塔式太陽能熱發(fā)電用空氣吸熱器研究綜述

王沛，劉德有，許昌，郭蘇

(河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 210098)

0 引言

塔式太陽能熱發(fā)電是以中央集熱系統(tǒng)(CRS)為核心的一種熱發(fā)電模式，其吸熱器通過定日鏡群將低密度的太陽光熱輻射能聚焦并轉(zhuǎn)化為傳熱工質(zhì)的內(nèi)能，最終僅工質(zhì)進入透平做功產(chǎn)生電能。吸熱器運行的熱效率和穩(wěn)定性直接決定了塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性。

1 塔式系統(tǒng)空氣吸熱器的種類

吸熱器按照傳熱工質(zhì)來區(qū)分主要有熔融鹽、水和空氣3種，對應(yīng)的裝置結(jié)構(gòu)、運行模式和傳熱特性都具有明顯的區(qū)別。

以熔融鹽作為吸熱器工作介質(zhì)的優(yōu)點主要有:系統(tǒng)無壓運行，提高了運行的安全性;工質(zhì)在整個熱力循環(huán)中不產(chǎn)生相變;熱容大，使受熱面能承受較高的熱流密度，從而優(yōu)化了吸熱器的整體結(jié)構(gòu)，減少了制造成本，同時降低了熱損;由于熔融鹽本身具有優(yōu)良的蓄熱特性，使熱力系統(tǒng)的傳熱、蓄熱可共用同一工質(zhì)，極大地簡化了系統(tǒng)。

以水/蒸汽為工質(zhì)的吸熱器實質(zhì)上就是一個由聚焦太陽能為熱源的蒸汽鍋爐。產(chǎn)生的高壓蒸汽直接推動汽輪機發(fā)電，省去了換熱器，簡化了系統(tǒng)。由于基于傳統(tǒng)的鍋爐原理，最早的商業(yè)化電站即是以水為工質(zhì)的西班牙PS10電站。

以空氣為介質(zhì)的吸熱器按熱力循環(huán)類型又可分為開式和閉式2種［1］。開式循環(huán)，吸入的空氣經(jīng)加熱后送入蒸發(fā)器、再熱器、回?zé)崞?、省煤器加熱蒸汽參與朗肯循環(huán)。閉式循環(huán)，經(jīng)壓縮機壓縮后的空氣進入有壓腔體內(nèi)預(yù)熱，然后送入燃燒室混合燃燒再送至燃汽輪機參與布雷頓循環(huán)。根據(jù)工程熱力學(xué)原理，吸熱器空氣出口溫度越高，整個系統(tǒng)效率越高。原有的金屬結(jié)構(gòu)吸熱體由于極限溫度的限制逐漸被泡沫陶瓷(SiSiC，re-SiC)吸熱體取代。泡沫陶瓷具有耐高溫、抗氧化、抗熱震性好，比表面積大，換熱效率高的優(yōu)點，近年來被廣泛用作吸熱器內(nèi)的熱交換載體。目前，世界上主要空氣吸熱器特征參數(shù)見表1。M.Romero等［2］對目前主流的塔式集熱系統(tǒng)進行了回顧和總結(jié)。

2 開式循環(huán)空氣吸熱器的研究

R.D.Skocypec等［3］較早設(shè)計了一種多孔陶瓷材料吸熱器，由Sandia實驗室制造并在PSA進行了測試［4］，由于選擇性涂料影響了孔隙結(jié)構(gòu)的通透性，降低了總體傳熱效率。德國航空航天中心(DLR)的M.B?hmer等使用熱物性更佳的滲硅碳化硅(SiSiC)材料設(shè)計了一種吸熱器，由Hoechst-CeramTec公司制造完成，該吸熱器采用了吸熱塊錯列分布的結(jié)構(gòu)減小輻射熱損。A.Carotenuto等采用相同結(jié)構(gòu)的錯列陶瓷棒吸熱體，給出了測試結(jié)果與理論分析的比較。Pitz-Paal等［5］提出了一種在吸熱體外表面添加玻璃窗的“選擇性”空氣吸熱器，測試結(jié)果顯示，出口空氣溫度超過600℃，該措施可減小吸熱體表面向外的輻射熱損，顯著提高吸熱器熱效率。HiTRec-Ⅰ和HiTR ec-Ⅱ型吸熱器采用了多個杯狀單元分離式的設(shè)計［6-7］，該結(jié)構(gòu)一方面使低溫空氣回到吸熱體表面重新加熱，另一方面使模塊的拆卸更為方便，吸熱體材料也改進為再結(jié)晶碳化硅(re-SiC)。SOLAIR-200和SOLAIR-3000型吸熱器采用了同樣的設(shè)計方案，空氣循環(huán)倍率增至52%［7］。

表1 現(xiàn)有容積式空氣吸收器的主要特征參數(shù)

3 有壓腔體空氣吸熱器的研究

有壓腔體吸熱器又稱為閉式循環(huán)吸熱器，它引入了玻璃窗結(jié)構(gòu)使吸熱腔封閉，隔離腔體與大氣以產(chǎn)生循環(huán)所需的壓比，并且減小內(nèi)腔與外部的輻射熱損。由表1可見，開式系統(tǒng)是利用太陽能驅(qū)動朗肯循環(huán)的蒸汽輪機發(fā)電，理論熱電轉(zhuǎn)化效率不超過45%，若采用布雷頓循環(huán)或燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)，效率可達60%。閉式系統(tǒng)的光-熱轉(zhuǎn)換效率保持在70%左右，空氣出口溫度均接近1 000℃，達到開式系統(tǒng)的2倍，且循環(huán)效率更高，系統(tǒng)光-電轉(zhuǎn)換效率的總效率更高。然而，引入玻璃窗為設(shè)計運行帶來了很多問題，例如，需要考慮玻璃窗的承壓性、面積受到的限制、光學(xué)性能要求高、在一定溫度范圍內(nèi)要保持較高的機械強度和熱穩(wěn)定性及無應(yīng)力安裝等。因此，腔體內(nèi)部良好的流動結(jié)構(gòu)和吸熱體傳熱特性對提高整個吸熱器的耐久性和熱效率具有重要意義。

PLVCR型吸熱器結(jié)構(gòu)如圖1a所示［8］，玻璃窗為圓弧形石英玻璃，窗體前側(cè)為二次聚光系統(tǒng)，后側(cè)為 20ppi(pore per inch，1in=2.54cm)的 Si3N4泡沫陶瓷吸熱體，進入腔體內(nèi)的氣流先冷卻玻璃窗內(nèi)壁，再經(jīng)過吸熱體進行熱交換，最終由出口流出。如圖1b所示，REFOS型吸熱器［1］采用類似結(jié)構(gòu)，但吸熱體為金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該項目的主要目的是驗證以部分太陽能驅(qū)動的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的可行性。以色列魏茲曼研究院團隊長期致力于有壓腔式吸熱器的設(shè)計和研究，他們設(shè)計的DIAPR型吸熱器［9］以柱狀陶瓷棒陣列為換熱體。腔內(nèi)流場的布置與前述2種吸熱器不盡相同，但設(shè)計思想仍是流入冷空氣先冷卻玻璃表面再冷卻吸熱體，保證玻璃及時冷卻的同時降低熱損，后側(cè)加裝了反射鏡將底部入射光再次反射到周向分布于腔內(nèi)的吸熱體上。該吸熱器在南京江寧70kW電站(如圖1c所示)進行測試，成功并網(wǎng)發(fā)電。A.Karni等［10］隨后提出了一種二級加熱結(jié)構(gòu)，使各級的氣流質(zhì)量流量與輻射能流相匹配，從而使空氣能夠逐級加熱達到指定溫度，降低了前部溫度和熱損。A.Karni等［11］對環(huán)形有壓腔體吸熱器(DIAPR)進行了測試，輻射熱流高達5 MW/m2，不同流量下吸熱效率在0.7～0.9之間。R.Buck等［1］提出了一種二級反射裝置的吸熱器，實驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可提高10%的吸熱效率。

4 空氣吸熱器內(nèi)對流－輻射耦合傳熱研究

A.Carotenuto［12］理論分析了陶瓷棒錯列結(jié)構(gòu)吸熱器的一維傳熱模型，用角系數(shù)法處理流動方向矩形腔內(nèi)輻射傳熱。R.Pitz-Paal等［13］建立了考察能流密度在盤裝吸熱體徑向分布的二維數(shù)學(xué)模型，介質(zhì)內(nèi)部吸收，散射輻射采用離散坐標(biāo)法(DOM)處理，實驗研究了幾種材料的表面溫度分布和熱效率。Becker等［14］對開式空氣吸熱器多孔介質(zhì)內(nèi)的流動傳熱模型進行了數(shù)值模擬，考察了空氣物性變化對流動不穩(wěn)定性的影響，建立三維模型對多孔介質(zhì)相關(guān)物性進行了參數(shù)分析。C.Xu等［15］開展了SiC多孔陶瓷空氣吸熱器的相關(guān)研究，分析了空氣流速、孔隙率、孔隙直徑和吸熱體厚度對空氣吸熱器傳熱特性的影響。Z.Y.Wu等［16］隨后開展了吸熱材料樣品的模型實驗，驗證了湍流下非熱平衡模型的適用性。T.E.Hellmuth，L.K.Matthews［17］和 Skocypec等［3］對金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)吸熱體分別采用雙通量法和蒙特卡洛射線追蹤法考察介質(zhì)內(nèi)部輻射，數(shù)值模擬和模型試驗對比表明，該方法能夠有效描述該材料的傳熱特性。

圖1 幾種典型的空氣吸熱器的結(jié)構(gòu)

由于吸熱器內(nèi)流動和傳熱的復(fù)雜性，一些學(xué)者對模型進行簡化并進行了相關(guān)理論推導(dǎo)。A.Kribus［18］推導(dǎo)了考慮空氣黏度、密度等物性參數(shù)的溫升指數(shù)與“流量指數(shù)B”(Blow Parameter)的函數(shù)關(guān)系，指出了開式空氣吸熱器內(nèi)空氣流動不穩(wěn)定性是導(dǎo)致局部傳熱減弱的原因，提出采用有壓腔體吸熱器或通過控制溫升和質(zhì)量流量來實現(xiàn)傳熱的安全性，F(xiàn).W.Bai［19］得到了相同的分析結(jié)果。Flamant等［20-21］研究了一種雙層玻璃——SiC顆粒堆積床內(nèi)的對流-輻射傳熱過程，結(jié)合雙通量法理論分析了流動方向輻射熱流在不同介質(zhì)內(nèi)的分布、溫度分布、出口空氣溫度和熱效率，證明該結(jié)構(gòu)具有較高的熱效率。F.Wang等［22］采用 P-1方法，對多孔吸熱器內(nèi)的溫度分步進行模擬。P.Wang等基于局部非熱平衡法，采用不同的輻射模型，對SiC陶瓷吸熱器內(nèi)的溫度以及導(dǎo)熱、輻射熱流分布進行了詳細分析。

5 結(jié)束語

相對于水或熔融鹽作為傳熱介質(zhì)的塔式集熱裝置，開式空氣吸熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、高參數(shù)、高效率和易于維護等優(yōu)點;引入玻璃窗的閉式結(jié)構(gòu)，其運行溫度壓力主要受玻璃窗限制。吸熱器內(nèi)部的傳熱過程主要發(fā)生在多孔介質(zhì)吸熱體內(nèi)，其對流輻射耦合傳熱的分析方法和數(shù)學(xué)模型仍有待完善。作為塔式系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，高溫空氣吸熱器仍需進一步完善，在常規(guī)能源日益短缺的今天，我國應(yīng)大力推廣塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)，以滿足我國能源經(jīng)濟社會的發(fā)展。

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