1、SOLAR ENERGY圜啊啊太阳能热发电系列文章(7)河海大学新材料新能源研究开发院 范志林张耀明 刘德有王军刘 巍摘要：本文介绍了国际现有高温太阳能热发电接收器的类型、结构、性能、应用状况，并结合我国研究现状指出我国开展太阳能接收器研究需解决的问题。关键词：太阳能，热发电，塔式，接收器一引言在塔式太阳能热发电系统中，太阳能接收器是实现塔式太阳能热发电最为关键的核心技术，它将定日镜所捕捉、反射、聚焦的太阳能直接转化为可以高效利用的高温热能，为发电机组提供所需的热源或动力源，从而实现太阳能热发电的过程。目前，不少国家相继投资对该技术的研究，起步较早的欧、美及以色列等国在该技术上已经取得重大突破
2、。国际上现有的塔式太阳能接收器主要分为间接照射接收器和直接照射接收器两大类。二塔式太阳能接收器塔式太阳能接收器分为间接照射与直接照射两大类。1 间接照射太阳能接收器(Indirectly IrradiatedReceiven问接照射太阳能接收器也称外露式太阳能接收器，其主要特点是接收器向载热工质的传热过程不发生在太阳照射面，工作时聚焦入射的太阳能先加热受热面，受热面升温后再通过壁面将热量向另一侧的工质传递。管状接收器(Tubular Receiver)属于这一类型。如图1，管状接收器由若干竖直排列的管子组成，这些管子呈环形布置，形成一个圆筒体，管外壁涂以耐高温选择性吸收涂层，通过 图1 表面式
3、太阳能接收器万方数据塔体周围定日镜聚焦形成的光斑直接照射在圆筒体外壁，以辐射方式使得圆筒体壁温升高；而载热工质从竖直管内部流过，在管内表面，热量以导热和对流的方式从壁面向工质传输，从而使载热工质获得热能成为可加以利用的高温热源。这种接收器可采用水、熔盐、空气等多种工质，流体温度一般在100600间，压力120atm，能承受的太阳能能量密度为1000kWm2。管状太阳能接收器的优点是它可以接收来自塔四周360。范围内定日镜反射、聚焦的太阳光，有利于定日镜镜场的布局设计和太阳能的大规模利用；但是，由于其吸热体外露于周围环境之中，存在着较大的热损失，因此接收器热效率相对较低。管状太阳能接收器的应用代
4、表是美国的塔式热发电电站S01ar 0ne和Solar Two，两者均采用管状太阳能接收器，两者的主要区别在于流经接收器的载热工质不同，分别为水和熔盐。2 直接照射太阳能接收器(Directly IrradiatedReceiven直接照射太阳能接收器也称空腔式接收器，这类接收器的共同特点是接收器向工质传热与入射阳光加热受热面在同一表面发生，同时，空腔式接收器内表面具有几近黑体的特性，可有效吸收入射的太阳能，从而避免了选择性吸收涂层的问题。但采用这类接收器时，由于阳光只能从其窗口方向射入，定日镜场的布置受到一定的限制。空腔式接收器工作温度一般在5001 300之间，工作压力30atm。直接照射
5、太阳能接收器主要包括无压腔体式接收器和有压腔体式接收器两种。(1)无压腔体式接收器(V01umetric Receiver)无压腔体式太阳能接收器对其吸收体有一定的光学及热力学要求，通常要求具有较高的吸热、消光、耐温性和较大比表面积、良好的导热性和渗透性。如图2，早期的腔体式太阳能接收器采用金属丝网作为吸收体，具有较大吸收表面的多空结构金属网吸收体装于聚焦光斑处或稍后的位置，从周围吸入的空气在通过被聚焦光照射的金属网时被加热至700。由于多采用空气作为传热介质，腔体式太阳能接收器具有环境好、无腐蚀性、不可燃、容易得SOLAR ENERGYl圜圈圈到、易于处理等特 图2无压腔体式太阳能接收器点，
6、其最主要优点是结构简单。但采用空气载热存在热容量低的缺点，一般来说其性能不会高于管状接收器。由于无压腔式接收器所吸入周围空气流经吸收体时近乎层流流动而不存在湍流，对流换热过程相对较弱，不稳定的太阳能容易使吸收体局部温度剧烈变化产生热应力，甚至超温破坏接收器，因此该类型接收器所承受的太阳能能量密度受到一定限制，通常为500kWm2，最高不超过800kwm2。近几年采用合金材料金属网或陶瓷片作为吸收体使其性能得到一定的提高。(2)有压腔体式接收器(Pressured VolumetricReceiven如图3，有压腔体式接收器的结构与无压腔体式接收器的结构大体相似，区别在于压力腔体式接图3有压腔体
7、式接收器收器加装了一个透明石英玻璃窗口，一方面使聚焦太阳光可以射入接收器内部，另一方面可以使接收器内部保持一定的压力。提高压力后在一定程度上带来的湍流有效地增强了空气与吸收体问的换热，甄汇添毛丽页否万历面广一一万方数据因朋衄以此降低吸收体的热应力。有压腔体式接收器具有换热效率高的优点，代表着未来发展方向。但窗口玻璃要同时具有良好透光性和耐高温及耐压的要求，在一定程度上制约了它的发展。近来，以色列在该技术上有了较大的进展，如图4，其开发研制的有压腔体式接收器DIAPR(Directly IrradiatedAnnular Pressurized Receiver)采用圆锥型高压熔融石英玻璃窗口，
8、内部主要构件为安插于陶瓷基底上的针状放射形吸收体，可将流经接收器的空气加热到1 300，所能承受的平均辐射通量为50001 0000kWm2、压力为1 530bar，热效率可达80。图4 DIAPR有压腔体式接收器三我国塔式太阳能接收器研究现状及存在问题国内从事太阳能塔式热发电研究的科研人员不多，研究高温太阳能接收器的则更少。中国科技大学、中科院电工所、工程热物理所等高等院校和科研院所对太阳能热发电技术作了一些应用性基础试验研究，也有学者在接收器方面作了理论研究，但鲜见相关中试阶段研究报导。近年来河海大学、南京春辉科技实业有限公司通过与以色列巍兹曼研究院合作研究获取了一定的接收器设计、试验及运
9、行等相关技术经验；同时，该研究团队在有压腔体式太阳能接收器方面进行了探索性研究，已尝试制造出塔式太阳能接收器，如图5，目前处于试验阶段。该项技术的研究为我国高温太阳能接收器研制作了一定的技术储备，进一步研究有望实现高温太阳能接收器的国产化。目前在我国，太阳能接收器研究主要存在三方面的技图5试验阶段的塔式太阳能接收器图5试验阶段的塔式太阳能接收器术难点：(1)耐高温吸收体选材及制造工艺；(2)对于有压腔体式太阳能接收器，存在耐高温石英玻璃窗口的制造工艺难点；(3)气体停留时间及吸收体换热面积的确定。前两个难点的解决有赖于材料学科及箭J造业的发展，而第三个难点的克服则需要相关科研人员在接收器结构型
10、式和换热机理等方面作进行深入研究。高温太阳能接收器是影响塔式太阳能发电效率的核心部件，加快塔式太阳能接收器的研制进程对我国能源发展具有战略性意义。建议有关部门加大对该项技术的研究投入，推动我国太阳能热发电事业的快速发展。 豢参考文献(1)杨金焕世界科技研究与发展，2003，25(4)：3943(2)潘垣，辜承林，周理兵等世界科技研究与发展，2003，25(4)712(3)俞乔力，葛新石自然杂志，1996，18(6)：344348(4)AYogev，AKribus，MEpstein，et alJHydrogenEnergy，1998，23(4)：239245(5) xavier Garciaca
11、slas，JoSe IgnacioAjonaSolar E11ergy，l 999，67(46)：265286百瓦面疆灭爵硒可研面丽一万方数据太阳能热发电系列文章(7)塔式太阳能热发电站接收器作者： 范志林， 张耀明， 刘德有， 王军， 刘巍作者单位： 河海大学新材料新能源研究开发院刊名： 太阳能英文刊名： SOLAR ENERGY年，卷(期)： 2007，“(1)被引用次数： 1次参考文献(5条)1.杨金焕 查看详情期刊论文-世界科技研究与发展 2003(04)2.潘垣.辜承林.周理兵 查看详情期刊论文-世界科技研究与发展 2003(04)3.俞乔力.葛新石 查看详情期刊论文-自然杂志 19
12、96(06)4.AYogev.AKribus.MEpstein 查看详情 1998(04)5.Xavier Garcia-Caslas.Jose Ignacio Ajona 查看详情 1999(4-6)相似文献(10条)1.期刊论文 汤延令.TANG Yan-ling 太阳能热发电技术现状及发展 -福建电力与电工2008,28(4)简要介绍了太阳能热发电系统、国内外发展现状及商业化运行面临的问题,建议政府借鉴国外有关政策支持机制,促进太阳能热发电的发展.2.期刊论文 王国莹.霍天强 太阳能热发电太阳能斯特林热发电 -西北水力发电2006,22(z1)本文通过对太阳能热发电,特别是太阳能斯特林热
13、发电的发展和特点进行了叙述,说明了发展太阳能斯特林发电技术的意义和重要性.3.期刊论文 王军.张耀明.张文进.孙利国.安翠翠 太阳能热发电系列文章(10)槽式太阳能热发电中的聚光集热器 -太阳能2007,“(4)介绍了槽式太阳能热发电系统中DSG技术的三种实现方式;对比了再次循环方式中饱和蒸汽发电和过热蒸汽发电;介绍了DSG技术的实践和应用研究项目.4.学位论文 张炳 太阳能热发电用无机复合储热材料的制备及其性能研究 2007能源问题是世界和中国经济社会发展面临的最严重的问题之一，常规能源的紧缺以及由此带来的环境污染问题，直接影响到未来人类可持续发展战略的实施进程。近年来，世界各国均在开发新能
14、源。太阳能作为一种无公害、储量无穷的自然能源，引起了人们的广泛关注。太阳能热发电已成为人们研究的焦点，但太阳能具有间歇不稳定的特点。目前应用太阳能热发电中一个难点就是热量的储存，以备在无阳光直接照射的条件下进行热发电。目前使用较为广泛的储热材料为熔融盐相变材料，但它有一个致命的缺点就是其对热交换管道和储热容器有着极强的腐蚀性。本实验将借鉴耐火浇注料的制备经验，制备出对热交换管道无腐蚀性的混凝土储热材料。本文具体工作内容如下：1借鉴耐火浇注料的制备经验，采用耐高温的铝酸盐水泥作为储热材料的胶凝材料，使用比热容高的玄武岩和工业废弃铜矿渣作为骨料，采用一定量的活性微粉替代部分胶凝材料，使用蓝晶石粉作
15、为膨胀剂来制备储热混凝土材料；通过向其中添加热导率高的石墨粉来增加储热材料的导热性能；2研究了储热材料的抗压、抗折性能，并确定其最佳配合比及制备工艺制度；研究了储热材料强度随着石墨粉含量变化而变化的规律并分析了原因；实验表明：随着石墨粉含量的增加，材料的强度显著下降；3研究了储热材料的膨胀性、比热容及热导率等热学性能，实验表明：随着温度的升高，储热混凝土体积收缩逐渐增大，温度越高，体积收缩率越大；储热材料的比热容也随着温度的升高而增大，通过研究得出储热材料的最佳工作温度范围；材料的热导率随着石墨粉含量的增加而增大，并分析了储热材料热导率增大的原因；4通过实验数据计算出储热材料的理论导热系数，并
16、与实验测试数据进行比较，其理论数据与实测数据间误差不超过5，计算得出石墨粉含量为5时储热材料的导热系数为2.345 w/(mk)。通过实验研究得出，耐高温改性混凝土是一种较为理想的太阳能热发电储热材料。5.期刊论文 黄湘.HUANG Xiang 国际太阳能资源及太阳能热发电趋势 -华电技术2009,31(12)介绍了国际太阳辐射能量的资源分布情况,论述了3种聚焦式太阳能热发电形式并说明3种热发电形式的特点和应用范围.阐明了国外太阳能热发电的蓬勃发展趋势,列出了近年已投产和即将建设的太阳能热发电机组目录.6.会议论文 王克红.赵黛青.林琳.王伟 槽式和塔式太阳能热发电的热效率及其环境分析和比较
17、2006选取槽式和塔式2种太阳能热发电系统为研究对象,运用生命周期方法(LCA)对槽式和塔式太阳能热发电进行系统、全面的环境影响评价.主要对2种太阳能热发电的用材、生产和运输3个阶段进行分析,分别计算了3个阶段的单位能耗和环境影响,并对2个系统的分析结果进行比较.同时,采用朗肯循环对2种系统进行了热效率方面的比较.结果表明:从环境角度上看,槽式太阳能热发电比塔式太阳能热发电对环境的影响更小;从热效率角度而言,塔式太阳能热发电的循环效率高于槽式,能够将收集到的太阳能更高效的转化为电力.7.学位论文 李圆圆 太阳能热发电用储热混凝土的制备与储热单元模拟分析 2008太阳能辐射能量不稳定，主要原因是
18、云层的变化，当太阳能电站在进行热发电时，可能会突然受到云层的影响，集热器收到的辐射量短时间内不足，汽轮机不能适应这种不可控制的变化，储热系统可以在阳光正常时储热，在阳光不足时放出热来供给汽轮机运转发电，起到功率缓冲的作用，另一方面，储热材料可以把白天太阳辐射的能量以热能的形式储存起来，到了晚上释放出来进行热发电，这样可以起到削峰填谷的作用。储热系统是太阳能热电站的一个重要组成部分。本实验用铝酸盐水泥CA-80，工业铜矿渣，钢渣，石墨，制备了一系列太阳能储热混凝土样品，水泥用量对混凝土强度影响很大，水泥用量10，石墨用量为5时，烘烤后抗压强度可达42MPa，抗折达到6.3MPa，而水泥用量为6时
19、，烘烤抗压强度最高31.4MPa，抗折5.3MPa。石墨用量的增加会增加混凝土的用水量，降低强度，但可大幅提高热导率，C纤维属柔性纤维，对混凝土抗压强度影响不大，但增加抗折强度达33。钢纤维对材料的抗压，抗折强度均有一定程度的提高，由于铜矿渣，钢渣，本身密度大，增加铜矿渣，钢渣含量可增加体积密度。基于现已制备的混凝土热导率数据对材料储热循环过程用ansys软件进行了有限元热模拟，用现实的储热系统结构，建立四方简化模型，分四个阶段，储热，保温，放热，保温，施加不同的载荷，四方模型顶点处离热管最远，在传热时存在滞后现象，热导率越低，滞后现象越明显，热导率越高，储热，放热速度越高，保温时材料内温度能
20、很快达到平衡。模拟了管间距对储热性能的影响，当材料的热导率较低时，可缩短管间距来提高储热材料的储性能，但这样会增加管材的数量，增加储热系统的成本。新设计了两种储热结构，把热管三角错排，最小储热单元由四方形变成正六边形，呈蜂窝状，对称性好，最小面积不变，顶点离热管距离缩短了15，储放热速度略有提高。另一种模型，在六边形单元的六角位置引入高热导率的石墨片，体积分数质量分数为5，与掺5石墨粉相比，等效热导率提高了近一倍，超过了5W/m，在储热分析中发现石墨片内温度梯度小，但在径向方向上热流量很大，通过储热材料的结构设计可大幅度提高储热系统的性能。8.期刊论文 杨敏林.杨晓西.左远志.YANG Min
21、-lin.YANG Xiao-xi.ZUO Yuan-zhi 塔式太阳能热发电吸热器技术研究进展 -科学技术与工程2008,8(10)近年来,塔式太阳能热发电技术得到了迅猛发展,大量实验和运行数据充分证明了其技术可行性和商业应用前景.文中较系统的回顾了塔式太阳能热发电系统吸热器技术的发展历程及现状,对应用较为广泛的熔盐吸热器、空气吸热器及水/蒸汽吸热器作了详细的分析,并展望了我国开展塔武太阳能热发电应用研究的发展方向.9.期刊论文 安翠翠.张耀明.王军.刘德有.郭苏 太阳能热发电系列文章(13)国际主要槽式太阳能热发电站介绍 -太阳能2007,“(7)本文对国际上槽式太阳能热发电系统进行了归纳
22、;介绍了几座具有代表性的系统,详细说明了其参数、现状;并跟踪了正在建设的几座槽式系统.10.期刊论文 罗智慧.龙新峰.LUO Zhi-hui.LONG Xin-feng 槽式太阳能热发电技术研究现状与发展 -电力设备2006,7(11)文章在简述太阳能热发电的基础上,阐述了槽式太阳能热发电系统的发展历程,介绍了槽式热发电的基本原理及其在发电站的技术进展,着重分析了槽式热发电所涉及的关键技术,包括太阳热能聚光器、吸收器、跟踪技术及高温热能储存技术.在比较目前几种太阳能热发电系统的基础上,指出槽式太阳能热发电在商业和技术上是最为成熟的一种发电系统,适合在我国优先开发,同时提出了发展中国槽式太阳能热力发电技术所需相关基础研究的建议.引证文献(1条)1.章国芳.朱天宇.王希晨 塔式太阳能热发电技术进展及在我国的应用前景期刊论文-太阳能 2008(11)本文链接：http:/
