1、6.1 太陽能熱動力系統目前，太陽能熱動力（CSP Concentrating Solar Power）發電是太陽能應用領域的一個不可忽視的方向，全球運行和建設的太陽能熱動力電站已分別超過了 800MW 和 900MW 的裝機規模，規劃中的工程高達 12.5GW 以上；而國內在建的僅僅 52MW 左右，未來規劃有 4000MW，增長空間巨大。據估計，2030 年，新能源電力將從目前的 5%提高到 18%，到 2050 年，太陽能發電將占有 20%25%的供電份額，未來太陽能熱動力發電將與太陽能光伏（PV）發電平分秋色，分別提供 11%左右的電力份額。1GW=1000兆瓦兆瓦=100萬千瓦萬千瓦

2、6.1.1 太陽能熱動力系統原理太陽能熱動力的原理是利用平板型或聚集型集熱器將太陽能轉變為熱能，然后用這種熱能來驅動熱機，從而實現太陽能到機械能的轉變。太陽能熱動力系統，一般包括上述的太陽能集熱器和熱機兩個部分。前者主要是將太陽輻射轉變為熱能并作為熱機的熱源，而后者則從前者獲得熱量并將其中一部分轉變為功，另一部分由冷凝器排除給環境。6.1.2 太陽能熱力發電系統構成太陽能熱動力發電系統一般由聚光器、集熱器、輸熱系統、儲熱、熱機和發電系統組成。太陽輻射能投射在組成陣列的集熱器上而被集熱器中的介質吸收，受熱的介質通過輸熱回路，把熱量傳送到儲熱-熱交換裝置中，再由熱交換器將能量提供給熱力機，并將其中

3、一部分轉變為功。1太陽能聚光器由于太陽輻射能量的密度很小，為了能夠達到發電所需的溫度，必須用聚光器把近似平行入射的大面積的太陽光匯聚到一個很小的面積上，從而使該面積上的能流密度增大，溫度達到可以用于發電的程度。反射面面積和吸收面面積之比就是幾何聚光比。實際應用中，我們更關心聚光器的能量聚光比，即吸收體的平均能流密度和入射能流密度之比，其數值上等于幾何聚光比和光學效率的乘積。2太陽能集熱器太陽能集熱器，是吸收太陽輻射并將產生的熱能傳遞到傳熱介質的裝置。它的主要用途是用來收集熱量，然后再與其他裝置進行熱交換。在太陽能的熱利用中，關鍵是將太陽的輻射能轉換為熱能。由于太陽能比較分散，必須設法把它集中起

4、來，所以，集熱器是各種利用太陽能裝置的關鍵部分。太陽能集熱器的種類很多，分類方法也不盡相同。（1）按傳熱介質分類：可分為液體集熱器和空氣集熱器兩大類，其中以液體為傳熱介質的大多用水作介質，即構成各種太陽能熱水器；以空氣為傳熱介質的，則構成多種太陽能干燥器。太陽能集熱器的核心是吸熱板，它的功能是吸收太陽的輻射能，并向傳熱介質傳遞熱量。在以液體為介質時，此種吸熱板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等，可用金屬材料和非金屬材料制成。吸熱板的向陽表面涂有黑色吸熱涂層。以空氣為傳熱介質的太陽能集熱器吸熱板的結構常有網格式、蜂窩式和多孔床式等。（2）按采光方式分類：可分為聚光型集熱器和非聚光型集熱器兩大類。

5、非聚光型集熱器是利用熱箱原理（也稱溫室效應）將太陽能轉變為熱能的設備。最常見的太陽能集熱器是非聚光型平板型集熱器。它的吸熱體基本上為平板形狀，吸熱面積與采光面積近似相等。聚光型集熱器利用聚焦原理，即利用光線的反射和折射原理，采用反射器或折射器使陽光改變方向，把太陽光聚集并集中照射在吸熱體較小的面積上，增大單位面積的輻射強度，從而使集熱器獲得更高的溫度。（3）按吸熱體周圍的狀態分類：可分為普通集熱器和真空管集熱器。真空管集熱器是將玻璃壁與吸熱體之間抽成一定的真空度，以抑制空氣的對流和傳導熱損。吸熱體表面鍍上一種特殊的涂層代替黑色的吸熱板，還可抑制吸熱體的輻射熱損。因此，真空管集熱器具有比普通平板

6、型集熱器更優良的熱性能。在高溫和低溫環境下均有較高的集熱效率。真空管集熱器按其材料結構可分為全玻璃型和金屬吸熱體型兩大類。其中全玻璃真空太陽能集熱器具有透過率和吸收率高、熱反射率低、對流熱損小以及全年使用時間長等優良特性，同時制造工藝簡便、技術成熟可靠、成本較低。全玻璃真空管熱水器的使用日益廣泛。圖 6-1 所示為全玻璃真空管太陽能集熱器的結構示意圖。3熱傳輸系統將熱能從吸收體中傳送到儲熱裝置，一般由載熱流體通過輸熱管道來完成。（1）載流熱體：可供選擇的載流熱體有水、氣體、有機液體、液態金屬等。各種載流熱體各具特點：水具有價格便宜、來源充分、使用安全、操作容易以及良好的熱力學特性，但是它的蒸汽

7、壓力較高，必須增溫，而且高溫下水還具有腐蝕性；氣體（如氫氣、氦氣、二氧化碳等）安全、易于操作，可在高溫下進行工作，缺點是容積比熱低；有機液體的蒸汽壓一般說來比水低，而且侵蝕作用極為微弱，具有較好的物理、化學特性，但是它們在高溫下容易發生分解，而且價格也比較昂貴；液態金屬也具有較低的蒸汽壓，熱傳導率和比熱都較高，缺點是它們具有化學反應性和腐蝕性，因而要求價格高昂的結構材料以及專門的操作技術，液態金屬（如鈉）的價格也是比較昂貴的。（2）管道材料：輸熱的管道，必須具有能承受管內流體的壓力和溫度的能力，同時具有適當的抗老化和機械疲勞的能力。（3）絕緣材料：主要有兩種做法，一種是在輸熱管道外面加上絕熱材

8、料，另一種是利用熱管輸熱。4儲熱裝置通常，儲熱裝置使用真空絕熱或以絕熱材料包覆的儲熱容器來完成。按照太陽能集熱器得到熱能的溫度范圍，一般把太陽能熱動力系統的儲熱分為以下幾種類型。（1）低溫儲熱：對于以平板集熱器作為熱源和以低沸點工質作動力工質的小型太陽能動力系統，常采用低溫儲熱，如用水儲熱。也有人提出用潛熱儲熱器，如水化鹽等。（2）中溫儲熱：一般指 300左右的儲熱，這時可采用高壓熱水或有機流體如導熱姆等。（3）高溫儲熱：一般指 500左右或 500以上的高溫儲熱裝置，高溫儲熱材料有鈉及熔化鹽（如氯化物、氟化物等）。5熱機系統太陽能熱機的工作原理和一般的熱機一樣，通過工質從高溫熱源吸熱，向低溫

9、熱源放熱而同時對外做功。下面以采用朗肯循環的蒸汽機和采用斯特林循環的熱氣機為模型，簡單介紹一下太陽能熱機。（1）蒸汽機小型太陽能蒸汽機由于效率低、價格貴，使用較少，但有時使用低沸點介質的汽輪機如氟利昂汽輪機。它的工作流程是從集熱器-儲熱交換器系統將熱量傳給氟利昂，使加壓后的氟利昂液態蒸發成為氟利昂蒸汽，再進入汽輪機膨脹做功。降壓后的氟利昂蒸汽從汽輪機排出后經冷凝液化，再由泵對其加壓，然后開始新的循環。（2）熱氣機按照斯特林循環工作的熱氣機是一種外部供熱的閉式循環往復式發動機。斯特林熱機在運轉過程中，工作氣體被持續加熱及冷卻，其體積也不停地膨脹及壓縮。其理想循環由定溫壓縮、定容加熱、定溫膨脹和定

10、容放熱四個過程組成。過程：左活塞（動力活塞）不動，右活塞（位移活塞）向左進行，使工質空氣被定溫 TL壓縮到最小容積，同時放出熱 QL；過程：兩活塞以相同速度同時向左行進以保持空氣在定容下從再生器中吸收熱量 Qr，使空氣溫度由 TL提高到 TH；過程：右活塞不動，左活塞在繼續加熱 QH時定溫膨脹做功；過程：兩活塞以相同速度同時向右行進以保持空氣在定容下向再生器放出熱量Qr，使空氣溫度由 TH降低到 TL。6.1.3 太陽能熱動力水泵1太陽能熱動力水泵的系統組成太陽能熱動力水泵系統也屬于太陽熱動力系統，其系統組成與工作原理如下。總體而言，整個系統主要由三部分組成。載熱流體回路：在低溫系統下，載熱流

11、體大多數情況為水。其在集熱器中被太陽輻射加熱，然后進入蒸發器中，液體工質在蒸發器中通過熱交換后被汽化，流體本身在回路中變冷，再次回到集熱器中重新加熱，新的循環就此開始。工質回路：在這個回路中，包括了蒸發機、膨脹機、增壓泵在內的三大主要部件。對于液態工質來說，在蒸發機里邊被汽化以后，具有高溫、高壓，此時進入膨脹機中會做功失去熱量，這個過程結束后又回到冷凝器中，再次變為液體，增壓泵此時開始工作，將液體重新加熱蒸發，開始新的循環。泵水回路：此回路中，液壓泵由集熱器驅動水泵抽水。一般來說，太陽能熱動力水泵采用低溫熱力循環系統，工質通常采用制冷劑氟利昂。若采用集熱器的效率能達到 50%以上，熱力循環系統

12、的最大效率可達 10%。根據公式計算，總效率此時可以達到 2%3%。2太陽能熱動力水泵的分類太陽能熱動力水泵有很多種類，按照工作溫度可分為低溫型、中溫型、高溫型，若按照熱循環方式可分為郎肯循環和斯特林循環等。目前應用最為廣泛的熱動力水泵為郎肯式熱動力水泵，但郎肯式熱動力水泵的效率較低，一般來講，只有 2%3%。而斯特林熱動力水泵的工作效率卻要高得多，達到了 10%以上，同時，斯特林熱動力水泵還有壽命長、噪音低、可靠性高的特點。因此，斯特林熱動力水泵已經逐步受到了各個國家的關注。到目前為止，已經有大量的太陽能熱動力水泵在世界各地投入了生產，其中墨西哥與塞內加爾兩國的太陽能熱動力水泵的數量是相對較

13、多的。同時，在發展中國家，太陽能熱動力水泵的發展趨勢也比較明顯。（補充）（補充）理想的朗肯循環1-2 絕熱膨脹過程絕熱膨脹過程2-c 定溫（定壓）放熱過程定溫（定壓）放熱過程c-5 絕熱壓縮過程絕熱壓縮過程5-1 定溫（定壓）吸熱過程定溫（定壓）吸熱過程 實際核動力裝置并不用卡諾循環，盡管實際核動力裝置并不用卡諾循環，盡管1-2可以在可以在汽輪機中近似實現，汽輪機中近似實現，2-c過程可以在冷凝器中近似實現，過程可以在冷凝器中近似實現，5-1可以在蒸發器中近似實現，但狀態可以在蒸發器中近似實現，但狀態c處于飽和水和飽處于飽和水和飽和汽相混合的濕蒸汽區，使用泵實現絕熱壓縮過程和汽相混合的濕蒸汽區

14、，使用泵實現絕熱壓縮過程c-5極為困難。極為困難。（補充）（補充）理想的朗肯循環1-2 絕熱膨脹過程絕熱膨脹過程2-3 定溫（定壓）放熱過程定溫（定壓）放熱過程3-4 絕熱壓縮過程絕熱壓縮過程4-5 吸熱過程吸熱過程5-1 定溫（定壓）吸熱過程定溫（定壓）吸熱過程朗肯循環與卡諾循環的區別：乏汽的凝結是完朗肯循環與卡諾循環的區別：乏汽的凝結是完全的，這使循環過程中多了給不飽和水加熱的全的，這使循環過程中多了給不飽和水加熱的4-5的的過程，減小了循環的平均溫差，使熱效率降低，但壓過程，減小了循環的平均溫差，使熱效率降低，但壓縮水較壓縮汽水混合物方便得多，因而有利于簡化設縮水較壓縮汽水混合物方便得多

15、，因而有利于簡化設備。備。（補充）理想朗肯循環除了水力發電外，差不多所有的電能都是采用朗肯循環的熱電站，圖 6-2 為這種電站主要的結構示意圖。其中，工質（一般情況下為水）在蒸發器中被蒸發為水蒸氣并且過熱，從而進入蒸汽機，通過噴管加速后驅動葉輪旋轉帶動發動機發電。離開蒸汽機的工質仍為水蒸氣，但壓力與溫度都已經大大降低，成為飽和的蒸汽后進入冷凝器，從而向冷卻介質釋放潛熱，凝結成液體。此時，凝結成為液體的工質會被重新通過泵送回蒸發器。以上便是整個系統的工作循環。在熱源不斷加熱蒸發器的情況下，系統就會不斷地發電。此時，熱源如果采用太陽能，此系統就成了太陽能熱動力系統。但是，由于太陽能只能在白晝的情況

16、下得以利用，因此，為了保證其在夜間也可以繼續工作，一個蓄熱器就顯得非常必要，具有存儲功能的蓄熱器因而出現在新的系統當中。從理論上講，熱動力裝置最有效的循環是卡諾循環，然而，實際的所有熱力系統都不能按這種循環工作。這是因為實際熱機中的熱和摩擦損失降低了卡諾熱機的實際效率，比朗肯循環所能達到的效率還要低。如果想要得到確定太陽能熱動力的某些變量的感性認識，對理想下的太陽能熱驅動的卡諾系統進行深入的研究是非常有意義的。如果摩擦損失可以忽略，對于獨立的動力裝置的效率來講，動力循環效率可表示為：式中，WS為循環軸的功率，Qim為循環的熱輸入，Q0為循環排出的熱量。在理想的卡諾循環中，吸熱和排熱的過程發生在

17、等溫的過程 T1、T2，同時，工質的壓縮和膨脹發生在等熵的過程。由于等溫吸熱為 T1S，等溫排熱為 T2S（S 為熵的變化），所以，卡諾熱機效率為式中，T1為熱源溫度，T2為冷源溫度。由式（6-8）可以看出，提高B的有效辦法就是盡量提高熱源溫度 T1并降低冷凝器的溫度 T2。與此同時，對于太陽能熱動力系統來說，冷凝器的溫度主要由環境決定。一般來講，水和空氣為常用介質。因此，在河邊或者水源充足的地方，使用便攜式的動力裝置較為常見。對于太陽能熱動力裝置來講，選址時需要考慮到環境因素，諸如土地廣闊、日照高的地方（如沙漠或高原）。但是，這些地方又面臨著水源稀少的問題，因此，空氣代替水源變得必要起來了。

18、而對于空氣冷凝器來說，其對流傳熱系數是遠小于水的，這就要求工質與冷凝器有著較大溫差和較大的換熱面積。提高熱源的溫度對提高這個系統的效率是功不可沒的，但并不意味著，溫度越高越好，高溫對結構材料及工藝都會提出更加苛刻要求，這樣會提升熱源的成本。每一種太陽能熱動力裝置的特性都受另外一個重要因素太陽收集器的效率的限制。太陽收集器的效率是隨著溫度的增加而減小的，因此，對于利用太陽能的熱動力循環系統，其總效率（）為集熱器效率和循環效率的乘積，即式中，C為集熱器效率，e為循環效率。由于 C隨溫度的增加而減小，e隨溫度的增加而增加，因此，對于太陽能熱動力裝置來說，一定存在一個最佳溫度，使得熱動力循環系統總效率

19、最大。同時，對于太陽能熱動力裝置系統來說，集熱器確定后，循環效率才是重要的影響因素，其中，聚光比對循環效率的影響最大。因此，下面將對聚光比進行進一步的說明。對于低聚光比，接受面積為 Ar、開口面積為 Aa的收集器的熱損失可以表示成為線性的，其集熱效率可以表示為式中， 為透過率，a 為吸收率，qar為入射到 Ar上的太陽輻射，Ur為熱損系數，Tr為收集器溫度，Is為入射到集熱器上的太陽輻射強度。對于式（6-10）來講，工質在收集器中經歷了等溫下的相變，并且過熱時候也增加了溫度，因此式子中的工質溫度采用 Tr近似。另外，空間太陽能熱動力發電系統也逐漸受到了人們的關注。適合于空間太陽能熱動力發電系統

20、的動力循環有 3 種類型可供選擇，即朗肯循環、閉式布雷頓循環和斯特林循環。這三種循環方案中閉式布雷頓循環的熱效率比較高，而且有地面的小型燃氣飛輪機和飛機燃氣輪機發動機的經驗可以借鑒，因此被普遍認為是最有前途的一種循環方案。根據以上情況，在此也以閉式布雷頓循環太陽能熱動力發電系統為例進行討論。如圖 6-3 所示，該系統主要包括以下部件：聚能器、吸熱蓄熱器、熱量轉換器（由同軸的渦輪、發電機和壓縮機組成）和輻射散熱器。在軌道日照期，太陽能輻射由熱能器聚焦，通過吸熱、蓄熱器腔口進入吸熱、蓄熱器，其中一部分熱量用于加熱循環工質，另一部分熱量則存儲在吸熱、蓄熱器中；接著，高溫循環工質在渦輪內膨脹做功，把熱

21、能轉換為機械能，與此同時，帶動發電機轉動，從而將機械能轉變為電能；低壓循環工質再次通過吸熱、蓄熱器把剩余的熱量的一部分釋放給來自壓氣機的高壓工質，再通過輻射熱器進一步把余熱排送到空間；冷卻后的工質進入壓氣機縮后經過預熱，進入吸熱、蓄熱器完成一個實際的循環。在軌道陰影期間，則由吸熱、蓄熱器中存儲的熱量來加熱循環工質。6.1.4 太陽能熱動力系統的發電過程分析碟式太陽能熱動力發電系統，是一種非常重要的太陽能熱動力發電系統，其基本原理是將入射的太陽輻射匯聚起來，并轉化為熱能，在焦點處產生較高的溫度，然后用于發電。由于聚焦方式不同，碟式太陽能熱發電的聚焦比可以達到最大，從而運行溫度達到 7501382

22、，在三種太陽能熱發電方式中也是最高的，因此可以達到最高的熱機效率。本節以碟式太陽能熱發電系統為例，對太陽能熱發電過程進行分析。碟式太陽能熱發電的原理如圖 6-4 所示，圖中箭頭表示能量走向。系統的核心部分包括聚光器、跟蹤控制系統、集熱器、熱電轉換裝置、電力變換裝置和交流穩壓裝置。聚光器：主要構成部件就是反射鏡，如把鋁或銀鍍在玻璃上。由于太陽輻射能量的密度很小，為了能夠達到發電所需的溫度，必須用聚光器把近似平行入射的大面積的太陽光匯聚到一個很小的面積上，從而使該面積上的能流密度增大，溫度達到可以用于發電的程度。反射面的面積和吸收面的面積之比就是幾何聚光比。實際應用中，我們更關心聚光器的能量聚光比

23、，即吸收體的平均能流密度和入射能流密度之比，數值上等于幾何聚光比和光學效率的乘積。吸熱器：接收器的主要構成部件是吸熱器，其形狀可為點狀、線狀、平面狀，也有空腔結構。在吸熱體表面覆蓋選擇性吸收涂層，可采用磁控濺射、等離子體噴涂等方法制備。它們對太陽輻射的吸收比很高，而在吸熱體表面溫度下的反射率則很低。對同樣的聚光比，吸收比與反射率的比值越大，接收器所能達到的溫度就越高。另外，還可在包圍吸熱體的玻璃表面鍍上一定厚度的選擇性透過涂層。這種涂層能使太陽光譜范圍的波長幾乎全部透過，而對紅外區域的波長則幾乎完全反射。這樣，吸熱體在吸收了太陽輻射并變成熱能后再進行紅外輻射時，此涂層即可將熱損失控制在最低限度

24、。跟蹤控制系統：為使聚光器和接收器發揮最大的效果，反射鏡應配置太陽跟蹤機構，跟蹤控制系統的作用是使聚光器的軸線始終對準太陽。跟蹤太陽的方法，可以是反射鏡繞一根軸轉動的單軸跟蹤，也可以是反射鏡繞兩根軸轉動的雙軸跟蹤。跟蹤控制系統的實現也可以有多種方式，電控方式可以分為模控和數控兩種，即通過太陽傳感器作為反饋進行的模擬控制和由計算機控制電機并通過太陽傳感器形成反饋的數字控制。集熱器：集熱器將聚光器匯聚的光能轉化為熱能。為了使吸熱面的熱流密度不至于太大，焦點不能直接落在吸熱面上，吸熱面通常放置在焦點后方，焦點落在吸熱腔體的開口上，開口應盡可能的小，以減小輻射和對流熱損失。斯特林機的集熱器有直接吸熱和

25、間接吸熱兩種形式。由于斯特林機的工質氣體氫或者氦在高壓下有較強的傳熱能力，直接吸熱式可以吸收很大的熱流密度（大約 75W/cm2），但是平衡汽缸內的溫度和傳熱量是直接吸熱式需要解決的一個問題。使用液態金屬或者熱管作為換熱介質的間接吸熱方式可以解決上述問題。熱管換熱器的溫差很低，從而可以使斯特林機工作在一個較高的溫度，從而得到較高的效率。熱電轉換裝置：碟式太陽能熱動力發電裝置的熱電轉換主要是采用自由活塞斯特林機作為原動機。自由活塞斯特林機是一種活塞式外燃機，在氣缸內有一個配氣活塞和一個動力活塞。氣缸側壁連接配氣活塞上下室的旁路，循環工質通過旁路交替運動到配氣活塞的上室和下室。上室和熱源交換器耦合

26、，將吸熱器的熱量傳遞給工質，工質受熱膨脹推動動力活塞運動做功，輸出功率。下室通過中間介質回路把余熱傳遞給回熱器，工質通過旁路往復流動完成循環。熱機提供的機械能帶動發電機運轉，可以進一步將機械能轉化為電能。電力變換裝置：由于太陽能輻射隨天氣變化很大，所以熱電轉換裝置發出的電力不是十分穩定。特別是小功率的便攜式太陽能發電裝置發出的電流小、電壓低，不能直接提供給用戶，需要經過整流、DC-DC 升壓、儲能、DC-AC 逆變等環節的處理，才能輸出 220V的工頻電。碟式太陽能熱動力發電系統發出的電經過電力變換裝置變成 220V 的工頻電可以直接提供給普通用戶或并入電網，但并不能滿足高精密負載的要求，需要

27、在輸入電壓與負載之間增設一臺高穩壓精度的寬穩壓范圍的交流穩壓裝置。儲能裝置、蓄電池和補充能源：太陽能只有白天存在，且對天氣變化極為敏感。為了用戶能夠在任何需要的時候都能夠獲得電力，獨立的碟式太陽能熱動力發電系統必須采用儲能裝置、蓄電池和補充能源中的一種或幾種。儲能裝置可以有多種形式，研究較多的有相變儲熱和化學儲能。相變儲熱是依靠晶變時的大量潛熱，在白天陽光充足時將太陽熱能儲存起來，在夜間或者沒有陽光的時候放出熱量驅動熱機工作。化學儲能是利用催化劑在一定條件下的催化作用，使某些化合物在高溫下分解，吸收熱量，在需要的時候使分解產物在一定條件下化合放出熱量驅動熱機工作。在碟式太陽能熱動力發電系統中，

28、熱電轉換環節是十分關鍵的，下面將對此環節做具體的分析。1熱電轉換工作原理碟式太陽能熱動力發電的熱電轉換工作原理和普通熱電站發電的工作原理相同，其基本工作原理為：工質從高溫熱源吸收熱量，膨脹做功，向低溫熱源放熱并收縮，再次從熱源吸收熱量，循環上述過程。在每次循環過程中，工質吸收的熱能轉化為機械能，而工質做功過程中通過活塞的往復運動又帶動直線發電機進一步將機械能轉化為電能。2太陽能熱發電熱機模型在碟式太陽能熱動力發電系統中，熱機可以考慮多種熱力循環和工質，包括朗肯循環、布雷頓循環和斯特林循環。根據熱力學定律，熱機的效率不可能大于卡諾循環效率。因此可以看出，較高的熱源溫度，可以達到較高的熱機效率。斯

29、特林機的熱電轉換效率可達 40。斯特林機的高效率和外燃機特性使得它成為碟式太陽能熱動力發電系統的首選熱機，圖 6-5 為自由活塞式斯特林發動機的剖面圖。斯特林發動機屬于外燃式往復發動機，它與內燃機的區別在于對封入內部的氣體從外部進行加熱和冷卻，從而推動活塞往復做功。斯特林發動機為閉環活塞式發動機，聚焦的陽光直接照射在發動機頭部的吸熱組件上，加熱其內部的氣體工質氦氣進行發電。圖 6-6 所示為斯特林循環的四個基本過程。斯特林循環的過程分析如下：12 定溫壓縮過程：配氣活塞停留在上止點附近，動力活塞從它的下止點向上壓縮工質，工質流經冷卻器時將壓縮產生的熱量散掉，當動力活塞到達它的上止點時，壓縮過程

30、結束；23 定容回熱過程：動力活塞仍停留在它的上止點附近，配氣活塞下行，迫使冷腔內的工質經回熱器流入配氣活塞上方的熱腔，低溫工質流經回熱器時吸收熱量，使溫度升高；34 定溫膨脹過程：配氣活塞繼續下行，工質經加熱器加熱，在熱腔中膨脹，推動動力活塞向下并對外做功；41 定容儲熱過程：動力活塞保持在下止點附近，配氣活塞上行，工質從熱腔經回熱器返回冷腔，回熱器吸收工質的熱量，工質溫度下降至冷腔溫度。綜上所述，在一個完整的斯特林循環中，氣體對外所做的功為高溫膨脹過程所做的功與低溫壓縮過程所做的功的差。斯特林發動機具有以下優點：（1）燃料多樣化：由于是外燃機，可使用多種燃料，從煤炭、薪柴、余熱到太陽能等均

31、可利用；（2）高效率：由于在加熱器和冷卻器中間設有蓄熱式換熱器，從理論上講可接近卡諾循環；（3）低污染：由于沒有閥門，內部的壓力變化平穩，噪聲和振動小，且由于連續燃燒易實現自動控制，燃燒完全，排煙污染較小；（4）扭矩變動特性較好：斯特林發動機屬于低速扭矩，通過采用不同的活塞形式，汽缸組數可組合成數十種發動機形式，可廣泛作為各種機械的動力源，大的如潛艇、汽車發動機、叉式起重機、壓路機和農機用發動機，小的如移動機器人、驅動熱泵和心臟起搏器等。（5）系統耗水量低：斯特林發動機冷卻采用空冷方式，非常適合于沙漠地區建立大面積、大容量的蝶式斯特林太陽熱發電站。6.2 太陽能發電太陽能發電就是一種能源的轉化

32、，太陽能轉化成電能之后還可以轉化成其他形式的能。太陽能的作用是十分巨大的。和以往的發電模式比起來，太陽能發電具有以下優點；（1）太陽能是取之不盡、用之不竭的能源；（2）太陽能是無污染的能源；（3）太陽能發電不受地域性的限制；（4）太陽能的能源十分巨大；（5）獲取能源花費的周期短。太陽能發電還有一大特色，那就是其熱能儲存成本要比電池儲存電能的成本低得多。舉例來說，一個普通的保溫瓶和一臺筆記本電腦的電池所存儲的能量相當，但顯然電池的成本要高得多。能夠將太陽熱能儲存，就意味著太陽能熱電廠可以克服傳統電廠發電可能中斷的弊端。太陽能轉換為電能有兩種基本途徑：一是太陽能熱能發電，即直接把熱能轉換成電能，通

33、過光電器件將太陽能直接轉換為電能，它包括利用金屬或半導體材料的溫差效應、真空器件的熱電子和熱離子發電、磁流體發電、有機/無機光伏電池等技術。簡單來說，就是通過太陽能輻射能轉換成熱能，再把熱能直接轉換成電能，因此在這種發電技術中，發電裝置本體沒有活動部件。二是太陽能熱動力發電，就是利用聚光裝置將太陽輻射能集中收集到一個接收器內，通過加熱接收器內的工作介質產生高溫蒸汽，進而驅動發動機發電，即是先將太陽輻射能轉換成熱能，再將熱能轉換成機械能，最后由機械能轉換成電能。前一種發電形式的發電量較小，有的尚處于實驗研究階段，技術還不夠成熟，更不能及時進入大規模應用階段。而最有發展潛力的第二種太陽能熱動力發電

34、技術目前已達到了實際應用水平，并在西班牙和美國等歐美發達國家中建立了一定規模的實用太陽能熱發電站，而且發展規模也在不斷擴展。鑒于光熱在人類的能量供應方面起到的巨大作用和影響，光熱發電技術也是太陽能利用的重要方面。本節主要介紹的是這種適于大型發電的太陽能熱發電技術，闡述其主要分類、基本原理、結構組成、系統特點、發展狀況及其前景等內容。由于太陽能熱發電系統與火力發電系統的工作原理基本相同，兩者的根本區別在于不同的熱源，前者是以太陽能為熱源，后者則以煤炭、石油和天然氣等化石燃料為熱源。因此，首先我們將對火力發電系統進行簡單介紹，以此也能促進對太陽能熱發電系統的理解和認識。6.2.1 火力發電系統火力

35、發電（thermal power，thermoelectricity power generation），是指利用煤炭、石油、天然氣等固體、液體、氣體燃料燃燒時產生的熱能來加熱水，使水達到高溫產生高壓水蒸氣，然后再由水蒸氣推動發電機繼而發電的一種發電方式。在所有發電方式中，火力發電是歷史最久的，也是最重要的一種。火力發電的能量轉換方式，簡單地說就是：燃料化學能蒸汽熱能機械能電能。能量轉換的全過程為：煤炭、石油和天然氣等燃料包含的化學能在燃燒即氧化反應過程中以熱量的形式釋放出來，熱量加熱鍋爐中的水成為高溫高壓過熱蒸汽，此蒸汽包含熱能；高溫高壓的蒸汽在汽輪機中膨脹做功，轉化為高速氣流，推動汽輪機旋

36、轉，熱能轉換為機械能；最后，由汽輪機帶動發電機旋轉發電，輸出電能。火力發電按其作用分為單純供電的和既發電又供熱的；按原動機分為汽輪機發電、燃氣輪機發電、柴油機發電；按所用燃料分為燃煤發電、燃油發電、燃氣發電。火力發電系統主要由燃燒系統（以鍋爐為核心）、汽水系統（主要由各類泵、給水加熱器、凝汽器、管道、水冷壁等組成）、電氣系統（以汽輪發電機、主變壓器等為主）、控制系統等組成。前二者產生高溫高壓蒸汽，電氣系統實現由熱能、機械能到電能的轉變，控制系統保證各系統安全、合理、經濟運行。火力發電亟待需要提高熱效率，20 世紀 90 年代，世界最好的火電廠能把 40左右的熱能轉換為電能，大型供熱電廠的熱能利

37、用率也只能達到 6070。此外，火力發電需要大量燃煤、燃油，造成環境污染，也成為日益引人關注的問題。相比于對火力發電的改進，開發新的發電技術顯得更為迫切，具有無限開發、清潔環保的太陽能熱發電技術從而逐漸嶄露頭角并起到重大作用。20 世紀化石燃料的浪費使用所產生的環境污染和溫室效應引起了世界大規模的氣候變化。因此，減少二氧化碳的排放和可再生能源資源的開發利用，推動了世界走向“綠色能源”的電力時代。綠色能源是指環保友好和無污染的能源，包括水能、風能、地熱和太陽能，其中最豐富、最方便的可再生能源是太陽能。經過 15 年的停滯期，20 世紀 90 年代以來，聚光式太陽能發電逐漸流行。美國加州計劃使其總

38、使用太陽能可再生能源生產占有20%的分量，2010 年到 2020 年提高到 33，已經宣布興建幾個太陽能電廠，發電總量可達 11.8 GW，其中 88的來自于聚光太陽能發電，12的來自于光伏發電。人類對新能源的強烈需求，再加上太陽能熱發電技術的持續改進，增加了人們對太陽能熱發電技術的濃厚興趣。6.2.2 太陽能熱發電技術分類太陽能熱發電通常叫做聚光式太陽能發電（Concentrating Solar Power，簡稱 CSP），與傳統發電站不一樣的是，它們是通過利用大規模陣列的反射面鏡子聚集太陽輻射光到一個面積較小的接收器上，利用匯聚起來的太陽光以熱能形式加熱接收器內液體或氣體形態的導熱介質

39、（工質），然后把導熱介質產生的熱量轉換為機械能，再從機械能轉化為電能。太陽能熱發電從技術角度可分為兩類：一種是發電形式不依賴規模化的熱發電系統（如碟式太陽能熱發電系統），適用于分布式能源系統；另一種是依賴于規模化的系統（如槽式和塔式太陽能熱發電系統），其介質參數越高，單機容量越大，系統效率越高，發電成本則越低。根據聚光方式的不同，太陽能熱發電技術又可以分為線聚焦系統和點聚焦系統兩種：線聚焦系統是把太陽光聚集到線性的集熱管上，包括槽式和菲涅爾式太陽能熱發電系統；而點聚焦系統則是將太陽光聚集到可以看作為一個點的中央接收器上，包括塔式和碟式太陽能熱發電系統。1槽式太陽能熱發電技術槽式太陽能熱發電系統

40、也稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發電系統。在此系統中，采用的槽式拋物面聚光鏡是具有高反射率的鏡面（反射器），同時能夠跟蹤太陽位置變化而轉動角度，使其方向始終朝著太陽運動的方向。圖 6-7 是槽式太陽能熱發電系統的聚焦圖與應用范例圖。太陽光被聚焦到長線型的管狀集熱器（接收器）上，集熱器則是置于反射鏡面的焦點位置，產生高溫加熱管內導熱工質，利用高溫產生的蒸汽驅動汽輪機發電。導熱工質可以是水/蒸汽、合成油、礦物油、加壓水、硅油、硝酸鹽等，在集熱管內循環傳輸后會變得非常熱，溫度可達 400 ，流體含有的熱量輸送到熱機，大約有 1/3 的熱量轉換為電能。槽式太陽能熱發電系統結構中，多個槽式拋物面反射鏡經串

41、并聯排列起來，將太陽光聚焦到管狀的接收器上。整個系統包括：聚光集熱子系統、蓄熱子系統、換熱子系統、發電子系統和輔助能源子系統。其中，聚光集熱子系統是系統的核心，它由聚光器、集熱器和跟蹤裝置構成。聚光集熱子系統：聚光器為拋物面型反射鏡，反射鏡沿著由東到西的一個方向軸傾斜，可以根據太陽位置變化而發生旋轉，從而始終保持使其垂直于太陽的方向，最終將普通太陽光進行聚焦，形成高能量密度的光束，然后加熱導熱工質。槽式系統中的拋物面型反射鏡的作用等同于塔式太陽能熱發電的定日鏡。拋物面型反射鏡是在有一定剛性的基材上制備反射材料，再結合相應的保護膜構成的。通常使用的剛性基材為玻璃，采用反射率較高的銀或鋁作為反光材

42、料，噴涂一層或多層保護膜。由于反射鏡為拋物面型，因此要求具有一定的彎曲度，而曲面鍍銀的加工工藝較為復雜，對其制備方法也有相應的條件要求。另外，還開發出一種反光鋁板的反射鏡，其卓越的反射性能表現為對可見光輻射和熱輻射的反射效率高達 85%。與玻璃反射鏡相比，反光鋁板具有重量輕、防破碎、易成型等優點，另外，具有高耐用性起保護作用的透明陶瓷層，可防御氣候、腐蝕性和機械性等的破壞。整體而言，拋物面聚光器的制造成本較低，耗材最少，但其抗風能力較差，不適宜在大風地區工作。聚光集熱子系統中的集熱器（集熱管、接收器）是一個由真空層分開的同心管結構。里面一層是由金屬制造，內部進行著傳熱流體的循環，而外面一層則是

43、由玻璃制成。集熱管內的傳熱流體根據不同的溫度條件具有不同的技術選擇：在低溫條件下（200），通常使用不含礦物質的水與乙二醇；在較高的溫度（200 T450）下，通常則使用的是合成油。最新開發的技術，可以在高壓下使管內直接產生蒸汽，從而利用熔鹽作為傳熱流體。集熱器吸收管聚光傳熱，是一個極其復雜的光能聚集、轉換以及耦合傳熱的過程。槽式太陽能發電系統的跟蹤裝置，一般都采用單軸跟蹤方式。按焦線位置的不同，單軸跟蹤分為三類：南北地軸式、南北水平式和東西水平式。工程設計時根據實際情況選擇不同的跟蹤方式。與兩軸跟蹤方式相比，單軸跟蹤方式只要求入射光線位于含有主光軸和焦線的平面上。槽式太陽能熱發電系統中的多個

44、聚光集熱器單元只作同步跟蹤，跟蹤裝置可大為簡化，投資成本降低，但單軸跟蹤精度低，一般在跟蹤精度要求不高或陽光充裕的地方可以優先考慮。蓄熱子系統：光能被轉化成電能之前先是以熱能形式被存儲起來。按照目前的技術，存儲熱能比存儲電能更便宜、更有效。蓄熱子系統也是保障太陽能熱發電站全天候穩定輸出電能的關鍵所在。蓄熱子系統中的儲能物質是硝酸鹽，主要是硝酸鉀和硝酸鈉。硝酸鹽在白天受熱熔化，吸收熱量。夜晚溫度降低時，這些硝酸鹽則凝固，并釋放大量熱量到管道中，繼續加熱高塔水箱中的水，產生蒸汽繼續發電。蓄熱子系統在夜晚釋放的熱能，足夠讓發電站在沒有陽光的情況下運行 15 小時。也就是說，白天曬 9 個小時太陽，2

45、4 小時都可以發電。太陽能熱發電系統在白天和黑夜都產生電能，依靠儲存的能量維持系統正常持續運行。換熱子系統：當系統工質為油時，采用雙回路，即接收器中的油工質被加熱后，進入換熱子系統中產生蒸汽，蒸汽進入發電子系統發電。換熱子系統一般由預熱器、蒸汽發生器、過熱器和再熱器組成。直接采用水為工質時，可簡化此子系統。發電子系統：按照工質為水或氣體選用傳統的朗肯循環/蒸汽汽輪機發電機，布雷頓循環/燃氣發電機或燃氣汽輪機與蒸汽汽輪機的混合型發電機，其基本組成與常規發電設備類似。但是，需要另外配備一種專用裝置，用于工作流體在接收器與輔助能源系統之間的切換。當工作流體產生的溫度為 600時，蒸汽汽輪機的效率可達

46、 41%；溫度高于 600，燃氣汽輪機則更為有效。輔助能源子系統：由于太陽光照的不穩定，系統中通常要配置蓄能裝置，以備在夜間或陰雨天正常供電，一般采用輔助能源系統供熱，否則蓄熱系統過大會引起初始投資的增加。槽式太陽能熱發電系統的特點是，此系統用拋物面槽式反射鏡將陽光聚焦到線型管狀的集熱器上，因而屬于線聚焦方式，其聚光比與塔式系統相比較低。聚光比（聚光集熱器采光的光孔面積與接收器上接受太陽光輻射的表面面積之比，反映聚光集熱器使能量集中的可能程度，是一個特征參數）一般為 50150。另外，接收器的散熱面積也較大，因而集熱器所能達到的介質工作溫度一般為 300550，屬于中溫發電。槽式太陽能熱發電系

47、統的轉換效率最大值為 20%，一般值為 11%14%，年容量因子（實際年發電量與系統全年滿負荷運行的年發電量之百分比）為 23%50%。槽式熱發電的功率可為 101000 MW，是所有太陽能熱發電站中功率最大的。目前運行效益最高的太陽能熱發電系統是加利福尼亞的槽式太陽能熱發電站。槽式太陽能熱發電系統的聚焦集熱器采用分散布置，與碟式相比簡化了集熱器的結構，可以同步跟蹤，跟蹤裝置簡單，投資成本低，跟蹤精度要求低、跟蹤控制代價小。集熱器等裝置大都分布在地面上，安裝維修也比較方便。此系統可采用并聯方式，將加熱的介質集中，因此單機容量可以較大，合大規模發電系統，可并網發電（目前最大單機容量為 80 MW

48、），占地面積比塔式和碟式系統的要小 30%50%。但是，槽式太陽能熱發電系統也有一定的不足，需要進一步改進和發展。由于槽式系統的線型集熱器使得這種線聚焦方式的聚光比較低，集熱器的表面積較大使得散熱產生的熱損失較為嚴重，從而導致熱載體的工作溫度低，以及系統的熱電轉換效率低。能量在集中過程中依賴管道和泵，管道系統較為復雜，熱量及阻力損失均較大，降低了系統的凈輸出功率和效率。與塔式和碟式系統相比，拋物曲面反射鏡的耐腐蝕性和抗風性能較差，反射鏡的更換成本高。另外，這種線性聚焦系統很難實現雙軸跟蹤，致使余弦效應造成較大的光損失。線型集熱器裸露在受光空間中，無法進行絕熱處理。盡管設計了真空層以減少對流帶來

49、的損失，但是其輻射損失仍然隨溫度的升高而增加，真空絕熱損失和集熱管選擇性涂層退化使得集熱器玻殼破裂，并且真空管的壽命還沒有得到大規模的驗證。同時，大規模的拋物槽式系統需要在陸地上平行分布很多的反射鏡，因此占地面積較大。由于受到傳熱工質導熱油的限制，最高工作溫度只有 400 （發電站需要較高的操作溫度，一是用來干燥熱交換器，排除剩余氣體，二是能夠減少水的用量，這對于沙漠的發電站更有實際的作用，同時還可以有效地存儲更多的熱能），由于材料和技術的差別，一般較難獲得較高的溫度。一種解決辦法就是采用氟鹽液，操作溫度在 700800，結合多步汽輪機系統可以使得熱效率達到 50%，甚至更高。使用導熱油傳熱也

50、增加了投資和經營的額外成本及維修，熱油泄漏的發生將導致環境污染。槽式發電所需技術較為復雜，其關鍵技術瓶頸在于實用型耐高溫真空集熱管的加工和制造。該項技術的突破面臨兩大難題：一是光譜選擇性吸收涂層的高溫穩定性問題，二是玻璃外管與金屬內管的真空封接與熱匹配問題。2線性菲涅爾式太陽能熱發電技術由于槽式聚光比低、曲面鏡面耐腐蝕性和抗風性能較差，因而在槽式的基礎上開發出了一種新的太陽能聚光熱發電技術線性菲涅爾聚光技術。這種技術起源 20 世紀 60 年代，太陽能利用先驅 Giorgio Francia 使用長型、扁平或稍彎曲的菲涅耳原理反射鏡，把太陽光聚焦到位于反射器焦點位置處的線型接收器，制作了一個太

51、陽光聚集技術系統。線性菲涅爾式熱發電是太陽能熱發電技術的一種，其工作原理與槽式熱發電系統類似，區別在于它采用的是基于菲涅耳原理的菲涅耳反射鏡替代槽式拋面鏡。圖 6-8 為線性菲涅耳太陽能熱發電系統的聚焦圖與實際范例圖。線性菲涅爾式熱發電系統的原理是利用一系列的長、窄、低曲率（甚至平面結構）的菲涅爾反射鏡組成主反射鏡場，能夠自動跟蹤太陽運動，把太陽光以反射方式聚集到位于反射鏡焦點位置處的一個或多個線型接收器內，接收器平行置于反射鏡上方，收集反射鏡反射的太陽光從而加熱管道中的導熱工質（例如水），將光能轉化為熱能，產生高溫高壓蒸汽從而推動汽輪發電機發電。有時候，置于反射鏡上方的接收器上也可以附有拋物

52、面反射鏡以集中加強收集太陽光。由此可知，菲涅爾聚光熱發電技術的聚光形式與槽式的相近，都屬于線聚焦形式，但其聚光方法卻與槽式的不相同。線性菲涅爾熱發電系統的集熱子系統主要由主反射鏡場、接收器和跟蹤裝置三部分組成，其他部分則與槽式系統相同。系統在運行中控制太陽跟蹤裝置，以使太陽跟蹤裝置驅動主反射鏡場中的平面鏡，使平面鏡繞其轉動軸旋轉，太陽光被反射聚集到接收器上，從而吸收光能并轉化為工質的熱能，實現太陽光能到熱能的轉化。下面對這三部分分別做詳細介紹。主反射鏡場是整個熱發電系統的核心部分，其工作性能直接決定了熱發電系統的太陽能熱利用效率。主反射鏡場是由平面鏡條組成的平面鏡陣列，平面鏡的長軸（即轉動軸）

53、在同一水平面內，這些平面鏡都是大面積的平板反射鏡，平板反射鏡與鏡座經過機械連接具有微小的弧面，替代以前使用的曲面玻璃反射鏡，避免了高成本投入。接收器由二級反射鏡和吸收器兩部分組成。接收器不采用真空技術，接收器的受光孔用平板玻璃封接，能夠避免因內外空氣對流產生的對流換熱損失。為了提高接收器的聚光集熱效率，二級反射鏡面是具有聚光特性的二次曲面，二級反射鏡采用保溫隔熱的設計結構以降低因吸收器熱輻射和二級反射鏡熱傳導造成的熱量損失，吸收器則采用非真空玻璃-金屬封接技術。跟蹤裝置采用的是自動跟蹤控制系統，所有的反射鏡組始終與太陽保持一個最佳角度，從而能夠最大效率地采集太陽輻射能量。一般而言，菲涅爾系統采

54、用單軸跟蹤的方式，與雙軸跟蹤相比，結構簡單，成本較低。線性菲涅爾反射聚光技術的原理起源于拋物槽式反射聚光技術，但二者也有很多不同之處，主要在于：（1）線性菲涅爾式系統的鏡面是平面的，鏡面的面積相對較小，容易加工，成本較低，拋物槽式系統的鏡面是曲面且面積很大，不易加工；（2）線性菲涅爾式系統的每面鏡條能夠自動跟蹤太陽運動，相互之間可用聯動控制，控制成本比槽式系統要低；（3）線性菲涅爾式系統采用緊湊密排的方式，用地更合理，場地利用率高，建造成本和運行成本比槽式的約低 45%，另外在同樣功率情況下，其占地面積也只有塔式的 1/41/5。（4）線性菲涅爾式系統的聚光比要比相同場地的槽式系統高，聚光比一

55、般在 50100 之間，是槽式的 410 倍，這種系統不但可以聚集直射光，還可以聚集部分散射光。線性菲涅爾聚光集熱系統是最具潛力的太陽能熱量采集系統，屬于中高溫熱發電。它不僅可以產生高溫高壓用于熱發電，而且可控制溫度和壓力，廣泛適用于各種需要熱水和熱蒸汽的生產與生活領域。系統整體結構簡單，易實現標準化、模塊化，便于批量生產。鏡組間的抗風性能好，商業化前景非常廣闊，待開發的市場和領域很多。但是，由于接收器處于鏡場的垂直上方 510m，且接收器的開口尺寸小于反射鏡的寬度，太陽時刻處于運動狀態，微小的控制誤差就能大大降低聚光效率，再加上天氣隨時變化，因此全天候全自動高精度太陽跟蹤裝置的設計就成為一個

56、難點。3塔式太陽能熱發電技術世界上第一座塔式太陽能熱發電站于 1950 年由蘇聯設計并建造，當時只是一種小型試驗裝置。后來，1976 年，法國在比利牛斯山建成了世界第一座發電功率為 100 KW 的塔式太陽能熱發電系統。既至近日，美國、澳大利亞、法國、西班牙、德國、中國、印度等發達國家和發展中國家陸續建立了很多規模大小不一的示范裝置和運行系統，促進了太陽能熱發電技術的發展和商業化進程。塔式太陽能熱發電系統也稱集中型太陽能熱發電系統，是在地面上建立一座高度為幾十米到上百米的類似塔狀的高型建筑物作為集熱塔（接收塔），并在集熱塔周圍安裝成百或上千個用于聚集太陽光的定日鏡（反射鏡），定日鏡將太陽光聚集

57、到安裝在塔頂的吸熱器內，加熱吸熱器內的導熱工質（水、蒸汽、鹽溶液或空氣），被加熱的導熱工質流通到額外的熱存儲器內而被存儲起來，這個過程的熱效率可以達到 98%，最后利用蒸汽發生器產生的高溫蒸汽或高溫氣體推動汽輪機組發電，從而將太陽能轉換為電能，這個過程就是朗肯循環。圖 6-9 為塔式太陽能熱發電系統的聚焦圖與應用范例圖。塔式太陽能熱發電系統結構包括聚光子系統、集熱子系統、發電子系統、蓄熱子系統和輔助能源子系統幾個部分，其中，聚光子系統又可以包括聚光裝置和跟蹤裝置。聚光子系統的聚光裝置，是塔式太陽能熱發電系統的定日鏡作為聚光裝置時不可或缺的重要組成部分，用于跟蹤、捕捉、聚焦和投射太陽光，為整個系

58、統提供所需的太陽能，是實現太陽能熱發電的基礎。通常由許多面定日鏡按一定規律排列形成定日鏡陣列，這些定日鏡自動跟蹤太陽，能夠精確地把反射光投射到集熱器里。由于這一發電方式要求高溫、高壓，所以要求聚光比較大，因此需要使用千百面反射鏡。陣列中的定日鏡數目越多，其聚光比越大，容易達到較高的工作溫度，接收器的集熱溫度也就愈高。同時，要求眾多的定日鏡具有合理的布局，使得反射輻射都能集中到較小的接收器窗口，反射鏡也應同步自動跟蹤太陽。定日鏡具有微弧度的鏡面以保證太陽光聚焦到塔頂的接收器，通常是采用雙軸跟蹤，以確保每臺定日鏡的反射光線進入集熱系統的接收器內。定日鏡群的成本占總投入的一半以上，是塔式系統中投資最

59、大的部件，國際上對定日鏡的光學性能、結構、控制方式及制造成本等方面不斷投入重要力量進行研究。作為主要聚光裝置的定日鏡，從鏡表面形狀區分主要有平凹面鏡、曲面鏡、球面鏡等幾種。在太陽能塔式熱發電站中，由于定日鏡距離位于接收塔頂部的太陽能接收器較遠，陽光經定日鏡反射后容易產生散焦。為了減小這種散焦損失而把盡可能多的反射陽光聚集到集熱器，目前國內外采用的定日鏡大多是鏡表面具有微小弧度的平凹面鏡。另外，采用聚光倍數高的高次曲面鏡（例如陳氏曲面鏡），能夠有效地消除太陽光斑產生的像差。但是，這種鏡面的加工技術和成本較高。此外，還有采用復合蜂窩技術研制出的超輕型結構的反射面，解決使用平面玻璃制作曲面鏡的技術問

60、題。從鏡面材料區分，定日鏡主要有玻璃反射鏡和金屬膜反射鏡。玻璃反射鏡大多采用濕化學法或磁控濺射法制備。制備方法是在玻璃上依次鍍上作為反射層的銀層，用于降低銀和保護漆之間應力的銅層及起保護作用的保護漆。這種鏡面重量輕，抗變形能力強，反射率高，易于清潔，但其安全性差。金屬膜反射鏡則是鏡面鍍有不銹鋼等金屬材料，可以通過調節反射鏡內部壓力來調整金屬膜張力的曲度。金屬膜反光鏡的成本低、安全性高，但反射率低并且結構復雜。近年來，美國開發了一種延展薄膜定日鏡，是通過把鍍銀聚合物薄膜覆蓋于薄金屬箔上，然后張緊到金屬構架上制成，這種反射鏡對太陽光的平均反射率約為 92%。對于聚光裝置中的接收器，有垂直空腔型、水