淺析碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)接收器

摘 要：接收器是碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，在能量轉(zhuǎn)換效率中起著重要的作用，其性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。文章對(duì)幾種已經(jīng)成功運(yùn)行的接收器的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及其性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，針對(duì)高溫太陽能熱利用的特殊條件，探討了影響接收器性能及壽命的主要因素，分析結(jié)果表明熱管式接收器能夠提高熱發(fā)電系統(tǒng)的安全性和效率，可適用于不同的跟蹤系統(tǒng)，具有良好的開發(fā)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：碟式太陽能；接收器；熱管；熱發(fā)電

1 概述

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括碟式聚光鏡、發(fā)電機(jī)、接收器這幾大部分。其系統(tǒng)工作原理為借助一拋物面狀的碟形聚光器聚集太陽輻射到到接收器中，接收器將吸收的能量傳遞到熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，成功將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有工作溫度高、聚光效率高、系統(tǒng)高效、安裝方便的特點(diǎn)，而且便于應(yīng)用在分布式能源系統(tǒng)的建立，吸引了許多國家和地區(qū)的研究機(jī)構(gòu)。從上世紀(jì)80年代起，美國、歐洲等多國開展了對(duì)碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)及其重要部件的研究。在碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，接收器是其核心部件，目前關(guān)于接收器的研究也較多。研究者們提出了多種方案，并且對(duì)每種方案進(jìn)行了評(píng)估。目前，關(guān)于接收器的研究，其重點(diǎn)有如下兩個(gè)：如何控制并降低接收器的成本；如何提高其穩(wěn)定性和工作效率。

文章將針對(duì)幾種典型的接收器進(jìn)行分析，探討其工作特性及優(yōu)缺點(diǎn)，為我國在此領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供一定的參考依據(jù)。

2 直接照射接收器

這種接收器是的工作原理是：將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的換熱管簇彎制組合成盤狀，通過聚光鏡聚集后的太陽光照射到這個(gè)盤的表面，也就是每根換熱管的表面，管內(nèi)工作流體高速流過，吸收了太陽輻射的能量，達(dá)到較高的溫度和壓力，從而實(shí)現(xiàn)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于斯特林換熱管內(nèi)存在高流速高壓力的氦氣或氫氣，而其具有很強(qiáng)的換熱能力，使得直接照射接收器熱流接收密度比較高，可以達(dá)到75W/cm2。但是，太陽輻射強(qiáng)度具有不穩(wěn)定性以及聚光鏡本身的加工并不能保證十分精細(xì)，由此導(dǎo)致?lián)Q熱管受熱并不均勻與穩(wěn)定，因此，多缸斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中難以保證各氣缸熱量、溫度的平衡就成為其不可忽視的缺點(diǎn)。

3 間接受熱接收器

由于直接照射接收器存在受熱不均勻等問題，相對(duì)應(yīng)地提出將液態(tài)金屬應(yīng)用于接收器，利用液態(tài)金屬的蒸發(fā)和冷凝傳遞熱量。使用液態(tài)金屬的接收器有效克服了直接照射接收器難以等溫的缺點(diǎn)，提高了熱機(jī)的工作效率。這類接收器的工作溫度一般為650℃～850℃，而工作介質(zhì)主要選擇液態(tài)堿金屬鈉、鉀、或鈉鉀合金。

3.1 池沸騰接收器

該類接收器的結(jié)構(gòu)簡單，池內(nèi)充有大量液態(tài)金屬，在換熱表面吸收來自太陽的能量，受熱產(chǎn)生的蒸汽在冷凝時(shí)放熱，將熱量傳遞到換熱管。冷凝后的液態(tài)金屬由于重力又回到液態(tài)金屬池，完成以此熱量傳遞循環(huán)。Douglas B. O.首先提出這種接收器型式，但發(fā)明者并未對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。后來的研究者們提出了不同的結(jié)構(gòu)型式，并對(duì)它們進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試。20世紀(jì)80年代末，Moreno， J. B等人首先對(duì)被其稱為“第一代池沸騰接收器”展開研究。隨后針對(duì)第一代池沸騰接收器存在的問題，Moreno， J. B等做出了許多的改進(jìn)，改進(jìn)后的接收器被稱為第二代池沸騰接收器。該接收器采用液態(tài)金屬鈉作為相變換熱的工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)時(shí)則充入一定量的惰性氣體氙以改善其熱態(tài)再啟動(dòng)的性能。接收器最高熱流密度為58W/cm2，未充入惰性氣體時(shí)能夠在750℃進(jìn)行穩(wěn)定地沸騰傳熱，但在熱態(tài)再啟動(dòng)時(shí)存在短暫的過熱問題。在充入了惰性氣體氙之后，則表現(xiàn)出良好的熱態(tài)再啟動(dòng)性能，并且能夠在700℃以及500℃（輸入功率為設(shè)計(jì)功率的1/2時(shí)）進(jìn)行穩(wěn)定的沸騰傳熱。該接收器在輸入功率69.6kWt時(shí)工作溫度為750℃，而此時(shí)的熱效率達(dá)到了92.3%。另外，實(shí)驗(yàn)還證明了第一代池沸騰接收器燒毀主要是液態(tài)金屬的膜態(tài)沸騰引起的。

池沸騰接收器具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）整體結(jié)構(gòu)較為簡單，制造成本低。（2）適應(yīng)性強(qiáng)，可以適應(yīng)較大傾角。（3）效率較高。但是這種接收器也存在明顯的不足之處：（1）要求工質(zhì)的充裝量較大，一旦發(fā)生泄漏將非常危險(xiǎn)。（2）液態(tài)金屬池內(nèi)沸騰的機(jī)理研究仍然處于探索階段，其傳熱特性及控制因素仍不為人們所了解，特別是在交變熱流密度條件下沸騰傳熱的特性。

3.2 熱管接收器

所謂熱管接收器，是指借助毛細(xì)吸液芯結(jié)構(gòu)將液體金屬分布在換熱器表面的接收器。

這種接收器的受熱面一般為拱形，其表面分布有吸液芯，可以使液態(tài)金屬均勻分布于換熱管的表面。吸液芯的結(jié)構(gòu)可以有多種，包括金屬氈、不銹鋼絲網(wǎng)等。與池沸騰接收器的工作原理類似，液態(tài)金屬受熱氣化至換熱管冷凝，冷凝的同時(shí)放熱將熱量傳遞給換熱管，之后冷凝液在重力的作用下重新流回?fù)Q熱管表面。不同的是，借助吸液芯，液態(tài)金屬可以始終處于飽和狀態(tài)，如此接收器內(nèi)的溫度保持一致，從而使受熱更加均勻。有研究表明，將熱管接收器應(yīng)用于碟式系統(tǒng)，效率較直接照射接收器提高了大約20%。

在美國各研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行上述結(jié)構(gòu)熱管接收器研究的同時(shí)，德國航空航天中心（DLR）[3]也設(shè)計(jì)了一種新型的熱管接收器，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該接收器的受熱面為錐形，接收器內(nèi)也布有吸液芯，吸液芯由8層150目Inconel 600絲網(wǎng)復(fù)合加工而成。斯特林熱機(jī)換熱管徑向穿過蒸汽腔。該類接收器的容量為40kWt，可承受的最高熱流密度54W/cm2。之后，DLR又對(duì)第一代接收器進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)制造了第二代熱管接收器。

第二代熱管接收器由兩個(gè)直徑不同的圓筒加工成徑向傳熱的熱管，傳統(tǒng)的斯特林熱機(jī)換熱管則從以往的直接穿過蒸汽腔改成了嵌箍于接收器的外筒外壁。接收器的外殼采用Inconel 625，厚度4mm。除此而外，在這種接收器的一段裝有陶瓷泡沫的射孔，背面也設(shè)有一漫反射陶瓷錐體。這一結(jié)構(gòu)主要是為了減少進(jìn)光損失，事實(shí)上，該結(jié)構(gòu)可使接收器僅損失約1%的進(jìn)光。接收器內(nèi)的吸液芯仍采用Inconel 600的絲網(wǎng)制作。該接收器在一SBP 9kWe 碟式斯特林系統(tǒng)中進(jìn)行了測(cè)試，共運(yùn)行950小時(shí)，系統(tǒng)最高熱電轉(zhuǎn)換效率為18%，日平均效率則為15.4%。氦氣工作溫度為700℃，而熱管管內(nèi)鈉蒸氣溫度達(dá)到820℃。最終在熱管的內(nèi)筒出現(xiàn)燒毀泄露的情況，出現(xiàn)這一情況的原因被認(rèn)為是鈉的氧化物堵塞了吸液芯造成了局部過熱。

相對(duì)于池沸騰接收器，熱管接收器無論從理論研究還是從實(shí)際運(yùn)行性能上都具有明顯的優(yōu)越性：（1）由于對(duì)液態(tài)金屬熱管傳熱機(jī)理的了解遠(yuǎn)比液態(tài)金屬池內(nèi)沸騰的了解要清楚，這樣對(duì)于設(shè)計(jì)接收器來說就多了一些理論依據(jù)，給設(shè)計(jì)帶來方便。（2）同時(shí)，由于吸液芯的使用，使液態(tài)金屬的充裝量可以很小，減小了因泄漏而可能發(fā)生的危險(xiǎn)，接收器運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，當(dāng)然也節(jié)約了液態(tài)金屬這部分的成本。（3）由于吸液芯的作用，使換熱表面上的沸騰更加穩(wěn)定，避免了出現(xiàn)過熱點(diǎn)，提高了接收器的壽命和可靠性。

但也應(yīng)注意到，熱管接收器比池沸騰接收器結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些，制造上難度加大，特別是對(duì)吸液芯的要求較高。要求吸液芯結(jié)構(gòu)在具有較大孔隙率的同時(shí)，還要具有較小的回流阻力。另外，吸液芯與加熱表面的接合也是需要解決的一個(gè)問題。因此可以說，對(duì)高性能吸液芯的開發(fā)，是當(dāng)前熱管接收器研究與開發(fā)最關(guān)鍵的問題之一。

3.3 混合式熱管接收器

受限于太陽能自身的缺點(diǎn)，太陽能利用存在著固有的不連續(xù)性，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)而穩(wěn)定的發(fā)電。因此，需要將陽光不足以及夜間無太陽能時(shí)如何對(duì)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行能量補(bǔ)充考慮在內(nèi)。在這種情況下，原有的接收器需要加以改造。代表性的改造方案是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加燃燒系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行改造。所謂混合式熱管接收器就是以燃?xì)庾鳛槟芰垦a(bǔ)充的接收器。

德國DLR對(duì)混合式熱管接收器進(jìn)行了研制并測(cè)試，后經(jīng)過改進(jìn)又研究開發(fā)出第二代混合式熱管接收器。這類熱管外筒直徑為360mm，內(nèi)筒直徑為210mm，筒深為240mm。熱管材料為Inconel 625。吸液芯材料可以選擇Inconel 600絲網(wǎng)或者是由金屬粉末高頻等離子濺射制作的燒結(jié)芯。接收器設(shè)計(jì)功率為45kWt，設(shè)計(jì)工作溫度為700℃～850℃。

可看到該接收器與DLR之前所開發(fā)的熱管式接收器結(jié)構(gòu)上有很大的相似之處。無論是太陽能還是燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能都可以加熱斯特林熱機(jī)換熱管內(nèi)的工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了熱發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。有數(shù)據(jù)表明，使用該種類型的碟式系統(tǒng)在由太陽能供能時(shí)的熱電效率可以達(dá)到16%，在混合供能時(shí)可以達(dá)到15%。

混合式熱管接收器具有適應(yīng)性強(qiáng)、可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)供電、供熱的特點(diǎn)，但是由于燃燒系統(tǒng)的加入導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度較大，使得成本大大提高，這是其不可忽視的缺點(diǎn)。

4 分析與結(jié)論

（1）直接受熱式接收器，結(jié)構(gòu)簡單，便于加工，制造成本低。但是工作室難以保證換熱管內(nèi)流體受熱均勻，使得機(jī)體運(yùn)行穩(wěn)定性難以保證。（2）池沸騰接收器應(yīng)用了業(yè)態(tài)金屬的吸熱蒸發(fā)和冷凝放熱，使得換熱管受熱較為均勻，較直接照射接收器大大提高了受熱和工作效率。（3）熱管接收器由于使用了吸液芯結(jié)構(gòu)使得液態(tài)金屬分布均勻，同時(shí)減少了液態(tài)金屬的充裝量，運(yùn)行可靠性和工作效率都得到顯著提高。（4）混合式熱管接收器可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，但其缺點(diǎn)顯而易見，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，一定程度上制約了其發(fā)展。

綜上所述，由于熱管本身具有的優(yōu)秀的傳熱性能，其在碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)接收器中的應(yīng)用顯示出良好的前景。我國對(duì)碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)接受器的研究還處于起步階段，應(yīng)在借鑒國外研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，盡快開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、高效率、低成本的熱管接收器。

參考文獻(xiàn)

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