[科普中國(guó)]-固定鏡集熱器

固定鏡集熱器是利用反射器、透鏡或其他光學(xué)器件將進(jìn)入集熱器采光口的太陽(yáng)光線改變方向并聚集到接收器上從而進(jìn)行供熱、發(fā)電的裝置。1

原理固定鏡集熱器是利用反射器、透鏡或其他光學(xué)器件將進(jìn)入集熱器采光口的太陽(yáng)光線改變方向并聚集到接收器上的裝置，可通過(guò)單軸或雙軸跟蹤獲得更高的能流密度。這種太陽(yáng)能集熱器通過(guò)凹面反射鏡或透鏡將太陽(yáng)輻射能匯集到較小的面積上，從而使單位面積上的熱流量增加并且減小了接收器和環(huán)境之間的換熱面積，提高了工質(zhì)的溫度和集熱器的熱效率，而它的缺點(diǎn)是只能接收直射輻射，且需要跟蹤系統(tǒng)配合，從而導(dǎo)致成本增加。目前這種固定鏡集熱器主要用于太陽(yáng)能熱發(fā)電、太陽(yáng)能制氫、太陽(yáng)爐和雙效LiBr-H2O吸收式制冷系統(tǒng)等，屬于中高溫集熱器的范疇。

分類太陽(yáng)能集熱器作為將太陽(yáng)輻射能聚集起來(lái)并轉(zhuǎn)化為熱能的裝置，它有多種分類方法。按傳熱工質(zhì)的種類可分為液體型和空氣型集熱器;按是否跟蹤太陽(yáng)的類型可分為跟蹤型和非跟蹤型集熱器；按工作溫度范圍分類，可分為低溫型、中溫型和高溫型集熱器三大類。以上分類的各種方法實(shí)際上相互之間都有重疊。目前，太陽(yáng)能集熱器最常用的分類方法是接收器接收太陽(yáng)光線的方式即太陽(yáng)光線進(jìn)入集熱器采光口是否改變方向分為聚光型集熱器和非聚光型集熱器，聚光太陽(yáng)能集熱器主要有三種應(yīng)用形式：槽式集熱器、塔式集熱器和碟式集熱器。

槽式集熱器槽式太陽(yáng)能集熱器是一種借助槽形拋物面反射鏡將太陽(yáng)光聚焦反射在一條線上，在這條焦線上布置安裝有集熱管，來(lái)吸收太陽(yáng)聚焦反射后的太陽(yáng)輻射能。通過(guò)管內(nèi)熱載體將管內(nèi)流體加熱直接利用，或?qū)⒐軆?nèi)流體加熱蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)借助于蒸汽動(dòng)力循環(huán)發(fā)電的清潔能源利用裝置。槽式系統(tǒng)的聚光比在10-100之間，溫度最高可達(dá)400℃，槽形拋物面太陽(yáng)能發(fā)電站的功率為10-100MW，是目前所有太陽(yáng)能熱發(fā)電站中功率最大的。

塔式集熱器塔式太陽(yáng)能集熱器是在空曠的地面上建立一個(gè)高大的中央吸收塔，塔頂部安裝固定一個(gè)吸收器。塔周圍布置有定口鏡群，定口鏡群將太陽(yáng)光反射到塔頂?shù)慕邮掌鞯那惑w內(nèi)產(chǎn)生高溫，再將通過(guò)吸收器的工質(zhì)加熱并產(chǎn)生高溫蒸汽的系統(tǒng)。塔式太陽(yáng)能集熱器的聚光比可以達(dá)到300-1500，運(yùn)行溫度可達(dá)1500℃，總效率在15%以上。塔式太陽(yáng)能發(fā)電站屬于高溫?zé)岚l(fā)電。目前塔式發(fā)電的利用規(guī)模可達(dá)10-20MW，處于示范工程建設(shè)階段。

碟式集熱器碟式太陽(yáng)能集熱器是世界上最早出現(xiàn)的用于發(fā)電的太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)。

碟式太陽(yáng)能集熱器是借助于雙軸跟蹤，拋物型碟式鏡面將太陽(yáng)輻射能聚焦反射到位于其焦點(diǎn)位置的吸熱器上，吸熱器吸收這部分輻射能并將其轉(zhuǎn)換成為熱能直接利用，或者推動(dòng)位于吸熱器上的熱電轉(zhuǎn)換裝置，比如斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或者郎肯循環(huán)熱機(jī)，進(jìn)而完成發(fā)電過(guò)程將熱能轉(zhuǎn)換為電能。

碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電采用拋物面聚焦，吸收器位于各拋物面的焦點(diǎn)處。單個(gè)碟式系統(tǒng)發(fā)電裝置的容量范圍在5-5kW之間，用氦氣或氫氣做工質(zhì)，工作溫度達(dá)800℃,效率達(dá)29.4，在三種聚光式發(fā)電中是最高的。碟式系統(tǒng)可以既可以作分布式系統(tǒng)單獨(dú)供電，也可以并網(wǎng)發(fā)電，使用靈活。2

主要部件真空集熱管真空集熱管是槽式太陽(yáng)能集熱器最重要的組成部件之一。槽式拋物面反射鏡將太陽(yáng)光線聚焦后反射到真空集熱管上，然后透過(guò)玻璃外管照射在吸熱管上，吸熱管銀有選擇性圖層的外壁吸收太陽(yáng)福射能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，傳給內(nèi)管中的傳熱工質(zhì)。吸熱管表面沉積有光譜選擇性吸收涂層，用來(lái)吸收太陽(yáng)光線，同時(shí)吸熱管與玻璃管之間為真空層，可有效抑制真空管內(nèi)空氣的傳導(dǎo)和對(duì)流熱損失。

聚光反射鏡由于太陽(yáng)能的能量密度較低，要想獲得較高的集熱溫度，需要通過(guò)聚集太陽(yáng)能的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。固定鏡集熱器就是利用聚光反射鏡（也稱聚光器）將太陽(yáng)光線匯聚并反射到集熱管上來(lái)加熱吸熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)，其作用等同于塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的定日鏡，因此聚光裝置的性能對(duì)太陽(yáng)能集熱器的聚光比和熱效率有著直接的影響。

反射鏡由反射材料、基材和保護(hù)膜組成。在槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中，反射鏡的制作材料有玻璃、髙分子合成材料及鉛一般常用的是皆含鐵量較低和反射率較高的銀鋁為反光材料的拋物面玻璃背面鏡，而在銀或鉛反光層背面再噴涂一層或多層保護(hù)膜。

跟蹤機(jī)構(gòu)太陽(yáng)能具有低密度性和間隙性，而且空間分布不均勻，同時(shí)太陽(yáng)輻射以某一斜角射向水平位置的集熱器時(shí)，就會(huì)使太陽(yáng)輻射強(qiáng)度受到一定程度的損失，然而若把集熱器傾斜放置就能夠減少這種不必要的損失。如果接連不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)和傾斜集熱器，使采光口和太陽(yáng)入射光線始終保持垂直，便可使單位面積上輻射能量達(dá)到最大。因此為使太陽(yáng)能集熱器能更有效地吸收和利用太陽(yáng)輻射能，并使傳熱工質(zhì)獲得更高的溫度，大部分聚光集熱器必須采用跟蹤技術(shù)。

支架結(jié)構(gòu)支架是太陽(yáng)能聚光集熱器的承載機(jī)構(gòu)，為了防止反射鏡在工作過(guò)程中發(fā)生損壞和變形，支架應(yīng)與聚光反射鏡緊密貼合在一起，尤其是支架與反射鏡背面接觸的部分。支架作為反射鏡和集熱管的支撐部件，需要其不僅具有足夠的剛度和較輕的質(zhì)量，還要有良好的抗疲勞能力和良好的運(yùn)動(dòng)性能等，以便于對(duì)太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行焦距的調(diào)節(jié)，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的，因此支架的整體設(shè)計(jì)和布置就顯得十分重要。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張靜 - 副教授 - 西南大學(xué)