一、新的太陽聚光和跟蹤理論有什么優(yōu)點(diǎn)?
由于太陽能輻射到地球表面的能量密度比較低，因此，無論是對(duì)于太陽能光伏發(fā)電還是太陽能熱發(fā)電，能否經(jīng)濟(jì)高效利用太陽能的關(guān)鍵在于太陽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，在太陽能上應(yīng)用一直是個(gè)難題。當(dāng)時(shí)在英國劍橋大學(xué)和美國加州理工學(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)用于太陽能的理論與公式。為了將其優(yōu)點(diǎn)在太陽能聚光應(yīng)用上充分發(fā)揮出來，他打破了傳統(tǒng)的采用方位角-仰角的太陽跟蹤方法，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)新的太陽聚光跟蹤理論，被國際著名太陽能專家——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，在國際學(xué)界引起巨大反響。經(jīng)國際太陽能權(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)：
1、新的高次曲面比傳統(tǒng)幾何鏡面(球面或拋物面等)的聚光倍數(shù)提高幾倍甚至十幾倍。即使在入射角變化的情況下，也能夠有效地消除太陽光斑的象差，從而使聚光的倍數(shù)大大增加，并第一次實(shí)現(xiàn)了聚光與跟蹤同時(shí)進(jìn)行的設(shè)計(jì)模式。
2、用更簡(jiǎn)單、更可靠的方法實(shí)現(xiàn)目前國外難以做到的固定目標(biāo)下的跟蹤。跟蹤太陽運(yùn)動(dòng)的部分只限于聚光鏡，而聚光目標(biāo)不必同聚光鏡一同運(yùn)動(dòng)，因而整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械大大簡(jiǎn)化、重量大大減少，這是新型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的成本能夠大幅度下降的一個(gè)重要原因。
3、各種變型的設(shè)計(jì)可用于不同的工作環(huán)境和工作要求，操作系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化。新的聚光跟蹤理論可應(yīng)用于地球上任何一點(diǎn)、任何位置、任何朝向的定日鏡，因此可以使用單個(gè)集成線路代替復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
基礎(chǔ)理論的突破往往帶來重大的技術(shù)革新。新的聚光跟蹤理論為太陽能的高效經(jīng)濟(jì)利用開辟了一條全新的途徑。各種更廉價(jià)、更高效的太陽能聚光接收器正在被陸續(xù)開發(fā)出來，從幾個(gè)太陽聚光的新型光伏發(fā)電系統(tǒng)(見圖4)、幾十個(gè)太陽聚光的新型太陽灶(見圖5)、幾百個(gè)太陽聚光的高集中度的光伏發(fā)電系統(tǒng)(見圖6)、再到成千上萬個(gè)太陽聚光的高溫太陽爐(見圖7)，理論突破的巨大威力已經(jīng)得到實(shí)踐的成功檢驗(yàn)。
二、新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)有什么特點(diǎn)?
新的聚光跟蹤理論應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電技術(shù)，則為結(jié)合塔式和槽式的優(yōu)點(diǎn)、消除兩者的缺陷提供了實(shí)現(xiàn)手段。按照新的聚光跟蹤理論而設(shè)計(jì)的新型分立式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的示意圖(見圖8)，其中聚光反射鏡采用特殊的高次曲面來取代傳統(tǒng)的平面、球面、拋物面、雙曲面，聚光反射鏡的跟蹤采用自旋-仰角的控制方法，新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)具有塔式或槽式難以兼顧的3大優(yōu)點(diǎn)：(1)聚焦光斑小而且均勻，光熱轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到80%(高于槽式)，聚焦溫度高達(dá)500～1000度如塔式；(2)被聚焦的目標(biāo)可以固定不動(dòng)如塔式，使得系統(tǒng)機(jī)械大大簡(jiǎn)化并且散熱損失小；各反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)速率和方向完全一致如槽式，因此控制系統(tǒng)極為簡(jiǎn)單且安裝調(diào)試非常方便；(3)反射鏡可以做成3米×3米或5米×5米的單體，抗風(fēng)性能大大增強(qiáng)。
建立在新的聚光跟蹤理論基礎(chǔ)上的這一新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)路線已經(jīng)得到國際學(xué)術(shù)界和工程界的高度評(píng)價(jià)。2004年在國外從事塔式、槽式技術(shù)的5位世界著名太陽能熱發(fā)電技術(shù)專家，包括以色列特拉維夫大學(xué)(AVIV)流體力學(xué)和熱傳導(dǎo)系系主任Kribus博士、以色列Weizmann研究所環(huán)境科學(xué)和能源研究室主任J. Karni博士、德國空間研究中心(DLR)熱力學(xué)技術(shù)研究所研究員R. Buck博士和A. Pfahl博士以及英國劍橋大學(xué)工程系教授T.P. Bligh博士聯(lián)合陳應(yīng)天博士在《Solar Energy Engineering》上發(fā)表了他們對(duì)這一新型定日鏡技術(shù)的肯定，并通過大量的計(jì)算證明采用新的自旋-仰角跟蹤方法會(huì)比傳統(tǒng)的方位角-仰角跟蹤方法的聚光效率提高10%-30%。
三、新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)和塔式、槽式、碟式系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較
塔式、槽式、碟式和新型分立式四種太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能(包括工作溫度、太陽聚光倍數(shù)、光熱轉(zhuǎn)換效率、熱發(fā)電投資成本)對(duì)比見表1所示。
由表1可見，新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)比塔式、槽式、碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)具有更優(yōu)的性價(jià)比。如果建設(shè)一個(gè)50MW規(guī)模的單獨(dú)使用太陽能的熱發(fā)電電站，采用新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的電站投資成本可以做到2.5萬元/kW，這僅僅是國外目前塔式系統(tǒng)投資成本的52%、槽式系統(tǒng)的57%和碟式系統(tǒng)的39%；如果擴(kuò)大到100MW的規(guī)模，新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的投資成本將可以進(jìn)一步降至2萬元/kW以下，熱發(fā)電成本預(yù)期為0.5元/度。太陽能熱發(fā)電技術(shù)的最關(guān)鍵設(shè)備——新型分立式太陽能聚光接收器，不僅使我國完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，而且可以做到比國外現(xiàn)行的塔式、槽式、碟式太陽能接收器更為高效和經(jīng)濟(jì)。
目前，采用新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的小型試驗(yàn)電站正在設(shè)計(jì)研制之中，其反射鏡的特殊高次曲面已在前面圖5～圖7中展示的新型太陽灶(60個(gè)太陽聚光)、高倍聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)(300個(gè)太陽聚光)和新型太陽爐(1萬個(gè)太陽聚光)三個(gè)應(yīng)用上顯示出了其高效率、低成本的威力。目前應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電的技術(shù)關(guān)鍵是要保證這種特殊曲面在一次成型和大批量制造時(shí)的精度，以使高次曲面更加逼近。
諸多行業(yè)的發(fā)展事實(shí)已經(jīng)證明，關(guān)鍵技術(shù)是買不來的，能買到的或能買來時(shí)已不是關(guān)鍵技術(shù)。鑒于技術(shù)本身的成熟度、在我國的適用性以及關(guān)鍵技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的缺失等問題，塔式系統(tǒng)、槽式系統(tǒng)是否值得巨資買進(jìn)來、在我國開展大規(guī)模示范還需冷靜而深入地仔細(xì)研究；建立在新的聚光跟蹤理論突破基礎(chǔ)之上的、更為經(jīng)濟(jì)高效且具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)，則為我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)真正自主創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)的跨越式發(fā)展提供了一個(gè)寶貴機(jī)遇。
由于太陽能輻射到地球表面的能量密度比較低，因此，無論是對(duì)于太陽能光伏發(fā)電還是太陽能熱發(fā)電，能否經(jīng)濟(jì)高效利用太陽能的關(guān)鍵在于太陽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，在太陽能上應(yīng)用一直是個(gè)難題。當(dāng)時(shí)在英國劍橋大學(xué)和美國加州理工學(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)用于太陽能的理論與公式。為了將其優(yōu)點(diǎn)在太陽能聚光應(yīng)用上充分發(fā)揮出來，他打破了傳統(tǒng)的采用方位角-仰角的太陽跟蹤方法，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)新的太陽聚光跟蹤理論，被國際著名太陽能專家——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，在國際學(xué)界引起巨大反響。經(jīng)國際太陽能權(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)：
1、新的高次曲面比傳統(tǒng)幾何鏡面(球面或拋物面等)的聚光倍數(shù)提高幾倍甚至十幾倍。即使在入射角變化的情況下，也能夠有效地消除太陽光斑的象差，從而使聚光的倍數(shù)大大增加，并第一次實(shí)現(xiàn)了聚光與跟蹤同時(shí)進(jìn)行的設(shè)計(jì)模式。
2、用更簡(jiǎn)單、更可靠的方法實(shí)現(xiàn)目前國外難以做到的固定目標(biāo)下的跟蹤。跟蹤太陽運(yùn)動(dòng)的部分只限于聚光鏡，而聚光目標(biāo)不必同聚光鏡一同運(yùn)動(dòng)，因而整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械大大簡(jiǎn)化、重量大大減少，這是新型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的成本能夠大幅度下降的一個(gè)重要原因。
3、各種變型的設(shè)計(jì)可用于不同的工作環(huán)境和工作要求，操作系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化。新的聚光跟蹤理論可應(yīng)用于地球上任何一點(diǎn)、任何位置、任何朝向的定日鏡，因此可以使用單個(gè)集成線路代替復(fù)雜的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
基礎(chǔ)理論的突破往往帶來重大的技術(shù)革新。新的聚光跟蹤理論為太陽能的高效經(jīng)濟(jì)利用開辟了一條全新的途徑。各種更廉價(jià)、更高效的太陽能聚光接收器正在被陸續(xù)開發(fā)出來，從幾個(gè)太陽聚光的新型光伏發(fā)電系統(tǒng)(見圖4)、幾十個(gè)太陽聚光的新型太陽灶(見圖5)、幾百個(gè)太陽聚光的高集中度的光伏發(fā)電系統(tǒng)(見圖6)、再到成千上萬個(gè)太陽聚光的高溫太陽爐(見圖7)，理論突破的巨大威力已經(jīng)得到實(shí)踐的成功檢驗(yàn)。
二、新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)有什么特點(diǎn)?
新的聚光跟蹤理論應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電技術(shù)，則為結(jié)合塔式和槽式的優(yōu)點(diǎn)、消除兩者的缺陷提供了實(shí)現(xiàn)手段。按照新的聚光跟蹤理論而設(shè)計(jì)的新型分立式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的示意圖(見圖8)，其中聚光反射鏡采用特殊的高次曲面來取代傳統(tǒng)的平面、球面、拋物面、雙曲面，聚光反射鏡的跟蹤采用自旋-仰角的控制方法，新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)具有塔式或槽式難以兼顧的3大優(yōu)點(diǎn)：(1)聚焦光斑小而且均勻，光熱轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到80%(高于槽式)，聚焦溫度高達(dá)500～1000度如塔式；(2)被聚焦的目標(biāo)可以固定不動(dòng)如塔式，使得系統(tǒng)機(jī)械大大簡(jiǎn)化并且散熱損失小；各反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)速率和方向完全一致如槽式，因此控制系統(tǒng)極為簡(jiǎn)單且安裝調(diào)試非常方便；(3)反射鏡可以做成3米×3米或5米×5米的單體，抗風(fēng)性能大大增強(qiáng)。
建立在新的聚光跟蹤理論基礎(chǔ)上的這一新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)路線已經(jīng)得到國際學(xué)術(shù)界和工程界的高度評(píng)價(jià)。2004年在國外從事塔式、槽式技術(shù)的5位世界著名太陽能熱發(fā)電技術(shù)專家，包括以色列特拉維夫大學(xué)(AVIV)流體力學(xué)和熱傳導(dǎo)系系主任Kribus博士、以色列Weizmann研究所環(huán)境科學(xué)和能源研究室主任J. Karni博士、德國空間研究中心(DLR)熱力學(xué)技術(shù)研究所研究員R. Buck博士和A. Pfahl博士以及英國劍橋大學(xué)工程系教授T.P. Bligh博士聯(lián)合陳應(yīng)天博士在《Solar Energy Engineering》上發(fā)表了他們對(duì)這一新型定日鏡技術(shù)的肯定，并通過大量的計(jì)算證明采用新的自旋-仰角跟蹤方法會(huì)比傳統(tǒng)的方位角-仰角跟蹤方法的聚光效率提高10%-30%。
三、新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)和塔式、槽式、碟式系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較
塔式、槽式、碟式和新型分立式四種太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能(包括工作溫度、太陽聚光倍數(shù)、光熱轉(zhuǎn)換效率、熱發(fā)電投資成本)對(duì)比見表1所示。
由表1可見，新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)比塔式、槽式、碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)具有更優(yōu)的性價(jià)比。如果建設(shè)一個(gè)50MW規(guī)模的單獨(dú)使用太陽能的熱發(fā)電電站，采用新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的電站投資成本可以做到2.5萬元/kW，這僅僅是國外目前塔式系統(tǒng)投資成本的52%、槽式系統(tǒng)的57%和碟式系統(tǒng)的39%；如果擴(kuò)大到100MW的規(guī)模，新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的投資成本將可以進(jìn)一步降至2萬元/kW以下，熱發(fā)電成本預(yù)期為0.5元/度。太陽能熱發(fā)電技術(shù)的最關(guān)鍵設(shè)備——新型分立式太陽能聚光接收器，不僅使我國完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，而且可以做到比國外現(xiàn)行的塔式、槽式、碟式太陽能接收器更為高效和經(jīng)濟(jì)。
目前，采用新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的小型試驗(yàn)電站正在設(shè)計(jì)研制之中，其反射鏡的特殊高次曲面已在前面圖5～圖7中展示的新型太陽灶(60個(gè)太陽聚光)、高倍聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)(300個(gè)太陽聚光)和新型太陽爐(1萬個(gè)太陽聚光)三個(gè)應(yīng)用上顯示出了其高效率、低成本的威力。目前應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電的技術(shù)關(guān)鍵是要保證這種特殊曲面在一次成型和大批量制造時(shí)的精度，以使高次曲面更加逼近。
諸多行業(yè)的發(fā)展事實(shí)已經(jīng)證明，關(guān)鍵技術(shù)是買不來的，能買到的或能買來時(shí)已不是關(guān)鍵技術(shù)。鑒于技術(shù)本身的成熟度、在我國的適用性以及關(guān)鍵技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的缺失等問題，塔式系統(tǒng)、槽式系統(tǒng)是否值得巨資買進(jìn)來、在我國開展大規(guī)模示范還需冷靜而深入地仔細(xì)研究；建立在新的聚光跟蹤理論突破基礎(chǔ)之上的、更為經(jīng)濟(jì)高效且具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型分立式太陽能熱發(fā)電技術(shù)，則為我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)真正自主創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)的跨越式發(fā)展提供了一個(gè)寶貴機(jī)遇。
