镜材料的折射率n的关系：
tan
sin n cos
阶梯面倾角α与当地平面参数r、W 及焦距d之间的关系：
tan n (d
r W W tan )2 r 2 (d tan ) 2 2
菲涅尔透镜聚光
1
镜元1
x
2
镜元2
3
镜元3
4
镜元4
地平面

每一个带状镜元的倾角和跟踪速度均不相同，需要进行 具体的设计计算。
西班牙Novatec Biosol公司建造的PE-1太阳能电站的LFR镜场。 该电站2009年成功试运行，是世界上第一座LFR型电站。
3.1.4 折射式聚光设计

从平凸透镜到菲涅尔透镜 通常聚光比愈大则透镜愈厚。为了减小 透镜厚度，将凸面做成阶梯球面，同样能 够达到很好的聚光效果。 进而，为了简化制作工艺，又将阶梯 球面近似地用平面代替，从而形成了“菲 涅尔透镜”。 菲涅尔透镜的设计主要是根据给定的焦 距f来具体确定每一个阶梯平面的倾角α。
第三章 聚光设计与集热器
3.1 聚光原理
3.1.1 聚光的必要性
太阳聚光设计的意义： 非聚光情况下，太阳能集热工质的温度一般低于 100℃。 为提高工质温度从而扩大应用范围，或者为提高 太阳能电池的光电转换效率，需要采用适当的聚光 方式，将自然状态下能量密度较低的太阳辐射能汇 聚到很小的接受表面上，以产生高温工质或高光通 量。

Qu AG
p (Tout Tin ) Qu mc
式中 Qu 为集热器内工质的加热功率，W；
A 集热面积，m2；
G 太阳总辐照度，W/m2。
3.3.2 真空管集热器



平板集热器热损失大的主要原因封闭腔内空气的传热作用 从平板集热向真空腔体集热转换的困难 （1） 真空封装技术 （2） 光谱选择性吸收涂层 热水保温瓶胆的启示
全玻璃真空集热管结构示意图
1一内玻璃管； 2一外玻璃管; 3一选择性吸收涂层； 4一真空；5一弹簧支架; 6一消气剂
主要技术特点
（1）特种玻璃 采用硼硅玻璃 其热膨胀系数小（3.3×10-6℃）；太阳 透过比高（＞0.90）；耐热温差大于200℃；机械强度较 高。 （2）高的真空度 内、外管之间的间隙约为5mm，间隙抽 真空至10-3Pa。 钡—钛消气剂的作用：能在真空集热管运行时吸收管内 释放出的微量气体，以保持管内真空度。 （3）选择性吸收涂层 采用磁控溅射工艺，将铝—氮/铝等 合金材料均匀沉积在内管表面上，以此吸收太阳光线。
聚光比与吸热器工作温度之间的关系图
3.2.3 LFR镜场的聚光比
Bw1 Bw2 incident ray1
LFR集热器的聚光比计算
Cg
j 1 n
1 1 Dj2
H
Dj
dj H
south d1
p1 s1 reflector1
1 2s2 2w d2
p2 reflector2
incident ray2 north
Cmax Cmax 1 1 Fa ,s sin 2 1 1 Fa ,s sin
式中Fa,s为抛物面的收光孔对太阳所张的角系数，代表入射太阳光与抛物 面法向z之间的夹角， 在16′~90°之间变化。
3.2.2 吸热器温度与聚光比的关系
对于任何形式的集热-吸热系统，通过热平衡分析可以导出其吸热器的运 行温度Tabs与几何聚光比Cg之间存在如下关系：
2w=0.2m spacing=0.1m
17
25
33
41
49
5765738189number of mirror slats
97
1
9
3.3 非聚光型集热器
太阳能集热器分类
跟踪 类型 集热器类型 平板 吸热体类型 平板 管型 管型 管型 管型 管型 点 点 聚光比范围 1 1 使用温度范围 （℃） 30-80 50-200
3.2 聚光比
3.2.1 聚光比的定义
（1）几何聚光比集热器的收光孔面积Aap与吸热器的吸热面积Aabs之比。
Cg A ap A abs
（2）辐射通量聚光比 聚集到吸热器上的平均辐射强度Iab与入射太阳辐射强 度I之比。
Ce
Iap
Iabs
由于镜面在光学加工过程中存在加工误差，导致通过收光孔的射线并不是都 能够汇集到吸热面上，因此，Ce总是小于Cg。二者之间的关系为：
抛物槽式聚光的优缺点

结构较简单，技术相对成熟
聚光比属于中低范围（C=10-85），相应的集热温度在 400℃以下。 由于吸热管道连同集热表面转动，系统自身动力消耗较大。



考虑自重与风荷载等因素，实用中单个抛物集热面的收光孔 面积一般不超过100m2。需要更大的聚光面积时要采取多个 抛物槽串联的形式。
上式表明，同样的镜元当其与吸 热器的距离不同时，它对聚光比 的贡献不同。
LFR镜场光线反射示意图
LFR镜场聚光比与镜元个数及塔高的关系
H=3m 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 H=6m H=9m H=12m
ideal geometric concentration ratio