摘要：在分析槽式集热器关键组成的基础上，对光热发电领域不同时间段主流槽式集热器类型和技术特性进行了统计，并分析不同技术路线下（扭矩框、扭矩管、空间桁架）集热器技术特点、发展路线图和趋势，明确了拦截率和光学效率等关键参数指标，提出槽式集热器发展的“技术-经济”优化迭代的过程。 关键词：光热发电；槽式集热器；扭矩框；扭矩管；空间桁架
一、槽式光热发电
槽式光热发电全称为“槽式抛物面聚光太阳能热发电”，是最成熟的聚光热发电技术，其发展历史可以追溯到20世纪70年代。
其装置是一种借助槽式抛物面反光镜将太阳光反射并聚焦到集热管上，加热集热管中的导热流体，管中导热流体通过换热系统将水加热成水蒸汽，驱动汽轮发电机组发电的清洁能源利用装置[1，2]。
二、槽式集热器组成
聚光集热子系统，是系统的核心，主要由反光镜、真空集热管、跟踪系统（包括：驱动、控制和传感器）、柔性连接和钢结构支架等部件组成。一般采用集热器轴线南北线水平布置，由东向西跟踪太阳[3]。 钢结构支架作为反光镜、集热管、柔性连接的支撑和连接结构，实现集热器面型维持。集热器技术发展主要为支架形式的优化，包括扭矩管、扭矩框、空间桁架等不同的结构设计。在材料方面，主流材料选型为碳钢，也有技术选用铝合金作为结构材料。
集热器通过反光镜将太阳光束聚集到一条焦线上而收集太阳能直接辐射能。反光镜作为关键光学部件，选型中需保证高精度、高反射率、和高耐用性。反光镜接收阳光直射辐射，然后反射光至焦线，从而将能量聚集在真空集热管之上。发电用集热器的反光镜聚光倍率一般在60倍至100倍。
真空集热管是集热器的关键部件，将太阳辐射能转换成热能。其构造原理：包括一个内层不锈钢管，直径为70mm-100mm，外层为高硼硅玻璃管和两端金属波纹管。内管涂覆有选择性吸收涂层以实现聚集太阳辐射的吸收率最大，和红外辐射的最小；玻璃管上涂布有减反涂层，用于提高光透过率；位于两端的玻璃管通过精密玻璃－金属封接与金属波纹管实
现连接（补偿内部金属管和外部玻璃管之间的热胀冷缩的差异），密封内部空间保持真空。主流集热管集热温度可达400℃，光热转化效率可达80%以上。
北京全路通信信号研究设计院集热器配套驱动和跟踪系统，实现高精度太阳跟踪。每个集热器在日间跟踪太阳光时均会绕其旋转轴旋转，旋转过程由两个液压缸驱动两个连接在扭矩传送装置的悬杆臂来实现。跟踪系统有当地控制器（LOC）来控制，安装在驱动塔门之上。信号线和动力线由LOC连接至液压机构和传感器，这些组件功能是给LOC提供输入信息。位置传感器测量SCA定位角度，并提供数据作为输入给LOC。集热器跟踪精度可达到0.1°级别，保证集热器运行性能。中国开关网
集热器通过柔性连接，实现相邻的集热器之间和集热器与静止管路间的相对旋转。为了达到这一目的，需要使用两种类型的旋转接头，单头和双头球形接头。单头球形接头系统用于集热器联排末端的管路连接。这可以是回路连接至太阳集热区总管路，或者是通过跨接管路实现两排集热器间连接。双头球形接头用于两相邻集热器的相互连接。
三、槽式集热器技术发展梳理
3.1 LUZ型集热器系列
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正是商业化应用的光热发电用槽式集热器技术起源于LUZ公司设计的LS-1、LS-2和LS-3槽式集热器[4，5]，产品从1984年至1990年应用于美国SEGS（Solar Electric Generating System）电站，总共建设电站规模为354MW。
LS-1型集热器：集热器在1984年完成设计开发，集热器开口弦长2.55m，集热管直径40mm，抛物面焦距0.7m，聚光倍数约63倍左右，峰值光学效率73.4%，集热器设计拦截率87%，最高允许使用温度307℃。LS-1型集热器仅应用于SEGS-1项目和SEGS-2项目中，并未规模化推广。
sceLS-2型集热器：集热器在1985年完成设计开发，1988年升级开发（优化使用温度），集热器开口弦长5.0m，集热管直径70mm，抛物面焦距1.4m，反光镜采用4片装（内片1570mm*1400mm，外片1570mm*1324mm），聚光倍数约71倍左右，峰值光学效率74%，集热器设计拦截率89%，最高允许使用温度初始为349℃，后优化到390℃。LS-2型集热器项目业绩相对较多，总装机容量约300MW。
LS-3型集热器：集热器在1989年完成设计开发，集热器开口弦长5.76m，集热管直径70mm，抛物面焦距1.71m，反光镜采用4片装（内片1700mm*1641mm和外片1700mm*15
01mm），聚光倍数约82倍左右，峰值光学效率77%，集热器设计拦截率93%，最高允许使用温度390℃。LS-3型集热器指导了后续集热器开发方向，其反光镜型号被广泛应用于后续光热电站[6]。
图1 LS-2型和LS-3型集热器
3.2 RP-3型集热器系列dd10
基于LS-3型集热器参数（射镜采用5.77m开口RP-3，集热管采用70mm直径），一系列槽式集热器被开发出来，并且都具有广泛的商业化应用业绩。
根据支架技术路线，分为3种流派：1）扭矩框，2）扭矩管，3）空间桁架。其中扭矩框以
德国SBP公司的EuroTrough支架为代表[7]；扭矩管以西班牙Sener公司的SENERtrough支架为代表[8]；空间桁架以西班牙Abengoa公司的E2支架为代表。
图2 不同支架形式集热器
不同的支架结构形式具有不同适用性和特点，基于现阶段原材料处理和加工工艺条件，各自优缺点如下：
扭矩框式支架：箱式桁架结构，形成一个扭矩箱，支架两端安装端板、几何形状为矩形的钢结构、集热管支撑、悬臂，该扭矩箱式结构可以抵抗强风和重力形成的扭转和弯曲。其优点为由钢构部件拼接而成，原材料加工过程没有大型零部件机加工作，加工工艺相对简单；适合批量流水线加工生产，生产品质和数量可控；零部件运输堆积密度高，便于运输，产业发展模式
运输成本可控；技术从2003年开始商业化使用，工艺成熟，风险可控。其缺点为需要加工单体的零件种类及型号繁多，对物资管理能力提出要求；现场组装需要专用工装，工装及人工费用较大；现场调试相对困难，连接零部件多；扭矩框中有单体12m长部件，对热浸镀设备提出要求。
扭矩管式支架：一般通过在螺旋焊管上加工装配悬臂及集热器支撑件，同时在扭管的端部焊接连接端板，扭矩管通过固定在端板上的轴连接起来从而形成集热器的支架。其优点为采用一根主轴加工的结构，通过机床加工可实现高精度；适合模具化的工业化流水生产；现场组装工艺简单、时间较短、人工需求少；车间组装精度较高；适合制作跨度较长的集热器支架。其缺点为单根主轴较长，货物运输空隙率大；对机械加工设备尺寸和精度要求高，加工成本高；需要定制大型工装和焊接专机；若采用热镀锌防腐，需要大型热浸镀设备。
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