一、新的太陽聚光和跟蹤理論有什么優(yōu)點?
由于太陽能輻射到地球表面的能量密度比較低，因此，無論是對于太陽能光伏發(fā)電還是太陽能熱發(fā)電，能否經(jīng)濟高效利用太陽能的關鍵在于太陽聚光和跟蹤水平的優(yōu)劣。上世紀80年代自適應光學在近代精密光學中取得很大成功，但由于控制系統(tǒng)極其復雜且價格高昂，在太陽能上應用一直是個難題。當時在英國劍橋大學和美國加州理工學院任高級研究員的陳應天博士提出了一種利用行與列的運動來代替點的二維運動的新的數(shù)學控制模式，這樣由子鏡組成的光學矩陣鏡面的控制可以由幾何級數(shù)大大減少為代數(shù)級數(shù)。陳應天用8年時間完成了這個新的行列控制理論的完整數(shù)學模型，并發(fā)展出了將其一般理論應用于太陽能的理論與公式。為了將其優(yōu)點在太陽能聚光應用上充分發(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，在世界上第一個提出了采用自旋-仰角的跟蹤公式。這個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的Kribus教授評論為“在一個多年幾乎沒有進展的定日鏡領域中的第一個突破”。世界最權威的太陽能刊物《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，在國際學界引起巨大反響。經(jīng)國際太陽能權威機構進行嚴格地分析比較后證明，根據(jù)新的聚光跟蹤理論推導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上的新型定日鏡技術具有以下三大優(yōu)點：
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，并第一次實現(xiàn)了聚光與跟蹤同時進行的設計模式。
2、用更簡單、更可靠的方法實現(xiàn)目前國外難以做到的固定目標下的跟蹤。跟蹤太陽運動的部分只限于聚光鏡，而聚光目標不必同聚光鏡一同運動，因而整個系統(tǒng)的機械大大簡化、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重要原因。
3、各種變型的設計可用于不同的工作環(huán)境和工作要求，操作系統(tǒng)大大簡化。新的聚光跟蹤理論可應用于地球上任何一點、任何位置、任何朝向的定日鏡，因此可以使用單個集成線路代替復雜的計算機控制系統(tǒng)。
基礎理論的突破往往帶來重大的技術革新。新的聚光跟蹤理論為太陽能的高效經(jīng)濟利用開辟了一條全新的途徑。各種更廉價、更高效的太陽能聚光接收器正在被陸續(xù)開發(fā)出來，從幾個太陽聚光的新型光伏發(fā)電系統(tǒng)(見圖4)、幾十個太陽聚光的新型太陽灶(見圖5)、幾百個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)得到實踐的成功檢驗。
二、新型分立式太陽能熱發(fā)電技術有什么特點?
新的聚光跟蹤理論應用于太陽能熱發(fā)電技術，則為結合塔式和槽式的優(yōu)點、消除兩者的缺陷提供了實現(xiàn)手段。按照新的聚光跟蹤理論而設計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)電技術具有塔式或槽式難以兼顧的3大優(yōu)點：(1)聚焦光斑小而且均勻，光熱轉換效率可以達到80%(高于槽式)，聚焦溫度高達500～1000度如塔式；(2)被聚焦的目標可以固定不動如塔式，使得系統(tǒng)機械大大簡化并且散熱損失??；各反射鏡的轉動速率和方向完全一致如槽式，因此控制系統(tǒng)極為簡單且安裝調(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，抗風性能大大增強。
建立在新的聚光跟蹤理論基礎上的這一新型分立式太陽能熱發(fā)電技術路線已經(jīng)得到國際學術界和工程界的高度評價。2004年在國外從事塔式、槽式技術的5位世界著名太陽能熱發(fā)電技術專家，包括以色列特拉維夫大學(AVIV)流體力學和熱傳導系系主任Kribus博士、以色列Weizmann研究所環(huán)境科學和能源研究室主任J. Karni博士、德國空間研究中心(DLR)熱力學技術研究所研究員R. Buck博士和A. Pfahl博士以及英國劍橋大學工程系教授T.P. Bligh博士聯(lián)合陳應天博士在《Solar Energy Engineering》上發(fā)表了他們對這一新型定日鏡技術的肯定，并通過大量的計算證明采用新的自旋-仰角跟蹤方法會比傳統(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)電技術和塔式、槽式、碟式系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性比較
塔式、槽式、碟式和新型分立式四種太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性能(包括工作溫度、太陽聚光倍數(shù)、光熱轉換效率、熱發(fā)電投資成本)對比見表1所示。
由表1可見，新型分立式太陽能熱發(fā)電技術比塔式、槽式、碟式太陽能熱發(fā)電技術具有更優(yōu)的性價比。如果建設一個50MW規(guī)模的單獨使用太陽能的熱發(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%；如果擴大到100MW的規(guī)模，新型分立式太陽能熱發(fā)電技術的投資成本將可以進一步降至2萬元/kW以下，熱發(fā)電成本預期為0.5元/度。太陽能熱發(fā)電技術的最關鍵設備——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產(chǎn)權，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。
目前，采用新型分立式太陽能熱發(fā)電技術的小型試驗電站正在設計研制之中，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個太陽聚光)、高倍聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)(300個太陽聚光)和新型太陽爐(1萬個太陽聚光)三個應用上顯示出了其高效率、低成本的威力。目前應用于太陽能熱發(fā)電的技術關鍵是要保證這種特殊曲面在一次成型和大批量制造時的精度，以使高次曲面更加逼近。
諸多行業(yè)的發(fā)展事實已經(jīng)證明，關鍵技術是買不來的，能買到的或能買來時已不是關鍵技術。鑒于技術本身的成熟度、在我國的適用性以及關鍵技術自主知識產(chǎn)權的缺失等問題，塔式系統(tǒng)、槽式系統(tǒng)是否值得巨資買進來、在我國開展大規(guī)模示范還需冷靜而深入地仔細研究；建立在新的聚光跟蹤理論突破基礎之上的、更為經(jīng)濟高效且具有完全自主知識產(chǎn)權的新型分立式太陽能熱發(fā)電技術，則為我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)真正自主創(chuàng)新和關鍵技術的跨越式發(fā)展提供了一個寶貴機遇。
由于太陽能輻射到地球表面的能量密度比較低，因此，無論是對于太陽能光伏發(fā)電還是太陽能熱發(fā)電，能否經(jīng)濟高效利用太陽能的關鍵在于太陽聚光和跟蹤水平的優(yōu)劣。上世紀80年代自適應光學在近代精密光學中取得很大成功，但由于控制系統(tǒng)極其復雜且價格高昂，在太陽能上應用一直是個難題。當時在英國劍橋大學和美國加州理工學院任高級研究員的陳應天博士提出了一種利用行與列的運動來代替點的二維運動的新的數(shù)學控制模式，這樣由子鏡組成的光學矩陣鏡面的控制可以由幾何級數(shù)大大減少為代數(shù)級數(shù)。陳應天用8年時間完成了這個新的行列控制理論的完整數(shù)學模型，并發(fā)展出了將其一般理論應用于太陽能的理論與公式。為了將其優(yōu)點在太陽能聚光應用上充分發(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，在世界上第一個提出了采用自旋-仰角的跟蹤公式。這個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的Kribus教授評論為“在一個多年幾乎沒有進展的定日鏡領域中的第一個突破”。世界最權威的太陽能刊物《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，在國際學界引起巨大反響。經(jīng)國際太陽能權威機構進行嚴格地分析比較后證明，根據(jù)新的聚光跟蹤理論推導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上的新型定日鏡技術具有以下三大優(yōu)點：
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，并第一次實現(xiàn)了聚光與跟蹤同時進行的設計模式。
2、用更簡單、更可靠的方法實現(xiàn)目前國外難以做到的固定目標下的跟蹤。跟蹤太陽運動的部分只限于聚光鏡，而聚光目標不必同聚光鏡一同運動，因而整個系統(tǒng)的機械大大簡化、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重要原因。
3、各種變型的設計可用于不同的工作環(huán)境和工作要求，操作系統(tǒng)大大簡化。新的聚光跟蹤理論可應用于地球上任何一點、任何位置、任何朝向的定日鏡，因此可以使用單個集成線路代替復雜的計算機控制系統(tǒng)。
基礎理論的突破往往帶來重大的技術革新。新的聚光跟蹤理論為太陽能的高效經(jīng)濟利用開辟了一條全新的途徑。各種更廉價、更高效的太陽能聚光接收器正在被陸續(xù)開發(fā)出來，從幾個太陽聚光的新型光伏發(fā)電系統(tǒng)(見圖4)、幾十個太陽聚光的新型太陽灶(見圖5)、幾百個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)得到實踐的成功檢驗。
二、新型分立式太陽能熱發(fā)電技術有什么特點?
新的聚光跟蹤理論應用于太陽能熱發(fā)電技術，則為結合塔式和槽式的優(yōu)點、消除兩者的缺陷提供了實現(xiàn)手段。按照新的聚光跟蹤理論而設計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)電技術具有塔式或槽式難以兼顧的3大優(yōu)點：(1)聚焦光斑小而且均勻，光熱轉換效率可以達到80%(高于槽式)，聚焦溫度高達500～1000度如塔式；(2)被聚焦的目標可以固定不動如塔式，使得系統(tǒng)機械大大簡化并且散熱損失??；各反射鏡的轉動速率和方向完全一致如槽式，因此控制系統(tǒng)極為簡單且安裝調(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，抗風性能大大增強。
建立在新的聚光跟蹤理論基礎上的這一新型分立式太陽能熱發(fā)電技術路線已經(jīng)得到國際學術界和工程界的高度評價。2004年在國外從事塔式、槽式技術的5位世界著名太陽能熱發(fā)電技術專家，包括以色列特拉維夫大學(AVIV)流體力學和熱傳導系系主任Kribus博士、以色列Weizmann研究所環(huán)境科學和能源研究室主任J. Karni博士、德國空間研究中心(DLR)熱力學技術研究所研究員R. Buck博士和A. Pfahl博士以及英國劍橋大學工程系教授T.P. Bligh博士聯(lián)合陳應天博士在《Solar Energy Engineering》上發(fā)表了他們對這一新型定日鏡技術的肯定，并通過大量的計算證明采用新的自旋-仰角跟蹤方法會比傳統(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)電技術和塔式、槽式、碟式系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性比較
塔式、槽式、碟式和新型分立式四種太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性能(包括工作溫度、太陽聚光倍數(shù)、光熱轉換效率、熱發(fā)電投資成本)對比見表1所示。
由表1可見，新型分立式太陽能熱發(fā)電技術比塔式、槽式、碟式太陽能熱發(fā)電技術具有更優(yōu)的性價比。如果建設一個50MW規(guī)模的單獨使用太陽能的熱發(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%；如果擴大到100MW的規(guī)模，新型分立式太陽能熱發(fā)電技術的投資成本將可以進一步降至2萬元/kW以下，熱發(fā)電成本預期為0.5元/度。太陽能熱發(fā)電技術的最關鍵設備——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產(chǎn)權，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。
目前，采用新型分立式太陽能熱發(fā)電技術的小型試驗電站正在設計研制之中，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個太陽聚光)、高倍聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)(300個太陽聚光)和新型太陽爐(1萬個太陽聚光)三個應用上顯示出了其高效率、低成本的威力。目前應用于太陽能熱發(fā)電的技術關鍵是要保證這種特殊曲面在一次成型和大批量制造時的精度，以使高次曲面更加逼近。
諸多行業(yè)的發(fā)展事實已經(jīng)證明，關鍵技術是買不來的，能買到的或能買來時已不是關鍵技術。鑒于技術本身的成熟度、在我國的適用性以及關鍵技術自主知識產(chǎn)權的缺失等問題，塔式系統(tǒng)、槽式系統(tǒng)是否值得巨資買進來、在我國開展大規(guī)模示范還需冷靜而深入地仔細研究；建立在新的聚光跟蹤理論突破基礎之上的、更為經(jīng)濟高效且具有完全自主知識產(chǎn)權的新型分立式太陽能熱發(fā)電技術，則為我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)真正自主創(chuàng)新和關鍵技術的跨越式發(fā)展提供了一個寶貴機遇。
