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槽式太阳能聚光集热技术
北京工业大学一熊亚选Ｍｏｄｉｂｏ Ｋａｎｅ Ｔｒａｏｒｅ吴玉庭马重芳张业强
摘要：详细讨论了槽式太阳能聚光集热技术的最新进展，对不同聚光集热器支撑机构进行了对比分析。 结果表明，ＥＵＲＯＴＲＯＵＧＨ聚光器的支撑机构性能最优。此外，还对抛物面聚光镜和主要的槽式
太阳能集热管技术进行了讨论分析。 关键词：槽式太阳能聚光集热器；聚光器支撑机构；抛物面聚光镜；槽式太阳能集热管
引言
槽式太阳能热发电技术是最早实现商业化运营
的太阳能热发电技术，相对于其他太阳能热发电技
术，它具有技术成熟、发电成本低和容易与化石燃
料形成混合发电系统的优点。槽式太阳能聚光集热
技术是槽式太阳能热发电系统的核心技术，是实现
太阳能热发电系统的关键。槽式太Ｈｉｌｌ聚光器将来
自太阳能低密度太阳辐射聚焦后，成为高辐射热流
密度的太阳辐射，加热位于聚光器焦线上的太阳能
吸热器内的传热流体或水，为电站的蒸汽发生系统
提供高温热源或直接为汽轮机提供高温蒸汽。
二聚光技术
为了给工业过程提供更加廉价的高温蒸汽，埃 及人Ｓｈｕｍａｎ于１９１２年在开罗建成了世界上第一个
槽式聚光器，该聚光器总长６２ｍ，开口宽４ｍ，用于
直接加热蒸汽。随后，许多公司开始安装这种用于
工业热利用的槽式太Ｎｉｌ聚光器ｌ１ｌ。
聚光器组由支撑钢结构、反光镜、跟踪驱动系
统等部分组成，多个聚光器同轴安装，组成一个聚
光器单元，实现对太Ｎｉｌ的独立跟踪。
１ ＬＵＺ聚光器技术
从１９８４～１９９１年的８年问，ＬＵＺ公司在美国的
沙漠中相继建成了９座净发电功率３５３．８ＭＷ的槽式
太Ｎｉｌ热发电站。在这个过程中，ＬＵＺ公司完成ＬＳ一
１～３共三代槽式太阳能聚光器的设计，并成功实现
了商业化运行。表１为ＬＵＺ公司三代聚光器的设计
特征。
表１几种槽式太阳能聚光器的结构特征
结构形式 轴管 轴管 Ｖ型桁架 空间框架 矩形桁架 空间铝框架
开口宽度（ｍ） ２．５５ ５ ５．７６ ２－３ ５．７６ ５
焦距（ｍ） ０．９４ １．４９ １．７１ ０．７６ １．７１ １．４９
陕块长度（ｍ） ６－３ ８ １２ ６．１ １２ ８
单元长度（ｍ） ５０．２ ４９ ９９ ４９ １５Ｏ ４９～６５
最大驱动面积（ｒ ｌ２８ ２３５ ５４５ ４２４ ８１７ ２３５～３１３ 吸热管直径（ｍ） ０．０４ ０．Ｏ７ ０．０７ ０．０４ ０．０７ Ｏ．０７
几何聚光比 ６１：１ ７１：１ ８２：１ ５０：１ ８２：１ ７１：１
聚光镜类型 低铁镀银浮法玻璃 低铁镀银浮法玻璃 低铁镀银浮法玻璃 镀银薄玻璃 低铁镀银浮法玻璃 低铁镀银浮法玻璃 驱动类型 涡轮驱动 涡轮驱动 液压驱动 螺旋驱动 液压驱动 液压或涡轮驱动
位面积重量（ｋ ２９ ３３ ２４ ２９ ２４
哟 ７１ ７６ ８０ ７８ ８０ （设计值）
备注 ＳＥＧＳ Ｉ一Ⅱ ＳＥＧＳⅡ一Ⅶ ＳＥＧＳ Ｖ一Ⅸ ＩＳＴ ＰＳＡ ＤＳ一１
由于ＬＳ一１和ＬＳ一２聚光器的生产、安装成本较
高，导致电站的初期投资和运行维护成本较高。为 了降低ＬＳ聚光器在大规模应用时的生产、安装成
本，ＬＵＺ公司设计了ＬＳ一３聚光器，并将其应用于太
⑦ ，
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２００９ ＳＯＬＡＲ ＥＮＥＲＧＹ 堡箜墼堂鎏 璧煎 一 一一一 ～～…～～一 一一
ｌ；Ｈ￣ｇ发电站ＳＥＧＳ ＶＩＩ～Ｉｘ中，如图１所示。
图１ ＬＳ－３槽式太阳能聚光器
结构设计的改变使ＬＳ一３聚光器在跟踪精度上得
到了很大提高，并且在安装时允许有一定的倾角。
然而，ＳＥＧＳ的运行经验显示，任何成本的降低都足
以聚光器的性能和可维护性为代价。与ＬＳ一２聚光器
相比，ＬＳ一３聚光器的热性能有所降低，聚光器的维
护变得更加困难。尽管如此，ＬＵＺ聚光器为新一一代
聚光器的设计提供＿『宝贵的经验。
随着ＬＵＺ公司的破产，Ｓｏｌｅｌ太阳能系统公司于
１９９２年收购了ＬＵＺ公司所有的聚光集热器生产设
备，并为ＬＵＺ公司已建成的９座槽式太阳能热发电
站提供关键零部件和聚光集热器技术支持。
２ ＥｕｒｏＴｒｏｕｇｈ聚光器技术
迫于化石燃料价格的不断升高及对环境保护认
识的提高，ＥｕｒｏＴｒｏｕｇｈ协会在ＬＳ系列聚光集热器结
构设计的基础上完成了新一代楷式太阳能聚光器的
设计和试验测试——ＥｕｒｏＴｒｏｕｇｈ聚光集热器 ，如
图２所示。
图２ ＥＵＲＯＴＲＯＵＧＨ聚光集热器
ＥｕｒｏＴｒｏｕｇｈ聚光集热器提出了一种扭矩框聚光
器，它消除了ＬＳ一２和ＬＳ一３聚光器在生产和运行中 产生的许多问题。这种扭矩框设计既实现了ＬＳ一３聚
光器桁架设计概念低成本的目的，又达到了ＬＳ一２聚
光器扭矩管所具有的高扭转刚度和方便调整的优点。
ＥｕｒｏＴｒｏｕｇｈ聚光器的核心部件是一个约１２ｍ长
的空问框架，在其两侧面上固定了用于固定抛物面
反光镜的支撑臂。该空间框架由四个不同部分组成，
可以现场安装、固定，简化了加工过程，降低了加
工成本。
由于反光镜支撑臂的设计，ＥｕｒｏＴｒｏｕｇｈ聚光器
因自重和Ｉ风载产生的变形比ＬＳ一３小，从而减小了聚
光器在运行过程中的扭转变形和弯曲变形，提高了
聚光器的光学性能。高强度的扭矩框设计方法使单
个驱动系统驱动的聚光器长度从１００ｍ扩展到１５０ｍ，
降低了驱动系统和转接管（旋转接头或金属软管）的数
量，达到了降低聚光区成本和聚光损失的目的。
由于改进了聚光器支撑架设计，聚光器可以以
３％的坡度进行安装，大大减少ｒ现场地面处理成
本。通过预加工和现场固定架安装结合的方式保证
了聚光器的精度，如图３所示。
图３ ＥＵＲＯ ｌ ＲＯＵＧＨ聚光器组装现场
该设计目的之一是减小聚光器的重量，其总重
量相比ＬＳ一３的设计方案减小了１４％。减少部件的多
样性，压缩聚光器结构的重量，使用紧凑的运输方
式，这些改进被认为使成本又降低了ｌ０％。
热性能和光学性能的试验结果表明，ＥｕｒｏＴｒｏｕｇｈ
聚光器在性能上比ＬＳ一３聚光器提高了３％。因此，很
多开发商和团体选择了ＥｕｒｏＴｒｏｕｇｈ聚光器技术。
３ Ｓｏｌａｒｇｅｎｉｘ聚光器技术
Ｓｏｌａｒｇｅｎｉｘ ＤＳ—ｌ聚光器采用全铝空间框架 Ｊ，
设计模仿了ＬＳ一２聚光器实际的尺寸和操作特点，但
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２００９ 在结构特性、重量、加工复杂程度、抗腐蚀性、生产
成本及安装上都优于ＬＳ一２聚光器。风洞试验显示，这
种设计方式的抗扭刚度和梁刚度（ｂｅａｍ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）与
ＬＳ＋２聚光器几乎相等 ｌ，提高了ＬＳ一２聚光器在运行
过程中的风载抵抗力，如较高的抗弯曲和扭转刚度
等，简化了加工过程，减少了部件的数目。结构中
所使用支撑杆都是２英寸规格的矩形压制铝管，每
个空间框架由１３７个支撑杆组成如桁架一样的三维
型式，在施工现场通过套节（ｈｕｂ ｓｙｓｔｅｍ）连接在一
起。每个支撑杆的两端各有一个螺孔，用于和套节
连接。Ｓｏｌａｒｇｅｎｉｘ ＤＳ一１在重量上是ＬＳ一２结构重量的
半，便于生产加工、运输及现场安装，并且具有
较好的抗腐蚀性。尽管ＤＳ一１聚光器的安装成本比
ＬＳ一２聚光器低，但光学性能相当。图４为Ｓｏｌａｒｇｅｎｉｘ
ＤＳ一１聚光器的安装图。
图４ ＤＳ一１聚光器
２００５年，Ｓｏｌａｒｇｅｎｉｘ公司推出了新型的ＳＧＸ一１
聚光器。该类聚光器采用有机蛛丝网状套节结构，
其结构组成的零件数比ＤＳ一１聚光器减少了一半，重
量上减轻３０％，聚光器的安装耗时减少了三分之一，
并且使用低成本的挤压部件，反光镜无需排列校正，
单一钻模提供了较大的耐性，如图５所示。目前，
ＳＧＸ—ｌ聚光器技术应用于Ｎｅｖａｄａ Ｓｏｌａｒ Ｏｎｅ槽式聚
光太阳能热发电站中。
４ ＩＳＴ聚光器技术
ＩＳＴ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｏｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）聚光器起初用
于低温工业过程加热。在ＮＲＥＬ的ＵＳＡ Ｔｒｏｕｇｈ计划
支持下，ＩＳＴ聚光器在效率上提高了很多，能够应用
于高温太阳能热发电，同时降低了成本。最初ＩＳＴ聚 图５ ＳＧＸ １聚光器结构
光器是由铝制成，后来用电镀钢结构代替了铝制结
构，用薄的镀银玻璃反射镜取代了镀铝聚合体反射
镜，提高了高温条件下集热管选择性涂层的热性能
和耐久性 １。聚光器钢结构和薄玻璃反光镜的改进
使系统成本降低了１５％，系统性能提高了１２％，所
获得能量的成本降低了２５％。
５聚光器结构比较
图６和表２为三种不同结构聚光器的有限元分
析结果。可以看到，在相同风速的作用下，同一点
上弯曲和扭转最小的是ＥＵＲＯＴＲＯＵＧＨ聚光器。
综合以上分析及图６的有限元分析结果，
ＥＵＲＯＴＲＯＵＧＨ聚光器在结构设计上具有很大的优势。
三抛物面反光镜与集热器
１抛物面反光镜技术
目前，尽管出现了一些低成本的替代型抛物面
聚光镜，但真正大规模应用于商业化太阳能热发电
站的抛物面聚光镜还是厚玻璃抛物面聚光镜，主要
体现在户外的持久性和高反射率特性。
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图６三种不同结构聚光器的有限元分析结果
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