程兴利

(中国电建集团核电工程公司，济南 250100)

0 引言

在几种太阳能热发电技术形式中，槽式太阳能热发电技术相对成熟，在已建成的太阳能热发电站中，槽式太阳能热发电站的占比较大。然而，由于目前最先进的槽式集热器技术的光学模型仍有待完善，因此该领域的众多研究人员通过尝试新思路来提高槽式集热器的光学效率，从而降低集热器的成本。

槽式集热器技术的工作原理和太阳辐射特点使槽式集热器的光学效率取决于集热器几何形状的精度及其跟踪精度，这就要求集热器的反射镜镜面形状尽量满足理想的抛物线剖面形状，集热管尽可能位于理想的焦线位置，并使太阳始终保持在抛物线槽的光轴平面内，这对集热器组件的制造，集热器的组装、安装及检测技术提出了特定要求。随着槽式集热器技术的发展，多种检测技术也得到了开发，比如：用于精确测量集热器支撑结构支撑点坐标和用于反射镜角度检测的近景照相测量法；用于反射镜镜面斜率精度检测的偏折法；用于抛物线槽与集热管的光学相互对正测量的TOPCAT、TARMES、VISfield和Qfly方法等。

影响槽式集热器光学效率的因素很多，集热器除了需要有合理的设计外，其原材料的选取、组件的制造、集热器单元的制造组装、现场安装、运行维护等各环节都会对集热器的光学效率产生影响。上述几种检测技术均可用于反射镜和集热管安装后的检测，但检测过程复杂且耗时，一般只用于原型样机或示范性项目中集热器的检测，不适合检测商业化槽式太阳能热发电站；对于已安装了反射镜和集热管的集热器，即使检测出超出技术规范要求的误差也是难以纠正的。因此，这些检测技术只适用于集热器金属结构上的反射镜支撑点和集热管支撑点的检测。作为一种大型、精密的光学设备，集热器在现场安装之后尚缺乏一种精确有效的光学效率测量和纠正技术，此外，集热器的安装质量在一定程度上影响着其光学效率，这就为保证集热器的光学效率提出了严格的安装质量要求。由于熟知施工质量控制对集热器光学效率产生的影响是槽式太阳能热发电站中太阳岛施工工作的重要内容，因此，本文结合国内首个槽式太阳能热发电项目的工程实践，对集热器安装过程中的光学误差来源及其对集热器光学性能产生的影响进行分析。

1 槽式集热器的光学效率

槽式集热器的光学效率是集热管所截获的反射太阳辐射与集热器接收的有效太阳辐射的比值，在统计分析模型中，光学效率ηo可表达为[1]：

式中：k(θ)为入射角修正系数；ρ为反射镜面材料的反射率；τ为集热管外层玻璃管的透射率；α为集热管不锈钢吸热管涂层的吸收率；γ为拦截率。

k(θ)可根据太阳入射角θ计算得到，用于表征因太阳入射角变化所导致的相关光学损失，包括：1)对集热器光学参数的影响：随着θ的增大，反射镜面的反射率、集热管玻璃管的透射率和吸热管吸热涂层的吸收率均降低，从而导致光学效率的下降；2)对拦截率的影响：θ越大，太阳光线从反射镜镜面反射到集热管的路径就越长，太阳光线的扩散就越大，从而降低了集热管对太阳光线的拦截率；3)产生末端损失：当θ＞0时，集热器一端的最后一面反射镜未将太阳光线反射到集热管，而在另一端，集热管的一部分未接收到反射镜反射的太阳光线。

ρτα可表征反射镜和集热管材料的物理特性。

γ反映了集热器组件制造，以及集热器单元的制造、组装、现场安装及运行等环节导致的几何误差。

光学误差会影响集热器的光学效率，槽式集热器的潜在光学误差如图1所示。

图1 槽式集热器的潜在光学误差Fig. 1 Potential optical errors in trough collectors

2 光学误差对拦截率的影响

统计分析模型评价槽式集热器的光学性能时，将因反射光束扩散而产生的总光学误差等效量化为各个器件角度的标准误差，可将图1中描述的各种误差分析为局部反射镜面偏离理想位置而导致的镜面反射法线偏转。总光学误差σop是将因各种原因产生的角度标准误差平方相加得到的[1]，即：

式中：σco为镜面轮廓误差；σsp为镜面反射材料缺陷；σsu为镜面支撑结构误差；σto为集热器的扭转误差；σal为集热器单元的对正误差；σtr为跟踪误差；σdi为集热管位置误差。

式(2)中，σco和σsu所导致的镜面反射法线的偏转将使反射的太阳辐射发生2倍的偏转；σco、σsp和σsu是反射镜材料本身或集热器在车间内组装制造时可能出现的误差，而σto、σal、σtr和σdi均与现场的安装施工有关。研究表明，在对集热器几何形状依据标准技术规范进行质量控制的基础上，应更严格地对集热器的现场安装质量进行控制，可提高1～2个百分点的拦截率[2]。

3 光学效率的施工影响因素与质量控制

3.1 集热器的布置方向

理论上，集热器东西向布置或南北向布置都可以，虽然集热器东西向布置时在中午时段的集热效率较高，但由于在早晨和下午时段太阳入射角很大，集热器的集热效率较低，导致槽式太阳能热发电系统的日功率变化较大，使其年发电量低于集热器南北向布置时。因此，商业化的槽式太阳能热发电站均采用集热器南北向布置的方式。通常，集热器南北向布置时与真南北方向的偏差不应大于0.05°，因为偏差过大将影响槽式太阳能热发电站的年发电量。

3.2 集热器立柱和轴承的安装

以欧洲槽150集热器(即ET-150集热器)为例，该集热器的长度约为150 m，包括12个集热器单元，位于集热器中间位置的驱动立柱为集热器的刚性支撑点，在驱动立柱两侧各安装有6个集热器单元，对应6个挠性立柱。该集热器的3D模型如图2所示。

图2 ET-150集热器的3D模型Fig. 2 3D model of ET-150 collector

由于13个立柱顶端的轴承支撑着整个集热器，因此对这些轴承的轴线及集热器轴线的公差均提出了较高要求，即轴承轴线的平行度公差和集热器轴线的直线度公差。如果轴线的实际偏差值超出公差值范围，则轴线会变成曲线或折线，这将产生以下后果：1)导致集热器的旋转轴和轴承不能良好接触，增大轴与轴承之间的摩擦力，缩短轴承的寿命；2)影响集热器扭转，虽然集热器本身的结构刚度会影响其扭转程度，但轴与轴承之间过大的摩擦力将导致外侧的集热器单元扭转角度始终滞后于驱动立柱两侧的集热器单元的扭转角度，产生扭转误差，从而导致拦截率的降低；3)可能会导致附加水平力的产生，使集热器立柱倾斜或扭转。ET-150集热器的轴线公差示意图如图3所示。

图3 ET-150集热器的轴线公差示意图Fig. 3 Schematic diagram of axis tolerance of ET-150 collector

ET-150集热器要求集热器轴线在全长范围内的直线度公差为φ10 mm，即集热器的实际轴线全长必须位于以基准轴线为轴线、直径为10 mm的圆柱面所构成的公差带区域内；单个轴承的轴线相对于全长轴线的平行度公差为φ0.2 mm(驱动立柱轴承的平行度公差为φ2.0 mm)，即实际轴线必须位于直径为公差0.2 mm、轴线平行于基准轴线N-S的圆柱面所构成的公差带区域内。

为避免轴承的轴线变成曲线，需对轴承进行找正，找正方式如图4所示。由于轴承和轴承座是有限尺寸的三维实体，必须使用适配的工具对轴承座进行3个方向的定位测量，从而计算出集热器轴线在轴承中心点上的理论相对坐标点，以及棱镜s和棱镜n的理论坐标点；再根据规定的直线度和平行度公差极限值，计算出轴线在轴承中心点上的极限坐标点和棱镜s和棱镜n的极限坐标点；然后测量s点和n点实际的三维坐标值，若测量得到的s点和n点的坐标值在计算得到的理论极限坐标值内，即为满足要求。否则，需要反复调整立柱的地脚螺栓，直到满足要求。虽然集热器的纵向误差对其光学效率的影响不大，但会影响立柱的倾斜度，同样需要控制。

图4 集热器轴承的找正方式Fig. 4 Correct way of collector bearings

3.3 集热管固定端组件的安装

集热管的位置误差可能由集热器组装时组装模具的系统性误差导致，组装模具一般是由极高精度的激光跟踪仪进行调整，集热器组装完成后要经过高精度的三维近景照相测量设备检测，能够达到足够高的精度。因此，在集热器组装阶段产生的位置误差很小。此外，集热器的现场安装也会导致位置误差，现场安装后的集热管在工作中是以集热器的驱动立柱为刚性支点向两端膨胀伸缩的，除驱动立柱为刚性支点外，其他支撑均为挠性支点，当集热管内传热介质的运行温度低于其设计点温度时，集热管均会在反射镜焦线以下的位置，导致集热管从刚性支点向两端的偏离距离逐渐变大，因此，应对集热管的刚性支点有精确的位置度要求，否则将导致全部集热管的位置出现误差，并产生安装应力。

如图5所示，相对于跟踪旋转轴线，集热管固定端组件C-D段的位置度公差为φ2.0 mm，即允许其实际轴线在直径为2.0 mm的圆柱面内围绕圆柱轴线发生位置变动，圆柱轴线是以集热器旋转轴线A-B段的真正尺寸为基准确定的轴线。

图5 ET-150集热器的集热管固定端的位置公差(单位：mm)Fig. 5 Position tolerance of fixed end of collector tube of ET-150 collector (Unit: mm)

集热器Z轴方向上的偏差过大会导致集热管位置误差，虽然这个方向上的误差可能会被集热器的轮廓形状误差相叠加后抵消，但这种抵消只是偶然情况；而集热器Z轴方向上的偏差过大会导致跟踪误差，使集热器的抛物线光轴不能对正太阳的位置，而是始终偏离一个角度，降低了拦截率。

集热器X轴和Z轴方向上的位置度主要是由专用的高精度组装模具来保证的，并以旋转轴线为基准进行控制，这对组装模具的尺寸和形位公差有很高的要求，定位孔槽的加工精度必须依据铣铰加工工艺来保证，低精度的钻孔工艺将导致过大的误差，集热管固定端组件的对正和安装应在有温度要求的组装车间内完成，由于集热器Z轴方向的位置是依靠调整垫片保证的，因此垫片的调整是安装质量控制的重点。

3.4 集热器单元的安装

集热器的安装对正误差是指某个或部分集热器单元的抛物线光轴面偏离了理论光轴面，而其相较处于正确位置的集热器单元发生了相位扭转，导致这些集热器单元不能准确跟踪太阳，降低了拦截率。集热器单元的对正是通过测量集热器两侧的高度差来实现的，由于ET-150集热器的宽度为5.77 m，其允许的最大高度偏差为1 mm，即约为0.02°。虽然使用水准仪即可保证测量精度，但由于集热器的迎风面面积较大，安装过程中很容易受到风的影响，导致集热器单元的对正仍会存在误差。

3.5 跟踪误差

为了最大化利用太阳能，集热器的设计是使其跟踪太阳运动以保持太阳始终位于抛物线槽的光轴平面，即图5所示的Y-Z平面内。由于跟踪驱动机构的精度或跟踪驱动设备的设定原因，当偏离上述平面内的角度时就会产生跟踪误差。跟踪误差很大程度上取决于跟踪驱动设备的控制精度和运动精度，而集热器运行时间的积累也可能会产生跟踪误差。由于集热器的初始绝对安装角度是在安装时确定的，而集热器是以驱动立柱顶部的驱动头为基准进行安装的，因此作为集热器运行时的初始位置参数，驱动头必须准确指向天顶角位置，其精度为90°±0.02°，若驱动头的初始位置参数不准确，即使将安装的正误差控制到很小，对于依靠天文计算来进行太阳跟踪的集热器而言，也将引起整体的系统性跟踪误差。虽然可以先测量出集热器的天顶角位置后再设定驱动头的天顶角位置参数，但太阳岛中有数百个集热器，若都采用此方法，这将是一项非常耗时的工作。

4 结论

本文以槽式集热器光学性能的统计分析模型为基础，对影响槽式集热器光学效率的施工因素进行了分析。槽式集热器是一种大型、精密的光学设备，对其光学性能和机械性能均有较高的要求，为了高效利用太阳辐射，需重视所有的光学效率影响因素，并对这些影响因素采取消除或降低影响的措施十分必要。太阳岛施工阶段的很多环节都会对集热器的光学效率产生影响，前期在工厂车间内的集热器组件和集热器单元的制造和组装，不仅需要有足够精确的组装模具、检测手段和良好的生产制造环境条件，而且需要随时根据检测结果纠正偏差。虽然目前也有测量集热器拦截率的方法，但只能用于实验性的分析研究，无法用于商业化运行的槽式太阳能热发电站中已安装的集热器的光学误差纠正，因此集热器现场安装阶段的质量控制十分重要。因为项目建设阶段产生的光学误差会影响槽式太阳能热发电站几十年寿命期内的发电效率，因此使用高精度测量仪器、选用有经验的高技能施工人员、采用有效的施工工艺是质量保证的基本要求。