碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化障礙
碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用旋轉(zhuǎn)拋物面的碟式反射鏡將太陽(yáng)聚焦到一個(gè)焦點(diǎn)。和槽式一樣，碟式系統(tǒng)的太陽(yáng)能接收器也不固定，隨著碟形反射鏡跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，克服了塔式系統(tǒng)較大余弦效應(yīng)的損失問(wèn)題，光熱轉(zhuǎn)換效率大大提高。和槽式不同的是，碟式接收器將太陽(yáng)聚焦于旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點(diǎn)上，而槽式接收器則將太陽(yáng)聚焦于圓柱拋物面的焦線上。圖3是碟式系統(tǒng)的代表性案例——美國(guó)SES公司的碟式-斯特林熱機(jī)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。
碟式熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：(1)光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)85%左右，在三類系統(tǒng)中位居首位；(2)使用靈活，既可以作分布式系統(tǒng)單獨(dú)供電，也可以并網(wǎng)發(fā)電。碟式系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：(1)造價(jià)昂貴，在三種系統(tǒng)中也是位居首位，目前碟式熱發(fā)電系統(tǒng)的初投資成本高達(dá)4.7～6.4萬(wàn)元/kW；(2)盡管碟式系統(tǒng)的聚光比非常高，可以達(dá)到2000℃的高溫，但是對(duì)于目前的熱發(fā)電技術(shù)而言，如此高的溫度并不需要甚至是具有破壞性的。所以，碟式系統(tǒng)的接收器一般并不放在焦點(diǎn)上，而是根據(jù)性能指標(biāo)要求適當(dāng)?shù)胤旁谳^低的溫度區(qū)內(nèi)，這樣高聚光度的優(yōu)點(diǎn)實(shí)際上并不能得到充分的發(fā)揮；(3)熱儲(chǔ)存困難，熱熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)危險(xiǎn)性大而且造價(jià)高。
由于與光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，碟式熱發(fā)電系統(tǒng)具有氣動(dòng)阻力低、發(fā)射質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)研發(fā)主要集中于具有更小單位功率質(zhì)量比的空間電源應(yīng)用領(lǐng)域，今后的研究方向主要是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低系統(tǒng)發(fā)電成本兩個(gè)方面。
更為經(jīng)濟(jì)高效且具自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型分立式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)
前述可見(jiàn)，建立在傳統(tǒng)聚光和跟蹤理論基礎(chǔ)之上的塔式、槽式、碟式系統(tǒng)均存在著難以克服的困難，因而導(dǎo)致單位裝機(jī)投資大、熱發(fā)電成本高、推廣應(yīng)用有困難。那么我國(guó)在發(fā)展太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域有沒(méi)有突破口呢？筆者最近發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的太陽(yáng)聚光和跟蹤理論的突破，為我國(guó)發(fā)展更為經(jīng)濟(jì)高效且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)提供了思路。
一、新的太陽(yáng)聚光和跟蹤理論有什么優(yōu)點(diǎn)?
由于太陽(yáng)能輻射到地球表面的能量密度比較低，因此，無(wú)論是對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電還是太陽(yáng)能熱發(fā)電，能否經(jīng)濟(jì)高效利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵在于太陽(yáng)聚光和跟蹤水平的優(yōu)劣。上世紀(jì)80年代自適應(yīng)光學(xué)在近代精密光學(xué)中取得很大成功，但由于控制系統(tǒng)極其復(fù)雜且價(jià)格高昂，在太陽(yáng)能上應(yīng)用一直是個(gè)難題。當(dāng)時(shí)在英國(guó)劍橋大學(xué)和美國(guó)加州理工學(xué)院任高級(jí)研究員的陳應(yīng)天博士提出了一種利用行與列的運(yùn)動(dòng)來(lái)代替點(diǎn)的二維運(yùn)動(dòng)的新的數(shù)學(xué)控制模式，這樣由子鏡組成的光學(xué)矩陣鏡面的控制可以由幾何級(jí)數(shù)大大減少為代數(shù)級(jí)數(shù)。陳應(yīng)天用8年時(shí)間完成了這個(gè)新的行列控制理論的完整數(shù)學(xué)模型，并發(fā)展出了將其一般理論應(yīng)用于太陽(yáng)能的理論與公式。為了將其優(yōu)點(diǎn)在太陽(yáng)能聚光應(yīng)用上充分發(fā)揮出來(lái)，他打破了傳統(tǒng)的采用方位角-仰角的太陽(yáng)跟蹤方法，在世界上第一個(gè)提出了采用自旋-仰角的跟蹤公式。這個(gè)新的太陽(yáng)聚光跟蹤理論，被國(guó)際著名太陽(yáng)能專家——以色列特拉維夫大學(xué)的Kribus教授評(píng)論為“在一個(gè)多年幾乎沒(méi)有進(jìn)展的定日鏡領(lǐng)域中的第一個(gè)突破”。世界最權(quán)威的太陽(yáng)能刊物《Solar Energy Engineering》圍繞這一新的聚光跟蹤理論從2001年起連續(xù)發(fā)表了他的八篇論文，在國(guó)際學(xué)界引起巨大反響。經(jīng)國(guó)際太陽(yáng)能權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格地分析比較后證明，根據(jù)新的聚光跟蹤理論推導(dǎo)出的新的聚光曲面和跟蹤方法(國(guó)際上現(xiàn)稱為“陳的曲面”和“陳的跟蹤方法”)，比傳統(tǒng)的聚光跟蹤方法更能有效的接受太陽(yáng)能。建立在理論突破基礎(chǔ)上的新型定日鏡技術(shù)具有以下三大優(yōu)點(diǎn)：
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