新型固定圆柱面镜聚光集热器：开启太阳能热利用新纪元

黄卫东

在全球 “双碳” 目标引领下，可再生能源已成为能源转型的核心力量。太阳能作为储量最丰富、分布最广泛的清洁能源，其热利用技术在工业生产、电力供应、建筑供暖等领域的应用前景日益广阔。然而，传统太阳能聚光设备长期面临效率偏低、运行时间短、成本高企、维护复杂等痛点，严重制约了太阳能热利用的规模化商业落地。

在此背景下，我们中国科学技术大学科研团队历经多年攻关，成功研发出一款集超高效率、结构简化、稳定长效于一体的革命性太阳能热利用设备——方位跟踪固定圆柱面镜太阳能聚光集热器（ATFMSC）。该产品通过创新设计突破传统技术瓶颈，纬度40度下，年平均净热效率最高可达61%，远超同类产品，为全球太阳能热利用产业带来了颠覆性解决方案，更为企业客户创造了可观的商业价值与可持续发展空间。

工作原理图

传统太阳能聚光设备存在四大缺陷

在ATFMSC问世之前，市面上主流的太阳能聚光设备主要包括槽式、碟式、塔式以及传统固定镜太阳能聚光集热器（FMSC）等，但均存在难以克服的核心缺陷。

效率不足。传统FMSC在运行温度超过260℃后，效率大幅下滑，400℃时净热效率不足40%；抛物槽聚光器受限于单轴跟踪设计，纬度大禹40度后，年平均余弦因子低于 0.82，整体效率难以突破50%。

运行时间短。传统设备受太阳入射角影响显著，早晚时段因入射角过大导致效率骤降，甚至无法运行，部分设备日均有效运行时间不足6小时。

成本高企。碟式聚光器、塔式聚光器等需要复杂的双轴跟踪系统，反射镜组体积庞大、安装难度高，制造成本是普通设备的2-3倍，跟踪误差大，性能不稳定；抛物槽聚光器在高纬度下效率显著下降，不足50%，导致需要更多反射镜，从而成本高。

维护复杂。双轴跟踪设备的机械结构精密，易受风力、沙尘等环境因素影响，故障频次高，每年维护成本占设备总投资的15%以上，且难以实现大规模集群应用。

这些痛点导致太阳能热利用在工业中等温度热（80-400℃）领域竞争力低，在发电领域成本高，难以与燃煤热发电竞争，企业客户面临 “想用上、用不起、用不好” 的困境。而 ATFMSC的出现，正是为了彻底破解这些行业难题。

迭代升级产品核心创新在于组合设计

我们研发的ATFMSC是基于传统FMSC技术的升级迭代产品，核心创新在于“固定反射镜 + 方位角跟踪 + 优化布局”的组合设计：

核心结构是由一组固定在凹圆柱面上的狭长圆柱面反射镜、可沿圆周路径移动的接收器，以及方位角跟踪装置构成。反射镜采用间隔式布局，避免入射角度大于20° 时的邻镜遮挡；跟踪装置驱动整个聚光器绕垂直地面轴转动，实时追踪太阳方位。

工作原理是通过方位角跟踪确保太阳纵向入射角始终为零，彻底消除聚光器的端部能量损失；如图所示，多个反射镜布置在圆周上，按固定条形镜原理设计，反射镜按特定角度倾斜，倾斜角为对应中心角的四分之一，无论太阳入射角如何变化，中心光线均可精准聚焦于接收器；间隔式布局减少遮挡损耗，进一步提升光学性能。

在关键设计参数方面，我们经过数千次模拟与验证，将最优设计参数设为：参考半径16.5m、接收器宽度 0.5m、反射镜宽度0.5m，反射率0.92，接收器吸收率与透射率乘积0.90，在总光学误差 4mrad的实际工况下，实现性能与成本的完美平衡。

总而言之，ATFMSC既保留了传统FMSC 固定反射镜”的结构简化优势，又通过“方位角跟踪”和“优化布局”解决了效率与运行时间的核心痛点，实现了“结构简单，效率领先”的产品定位。

三大核心优势定义太阳能热利用标准

我们研发的ATFMSC有三大核心优势。

第一个优势是以61%超高净热效率，成为领跑行业标杆。效率是太阳能设备的核心竞争力，成本与效率成反比。我们的ATFMSC设备在运行温度 400℃（工业中等温度热核心需求区间）时，年平均净热效率高达61%，远超传统FMSC（400℃时不足40%）、抛物槽聚光器（约50%），甚至优于塔式系统，仅次于双轴跟踪碟式聚光器。这一突破得益于三大设计：一是方位角跟踪消除纵向入射角损失，让设备全天保持高光学效率；二是反射镜间隔布局减少遮挡，遮挡损失可忽略不仅；三是精准的光学建模与参数优化，拦截因子和余弦因子可达97%，即使光学误差达到4mrad，拦截因子仍保持在94%以上。

对于企业客户而言，61%的净热效率意味着：相同装机容量下，ATFMSC每年可多产生20% 以上的有效热能，以1000平方米装机面积为例，年节能量相当于80吨标准煤，直接转化为数十万元的能源成本节约。

第二个优势是结构简化，降本30%以上，维护成本锐减。传统高效率太阳能聚光设备往往依赖复杂的双轴跟踪系统，导致制造成本高、维护难度大。ATFMSC反其道而行之，通过 “固定反射镜 + 单轴方位角跟踪” 的极简设计，实现了成本与可靠性的双重突破。

我们的设备制造成本低。由于无需移动庞大的反射镜组，仅通过方位角跟踪装置驱动设备水平转动，机械结构简化60%；所有反射镜共享一个接收器，接收器体积小、成本低，相比抛物槽聚光器的多接收器设计，硬件成本降低30%以上。

我们的设备维护难度低。由于固定反射镜故障率几乎为零，接收器移动部件少、磨损小，年维护频次仅为传统双轴设备的1/3；光学误差主要来自镜面轮廓误差、镜面反射误差和跟踪误差，通过标准化生产可将总误差控制在4mrad以内，无需频繁校准。

我们的设备使用寿命长。由于核心部件反射镜采用高耐候性材料，反射率衰减率每年低于1%，设计使用寿命可达 25年；机械结构简单，抗风载、抗沙尘能力强，适配不同气候条件，从热带到温带均可稳定运行。

第三个优势是稳定长效，可全天高效运行，适配宽温度范围。可以说，ATFMSC彻底改变了传统设备“中午高效、早晚低效”的运行模式，实现了全天稳定高效输出。

我们的设备运行时间长。通过方位角跟踪和优化的倾斜角设计，设备在夏至日可实现近10小时连续运行，春分秋分日运行时间超过8小时，冬至日也能保持6小时以上有效运行，年有效运行小时数突破2000小时，远超传统FMSC的1800小时；

温度适配广。在80-600℃的温度区间内均能保持高效性能，其中400℃以下中等温度区间净热效率稳定在61%以上，600℃时仍可达50%，既能满足工业过程热（如化工、食品、纺织行业的加热、干燥需求），又能适配太阳能发电的高温需求，实现 “一设备多场景”复用；

抗干扰能力强。我们通过高斯分布模型模拟太阳辐射分布，结合光学误差卷积计算，即使在多云、轻度沙尘等复杂天气条件下，仍能保持稳定的效率，避免了传统设备因光线波动导致的效率骤降。

硬核技术支撑创新设计与精准验证

ATFMSC的卓越性能并非偶然，而是建立在扎实的技术创新与严格的验证体系之上。我们在三方面形成了创新设计突破。

一是方位角跟踪技术：通过水平转动跟踪太阳方位，使纵向入射角始终为零，消除端部能量损失，这是其效率远超传统设备的核心原因；

二是反射镜间隔布局：基于几何光学原理，计算最优反射镜间距，在入射角度大于20° 时避免邻镜遮挡，遮挡因子提升至0.98以上；

三是集成化光学模型优化：通过积分有效太阳辐射分布函数，推导出台瞬时光学效率、余弦因子、拦截因子、遮挡因子等关键参数的解析表达式，实现设计参数的精准优化。

此外，我们还通过三重验证确保了设备的可靠性。

第一是实验数据验证：与Georgia Tech大学1975年的FMSC实验数据对比，模型模拟的聚光效率与实验数据偏差小于1%，证明了理论模型的准确性；

第二是光线追踪验证：采用国际权威的Soltrace光线追踪代码验证，不同光学误差下的拦截因子与模型计算结果平均误差仅 0.06%，最大误差 0.2%，确保了光学性能预测的可靠性；

第三是与竞品对比验证：与Nadal团队的FMSC射线追踪结果对比，接收器上的归一化通量密度分布高度吻合，证明了设计的先进性。

与主流竞品对比性能呈全面碾压之势

从对比数据可以清晰看出，ATFMSC在核心性能（效率）、成本控制（制造+维护）、规模化适配性上全面领先，是唯一能同时满足“高效率、低成本、长寿命、易规模化”四大商业需求的太阳能聚光设备。

ATFMSC不仅能为客户节省初始投资，更能通过低维护成本和高能量输出，缩短近30%的投资回报周期，长期收益优势显著。

ATFMSC凭借宽温度适配范围和高稳定性，可广泛应用于工业、能源、建筑三大核心领域，成为企业客户的“一站式太阳能热能解决方案”，在能源转型的浪潮中，选择一款高效、可靠、高收益的可再生能源设备，不仅是企业降低成本、提升竞争力的明智之举，更是助力全球“双碳”目标、实现可持续发展的责任担当。

ATFMSC以 61% 的年平均净热效率、30%的成本优势、25年的稳定运行、全场景的适配能力，重新定义了太阳能热利用的标准，为企业客户提供了“投得起、用得好、赚得多”的理想选择。现在就携手ATFMSC，让太阳能成为企业发展的核心动力，共同书写高效节能、绿色低碳的商业新篇章！

作者简介：黄卫东，博士，安徽庐江人，1965年出生，中国科学技术大学环境科学与工程学副教授退休；主要从事太阳能光学研究，国内外发表学术文章80多篇，内参30多篇。在太阳能热发电领域，提出十多项新型光学设计，多项投入工程应用，如多塔一机技术。