基于AM TEC的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的可行性研究

肖 蘭,吳雙應(yīng),李友榮

(重慶大學(xué)動力工程學(xué)院,重慶 400044)

0 引 言

太陽能熱發(fā)電作為人類開發(fā)和利用太陽能資源的主要方式之一,目前常用的系統(tǒng)有以聚光型加熱的槽式線聚焦系統(tǒng)、用定日鏡聚光的塔式系統(tǒng)和采用旋狀拋物面聚光鏡的點聚焦-斯特林(stirling)碟式系統(tǒng)。已有的三種聚光型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)都用熱機和發(fā)電機來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換,在槽式和塔式系統(tǒng)中用的是傳統(tǒng)的蒸汽輪機作原動機,這樣的系統(tǒng)只有在大容量發(fā)電的場合才能獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo);而配以斯特林發(fā)電機的拋物面碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)則有比較優(yōu)良的性能指標(biāo),現(xiàn)有研究結(jié)果表明,碟式斯特林系統(tǒng)光學(xué)效率高,跟蹤誤差低,啟動損失小,光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)85%左右,在三類系統(tǒng)中位居首位,也是目前利用太陽能熱發(fā)電效率最高的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),其熱發(fā)電效率最高可達(dá)到29.4%。然而,應(yīng)當(dāng)指出的是,傳統(tǒng)的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的斯特林發(fā)電機需要用氫或氦作工質(zhì),工作壓力高達(dá)150個大氣壓,增加了斯特林發(fā)動機的制造難度,目前在我國還缺乏成熟的斯特林熱機的制造技術(shù),從國外進(jìn)口又受到國外高技術(shù)出口的限制,因此,斯特林碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在我國的發(fā)展受到嚴(yán)重的技術(shù)阻礙而進(jìn)展緩慢;不僅如此,所有這些帶有運動部件的系統(tǒng)都包含了可觀的維護(hù)工作量和必須的運行維護(hù)費用;以上也是造成目前的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的初投資和運行成本較高的原因之一。于是,有相關(guān)學(xué)者提出了把無運動部件、無聲而且不需維護(hù)的直接發(fā)電器件來替代上述能量轉(zhuǎn)換部件的思路。中國科學(xué)院電工研究所于2004年6月10日在北京通縣高溫實驗場成功地實現(xiàn)了太陽能聚光熱發(fā)電的實驗。這是我國首次采用碟式太陽能聚光技術(shù)進(jìn)行的太陽能熱發(fā)電。該項目的熱電轉(zhuǎn)換部分嘗試使用了熱電轉(zhuǎn)換材料,這在世界上屬于首次。這說明采用直接發(fā)電器件實現(xiàn)高效率點聚焦太陽能熱直接發(fā)電是完全可行的。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器 (Alkali Metal Thermoelectric Converter,AMTEC)作為直接發(fā)電器件中的一種,除了無運動部件、無聲、無需維護(hù)、工作可靠和高效潔凈之外,而且它還是一種低電壓面積型器件,功率密度高;可以靠模塊組合構(gòu)成不同規(guī)模的發(fā)電裝置,而且能量轉(zhuǎn)換效率與裝置容量無關(guān),因而頗受人們的關(guān)注。如果把點聚焦一斯特體系統(tǒng)中的斯特林發(fā)動機/發(fā)電機組以堿金屬熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電器件取而代之,那么就構(gòu)成了點聚焦碟式太陽能熱直接發(fā)電系統(tǒng)。本文則提出一種通過分離式熱管耦合的基于AMTEC的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),并對其可行性進(jìn)行分析和研究。

1 AM TEC工作原理

堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器是以β″氧化鋁固體電解質(zhì)(Beta″Alumina Solid Electrolyte,BASE)為離子選擇性滲透膜,以液態(tài)或氣態(tài)堿金屬為循環(huán)工質(zhì)的高效面積型熱電能量直接轉(zhuǎn)換裝置,熱電轉(zhuǎn)換效率理論上可達(dá)30～40%。目前一般用 Na-BASE為陽離子選擇性導(dǎo)體。AMTEC適用于太陽能、核能、化石能等多種形式的熱源。不論在地面還是空間,都有很好的應(yīng)用前景,特別是作為地面分布式電源,在國內(nèi)外已引起了廣泛的關(guān)注。圖1為一個以氣態(tài)鈉為工質(zhì)的AMTEC工作原理圖。溫度為 T1(400～700 K)的液態(tài)鈉從冷凝器由電磁泵或毛細(xì)管吸液芯驅(qū)動進(jìn)入蒸發(fā)器,蒸發(fā)器從熱源吸收熱能使液態(tài)鈉氣化并進(jìn)入高溫區(qū),溫度升高到 T2(900～1 300 K)。高溫氣態(tài)鈉在多孔薄膜陽極與固體電解質(zhì)的界面處發(fā)生電離:Na→e+Na+。由于β″氧化鋁固體電解質(zhì)是一種陽離子電導(dǎo)率很高而電子電導(dǎo)率很低的固體電解質(zhì),從而具有離子選擇性滲透膜的功能。因此,由BASE兩側(cè)鈉蒸氣壓力差決定的化學(xué)勢梯度驅(qū)使Na+穿過β″氧化鋁固體電解質(zhì),向低壓側(cè)的固體電解質(zhì)與多孔薄膜陰極界面遷移,而電子則在多孔薄膜陽極與固體電解質(zhì)的界面處積聚。當(dāng)外電路接通時,電子經(jīng)負(fù)載到達(dá)多孔薄膜陰極,在BASE多孔薄膜陰極界面與鈉離子復(fù)合成中性鈉原子,Na++e→Na。鈉原子吸收氣化熱而蒸發(fā),以氣相到達(dá)冷凝器表面,釋放出凝結(jié)熱。凝結(jié)的鈉,由電磁泵或毛細(xì)吸液芯結(jié)構(gòu)驅(qū)動進(jìn)入蒸發(fā)器,以循環(huán)使用。因此,堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器只要求聚光鏡焦斑處的溫度不低于900 K就能實現(xiàn)高效發(fā)電,而碟式太陽能聚光吸熱系統(tǒng)能提供600～2 000℃的高溫,這一溫度正好與堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器能高效發(fā)電所要求的一致。

圖1 以氣態(tài)鈉為工質(zhì)的AMTEC工作原理圖Fig.1 Working principle of AMTEC with sodium vapor as working fluid

2 基于AMTEC的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

如圖2(a),(b)給出了基于AMTEC的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的示意圖,其中圖2(a)中AMTEC回路動力由電磁泵提供,圖2(b)中的AMTEC回路動力則由毛細(xì)泵提供。從圖中可看出,碟式太陽能集熱系統(tǒng)和AMTEC熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通過分離式高溫?zé)峁荞詈显谝黄?高溫?zé)峁艿睦淠我布礊锳MTEC回路的蒸發(fā)段,且高溫?zé)峁芎虯MTEC回路中的工質(zhì)均可采用堿金屬鈉。顯然,該系統(tǒng)的總體熱電轉(zhuǎn)換性能分別由碟式太陽能集熱系統(tǒng)的熱性能和AMTEC的熱電轉(zhuǎn)換性能決定。

圖2 基于AM TEC的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)Fig.2 Parabolic dish/AM TEC solar thermal power system

3 初步性能分析結(jié)果

如前所述,碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的總體熱電轉(zhuǎn)換效率為

式中:ηc和ηAMTEC分別為碟式太陽能集熱系統(tǒng)的熱效率和AMTEC的熱電轉(zhuǎn)換效率。而碟式太陽能集熱系統(tǒng)的熱效率 ηc定義為集熱器所吸收的有用能量Qu與照射到碟式集熱器上的太陽能量Qs之比,如圖3所示。即

如果碟式集熱器的采光口面積為 Aa,太陽能的能流密度為 qs,則

在穩(wěn)態(tài)情況下:

式中:入射到接收器的能量 Qr取決于集熱器的光學(xué)效率ηo,即

吸熱器效率ηr定義為

圖3 碟式太陽能集熱模型Fig.3 Parabolic dish collector model

聯(lián)合式 (2),(4),(5)和 (6),則集熱器的熱效率可寫為

式中:Ql為吸熱器的總的熱損失,集熱器的光學(xué)效率可寫為

式中:ρ為反射率,根據(jù)碟式集熱器材料的不同,其值一般在0.9～0.95;截光率 γ一般超過95%[1],總的穿透-吸收率 τ α可取0.8～0.9.

吸熱器的總的熱損失 Ql包括導(dǎo)熱損失Qlk,吸熱器采光口對流損失 Qlc和采光口的輻射熱損失Qlr三部分組成,即

考慮到吸熱器保溫材料良好的絕熱性能,吸熱器的導(dǎo)熱損失 Qlk可近似取為0。如暫只考慮自然對流熱損失,可采用下式計算對流散熱損失系數(shù)[2,3]

式中:GrL=gβ(Tw-Ta)L3/V2;s=0.56-1.01(Ac/Aw)1/2;h(φ)=1.167 7-1.076 2 sin(φ0.8324)

于是對流熱損失為

式中:GrL為格拉曉夫數(shù);Ac為吸熱器采光口面積;Aw為吸熱器腔體內(nèi)表面積;φ為吸熱器腔體傾角;L為腔體特征尺寸;Tw為腔體平均運行壁溫;Ta為環(huán)境溫度。

吸熱器輻射熱損失為[4]

當(dāng)腔體內(nèi)表面發(fā)射率為0.8～1和 Aw/Ac＞5時,腔體有效發(fā)射率 εeff接近于1[5]。

如果吸熱器腔體的平均運行壁溫 Tw與熱管吸熱器的蒸發(fā)溫度Tev,hp之差為ΔTw-hp,熱管吸熱器的蒸發(fā)溫度 Tev,hp與AMTEC回路蒸發(fā)器溫度 Tev之差為ΔThp-ev,則有

一般 ΔTw-hp+ΔThp-ev＜50 K,和 Tw和Tev相比很小;同時忽略鈉蒸汽從蒸發(fā)器到達(dá)BASE高壓側(cè)的溫降,即假定 Tev與AMTEC回路中的BASE溫度 TB相等,于是有 TB=Tev=Tw。

在忽略焦耳熱損失和電磁泵 (如采用)功耗的情況下,AMTEC的熱電轉(zhuǎn)換效率為[6]

式中:J為電極電流密度;Vcoc為有效電動勢;Rint為BASE的比內(nèi)阻;Pa為BASE和陽極界面鈉蒸汽壓力;Pccc為BASE和陰極界面鈉蒸汽壓力;fB為系數(shù);cpl為液態(tài)鈉比熱;Tcd為AMTEC回路冷凝器溫度;hfg為鈉的汽化潛熱;M為鈉的分子量;F為法拉第常數(shù);qrad為輻射熱損失。由于篇幅限制,式中有關(guān)量的選取和計算這里不在贅述。

圖4 ηc、ηAMTEC和ηoverall隨 Tw的變化關(guān)系Fig.4 Variation of ηc、 ηAMTECand ηoverallwith Tw

如圖4給出了在 Aa=100 m2,qs=900 W/m2,ρ=0.94,τ α=0.9, γ=0.99,Ta=2 98 K 下的計算結(jié)果。從圖中可看出,ηc隨 Tw單調(diào)遞減,ηAMTEC隨 Tw單調(diào)遞增,總體 ηoverall隨 Tw增加先增大后減小,但減小的趨勢較緩慢,即存在一最佳的 Tw,使得 ηoverall最大,在本文的條件下,ηoverall可達(dá)到20%左右,而對應(yīng)的工作溫度為1 280 K。

4 結(jié)論及需進(jìn)一步研究的問題

提出了一種基于AMTEC的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。初步性能分析結(jié)果表明,在一定的參數(shù)條件下,該系統(tǒng)的總體熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到20.6%,該系統(tǒng)在碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中具有一定的競爭力。最后需指出的是,為實現(xiàn)該系統(tǒng)的實用化和產(chǎn)業(yè)化,仍然還有一些問題需要解決,如用毛細(xì)泵代替電磁泵時高溫堿金屬液體在毛細(xì)多孔介質(zhì)中的熱質(zhì)傳輸問題;碟式太陽能集熱器中高溫腔式吸熱器的對流散熱問題;以及為進(jìn)一步提高整個系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率,AMTEC回路中的冷凝熱如何回收的問題等。

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