太阳能非成像聚光与多塔式阵列协同优化理论研究

太阳能热发电技术具有发电效率高、预期成本低、电能质量好、环境友好等优点，近年来发展迅猛。本申请团队从前期863项目"太阳能热发电技术及系统示范"实施中，深刻认识到制约发展的关键技术障碍之一是：聚光成本高，系统光学效率和光热转换效率低。为此提出以下研究思路和目标：基于非成像光学原理建立太阳辐射聚集与传输模型，编写聚光系统优化设计与分析软件，研制新型非成像太阳能聚光器，使光斑90%能量区面积年变化量较传统聚光器减小10%；揭示聚光器及聚光场光学结构对系统效率及聚光成本的影响规律，建立兼顾系统效率和聚光成本的聚光器与聚光场优化理论，以期降低系统成本5%；研究多塔式阵列聚光理论，建立多塔式阵列聚光与吸热时空协同优化准则和聚光场控制机制，减小太阳辐射聚集与传输过程中的余弦损失、阴影损失及光热转换损失，使系统效率提高5%。以上研究将为太阳能热发电产业化发展提供理论基础和技术支撑。

太阳能热发电技术是清洁的可再生能源利用技术，它可以通过较为廉价的储热装置，实现24小时不间断发电，未来可部分代替传统燃煤发电机组，在电网中承担基础负荷，这将有利于减少CO2排放，解决环境污染问题。近年来，经过国内外太阳能热发电从业人员的共同研究，该技术中大部分关键问题已经解决，但仍存在单位发电成本较高的问题，无法与传统燃煤发电方式竞争。本项目以降低太阳能热发电成本为目标，通过优化聚光器及光场的光学结构，提高聚光器及光场的光学效率，从而降低单位发电成本。为此本项目开展了以下研究工作：研究了基于边缘光线原理的非成像聚光理论，编写了非成像聚光设计与分析软件，设计了具有低成本前景的新型聚光器，与传统球面聚光器相比，新型聚光器光斑90%能量区面积年变化量减小10%以上，通过模拟计算得出，新型聚光器可提高光场聚光效率，从而降低发电成本；研制了新型非成像聚光器原理样机，并对其聚光性能进行了测试，测试结果与理论值相符，验证了设计方法的正确性；提出了非成像聚光器面形检测方法，研制了基于条纹反射测量技术的非成像聚光器面形误差测量仪器，测量重复性精度优于0.1mrad，测量不确定度优于0.6mrad；建立了多塔式阵列聚光过程数学模型，优化了多塔式聚光阵列结构，研究了多塔式聚光阵列动态控制机制，根据理论计算得出，多塔式聚光阵列可提高镜场效率5%以上。基于以上研究成果，发表论文7篇，其中SCI检索２篇；申请国家发明专利5项，授权1项；培养博士生2名，硕士生1名。在本项目研究过程中发现的问题是：新型聚光器在跟踪太阳运转时，要求阳光的入射方向相对聚光器镜面保持不变，这对聚光器的安装精度和跟踪精度要求较高；多塔式聚光系统中，在具有多个吸热器的情况下，各定日镜可选择将阳光反射到不同的吸热器，减小了光程，提高了光场利用率和聚光效率，但同时增加了吸热器和塔的数量，因而造成了总投资成本的提高，为降低单位发电成本，还需对多塔式聚光技术进行更深入的理论和实践研究。