塔式太阳能热发电吸热器技术进展
武君'，卢日时”，赵欢欢”，董爱华”
（1.哈尔滨电气股份有限公司，哈尔滨150040；2.哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司，哈尔滨150090）
摘要：文中介绍了现有塔式太阳能热发电吸热器技术，针对不同吸热器结构和传热介质，吸热器结构简单、造价低，应用广泛；而熔盐作为传热和蓄热介质具有较好的性能，系统无压运 结合国内外现有主要塔式太阳能热发电站，对吸热器性能进行比较研究.结果表明，外露管式行且能承受高热流密度，是将来的研究方向.
关键词：塔式太阳能热发电：吸热器：传热介质
中图分类号：TK514文献标志码：B文章编号：1009-3230（2013）01-0036-03
TheDevelopmentofSolarCenterReceiversforSolarPowerTower
(1. Harbin Electric Company Limited Harbin 150040 China; WU Jun' LU Ri-shi² ZHAO Huan-huan² DONG Ai-hua²2. Harbin turbine Auxiliary Equipment Engineering Co. Ltd. Harbin 150090 China)
Abstract : This paper introduces the technology of the existing solar center receiver. Comparisons ofdifferent receivers and heat trsnsfer fluid are made on the performance with the main solar power towerinland and overseas. The result shows that extemal tubular receiver features more simple structure and lower cost which lead to more abroad application. As the heat transfer and heat store fluid moltensalt has beter performance. The system is nearly at atmospheric pressure and can afford much higherincident solar fluxes which is to be the direction of research.
Key words: Solar power tower; Receiver; Heat transfer fluid
典型的塔式太阳能发电系统可以实现300～塔式太阳能热发电系统主要由集热子系统、1500的聚光比（conenrationfactor），投射到塔顶吸热与传热子系统、蓄热子系统、蒸汽发生器子系吸热器的平均辐射热流密度达300-1000kW/m²，系统工作温度高达1000°℃，电站规模可达200MW以上[2）.现有的塔式太阳能热发电站中，其他子系统基本相同，不同的是吸热与传热子系统.
0引言
统和发电子系统组成.集热子系统实现对太阳的自动实时跟踪，将太阳光反射聚焦到塔顶吸热器；流过吸热器的HTF（传热介质）吸收集热系统反射聚焦的高热流密度太阳能，并将其转化为自身的高温热能；高温HTF流过位于地面的蒸汽发生器，将热量传递给水，产生高压过热蒸汽，推动汽轮机发电（图1）.
吸热器作为吸热与传热的主设备，按结构形式，分为管式吸热器和容积式吸热器，吸热与传热 介质主要有水/蒸汽、熔盐、液态钠和空气.表1为全球主要的塔式太阳能热电站，给出了电站规模、吸热器类型及传热和蓄热介质等.
图1塔式太阳能系统示意图！
HTF.
1吸热器类型
（2）腔体管式吸热器（Cavity Tubular Receiver）
1.1管式吸热器（Tubular Receiver）
优点：①管束布置在腔体内，与外露管式吸热器相比，其辐射、反射和对流损失都较小，热效率较高；②有保温层的绝热作用，减少了与环境间的对流热损失；③体积小，重量轻，易于建造且造价较低：④吸热面上热流密度分布均匀：吸热管束压降小.
高温选择性吸收涂层，聚焦人射的太阳能以辐射 HTF在金属或陶瓷管内流动，管外壁涂以耐方式使管外壁面温度升高，再通过管壁以导热和对流的方式将热量传递给管内HTF.
通常将管束布置在一块平板上，然后将一块块平板安装在圆简外表面（外露管式吸热器）或腔体内表面（腔体管式吸热器），见图2所示.管式吸热器可采用常规HTF（水/蒸汽，液态钠，熔盐，空气）.
缺点：由于太阳光只能从采光口射入，要求采光口既能使热损失最小又能接收到镜场反射聚焦的太阳能，接收角度一般限制在120°以内，定日镜场的布置受到一定限制，只能单侧布局.
（1）外露管式吸热器（ExtemalTubularRe-ceiver)
目前全球主要塔式太阳能光热电站中，以水/蒸汽或熔盐、液态钠为HTF的电站均使用管式吸热器，包括世界第一个商业化运行的塔式电站PS10.
优点：①结构简单，造价低：②可以接收来自360范围内定日镜反射聚焦的太阳光，有利于定日镜场的布置和大规模利用.
1.2容积式吸热器（VolumetricReceiver）
缺点：吸热管都暴露在环境中，辐射、反射和对流热损失较大，尤其是在有风天气，导致较低的吸热效率.
一般以密织网状或蜂窝状的多孔材料为吸热体，多孔吸热器吸收反射聚焦的太阳能，空气流过吸热器，与多孔吸热体发生对流换热后被加热至高温.容积式吸热器需具有良好的多孔性，可使太阳辐射被多孔吸热体充分吸收，产生所谓的容
Solar One，SPP-5，Solar Two示范电站和 Ge-masolar（SolarTres）商业电站均采用外露管式吸热器，前两者以水/蒸汽为HTF，后两者以熔盐为
积效应（volumetriceffect）.大量测试证明，容积器由于使用金属做吸热体，出口空气温度不超过式吸热器可产生1000℃以上的高温空气，平均热流密度达400kW/m²，峰值热流密度达1000kW/m²2.容积式吸热器HTF只能为空气，吸热体材料主要有金属密网和多孔陶瓷.
优点：①结构简单；②吸热和传热过程发生在同一表面，可减少热损失；③吸热器内表面接近黑体，可有效吸收人射的太阳能，避免了选择性吸收涂层的问题；④有保温层，减少了与环境间的对流热损失：高温空气既可与水/蒸汽换热驱动汽轮机发电，也可直接驱动燃气轮机发电，又可用于燃气轮机空气预热；HTF一般为常压或高压空气，可直接从大气中获得，咸本低，无污染，无腐蚀性，不可燃，无相变.
缺点：①与腔体管式吸热器类似，容积式吸热器为开口腔体结构，太阳光只能从采光口射人，接收角度一般限制在120"以内，定日镜场的布置受到一定限制，只能单侧布局；②存在流动不均匀及局部过热与失效问题，辐射热流的承受能力较低，效率较低，且系统结构大，技术风险大. 限制了HTF的出口温度：③空气热容低，吸热器
由于始终存在流动不均匀及局部过热与失效问题，且技术风险大，容积式吸热器的研究始终未能取得实质性进展，相关应用也受到很大局限.
容积式吸热器通常根据进口空气压力分为容积式无压吸热器（HTF为大气中的空气，开路循环）和容积式增压吸热器（HTF为增压的空气，闭路循环）.容积式无压吸热器主要用于全太阳能发电系统，面容积式有压吸热器则常与化石燃料相结合，构成混合系统（.
容积式无压吸热器（容积式开路空气吸热器The open or atmospheric receiver)
①吸热体材料为金属密网：早期容积式无压吸热器选用金属密网做吸热体.典型代表是1993年西班牙PSA研制的TSA吸热器（图3a）.TSA吸热器输出功率为2.7MW，出口空气温度为 700℃，人射热流密度约500kW/m².此类吸热
实际应用中受限[20]. 800℃C，人射热流密度最高不超过800kW/m²，在
②吸热体材料为多孔陶瓷：2000年PSA启动SOLAIR计划，研制以SiC陶瓷为吸热体的容积式无压吸热器.SOLAIR-3000容积式无压吸热器输出功率3MW，出口空气温度720°C，人射热流密度370~520kW/m²，吸热器效率约70%~75%[]
容积式有压吸热器（容积式闭路空气吸热器The pressurized receiver)
有压吸热器与无压式结构大体相似，区别在于加装了一个透明石英玻璃密口，既可以使聚焦的太阳光入射到吸热器内部，又可以使吸热器内部保持一定压力.容积有压吸热器通常采用多孔陶资吸热体.
容积式增压吸热器内部空气流动为淄流，强化了对流换热效果，减少了局部热应力，最高出口空气温度可达1300℃.但是高温容积式有压吸热器的结构通常都非常复杂.
压吸热器.设计压力15bar，出口空气温度800°℃， 1999年PSA启动REFOS计划，研制容积式有单模块吸热功率约350kW，模块效率达80%.
以色列Weizmann研究所研制的DIAPR（di-rectly irradiated annular pressurized receiver 图 2) 出口空气温度最高1300℃，工作压力15~30bar，所能承受太阳辐射热流密度4~8MW/m²，热效率最高达80%.
目前试验及模拟研究表明，最可靠的吸热体材料是泡沫陶瓷和陶瓷纤维，因为其具有较大的换热面积和较好了阻力特性.
1.3不同类型吸热器压力-温度范围
图3为管式吸热器和容积式吸热器的压力-温度曲线图，从图中可以看出外露管式吸热器HTF的压力不超过120bar，温度一般为100~600℃；当压力在30bar以下时，温度可达650℃；腔体管式吸热器的压力在30bar以下时，温度可
图2REFO及DLAPR吸热器
达1000℃：容积式吸热器的出口空气温度通常在500~1000°℃，当其压力在30bar以下时，温度可达1300℃.
3月运行发电，是世界第一个商业化运行的塔式太阳能光热电站.项目初期尝试采用空气作为HTF加燃气轮机的BRAYTON循环技术，最后由于成本高和技术风险大，转而采用直接产生蒸汽 的方式（DSG）.PS10电功率11MW，塔高90m，采用腔体管式吸热器，以水/蒸汽为HTF，出口蒸汽温度250℃，压力4MPa；采用熔盐蓄热，蓄热3h.PS10电站将每年向电网提供19.2GWh的电力，年平均发电效率达10.5%，投资2800EURO/
kWe[10]
2.2熔融盐
优点：熔盐价格低廉，环境友好；系统无压运行；传热工质在整个吸热、传热循环中无相变，且熔盐热容大，吸热器可承受较高的热流密度，从而使吸热器做得更紧凑，减少制造成本，降低热损；熔盐本身是很好的蓄热材料，系统传热、蓄热可共 用同一工质，使系统极大的简化.
图3不同类型吸热器的压力-温度曲线图[2]
2传热介质比较
2.1水/蒸汽
优点：水的导热率高，无毒，无腐蚀，产生的高压蒸汽可以直接推动气轮机发电，使系统得到筒化并减少了热量损失.
缺点：熔盐高温分解和腐蚀问题，相关材料必须耐高温和耐腐蚀，使系统成本增加，可靠性降低；熔盐低温凝固问题，在夜间停机时，高低熔盐储罐都必须保温，以防止熔盐凝固，清晨开机时也 必须对管道进行预热，这将增加系统的电耗.
缺点：发生相变，且蒸汽热容小，蒸汽管路易发生局部过热，统控制复杂，对吸热器的性能要求较高；系统在高温高压下运行，增加运行成本.
典型的水/蒸汽系统应用于EURELIOS，an示范电站和PS10，PS20商业电站，除Solar SUNSHINE Solar One CESA -1 SPP-5 Dah-One和SPP-5采用外露管式吸热器外，其他采用腔体管式吸热器.
典型的熔盐系统应用于MSEE/CatB，THE-MIS，Solar Two示范电站和 Gemasloar（Solar Tre）商业电站.除THEMIS采用腔体管式吸热器外，其他电站采用外露管式吸热器.
Gemasolar（Solar Tres，）发电站于2011年6月运行发电，电功率17MW.Gemasolar塔高
位于西班牙Seville的PS10发电站于2007年
统塔顶中央接收器采用熔盐作为吸热与传热介 130m，拥有2650面定日镜，占地约185hm”.系质，温度可达500℃；采用熔盐蓄热器，蓄热15h，成为世界上第一家实现全天24h连续运行供电的太阳能光热商业电站.
2.3空气
染、无腐蚀性，不可燃；无相变；易于运行和维护， 优点：可以直接从大气中获得，成本低，无污启动快；无需附加的储热系统.
缺点：空气热容小，热效率较低，且系统结构大，技术风险大.
宁，JuLICH示范电站.TSA和JuLICH采用容积 典型的空气系统应用于TSA，Weizmann，江式无压吸热器，分别以金属密网和多孔陶瓷为吸热体：Weizmann和江宁采用容积式有压吸热器，多孔陶瓷吸热体.
2.4液态钠
度大，导热率高，整体温度分布均匀. 优点：能应用于较高的温度，且金属材料密
缺点：高温下与空气接触易燃易爆，由此带来的安全问题制约了其在塔式电站蓄热系统中的应用.
仅SSPS示范电站应用液态钠做HTF，采用腔体管式吸热器.
2.5不同传热介质性能比较
（1）热流密度限制
吸热器的最高工作热流密度取决于材料特性和HTF的冷却能力（主要是液膜系数），表2为不同HTF所能承受的热流密度值.可以看出液态熔融盐次之，以空气为HTF的管式吸热器的承受 钠所能承受的热流密度值最大，约2.5MW/m²，的热流密度值最小，不超过0.2MW/m².
（2）熔融盐与水/蒸汽对比
水/蒸汽系统高温高压运行，对吸热管强度要
求高，最大人射热流密度也受到限制.面熔盐系统无压运行，可以承受很高的压力和人射热流密 度.故以熔盐作为HTF的吸热器可以做得更紧凑，从而换热面积较小，辐射和对流热损失较小，提高了热效率.
美国SolarOne和SolarTwo均采用外露管式吸热器，分别采用水/蒸汽和熔盐作为HTF.比较 两者的性能参数，发现SolarOne的吸热器出口温度低于SolarTwo，且SolarOne效率也较低.
（3）熔融盐与空气对比
空气系统HTF空气可以直接从大气中获取，环境友好；无相变，允许很高的工作温度；启动快，易于运行和维护.
空气既可用于管式吸热器也可用于容积式换热器.但以空气为HTF的管式吸热器所能承受的人射热流密度很小，且换热性能差，故效率低，应用也受限.空气较广泛的应用于容积式吸热器，对以空气为HTF的容积式吸热器和以熔盐为 HTF的管式吸热器的性能进行对比（表4），发现前者可以达到较高的出口温度，能承受较高的辐射热流密度，面且启动快，环境友好，但其效率较低，储热能力较差.
3复合吸热器
热器的长处，将两种吸热形式结合起来的吸热器， 复合吸热器是发挥空气吸热器和水/蒸汽吸其结构及系统如图11所示.在这种复合吸热器中，管式吸热器以水/蒸汽为HTF，主要用于产生蒸汽，容积式吸热器以空气为HTF，利用其产生的高温空气对管式吸热器产生的蒸汽进行二次加热，产生过热蒸汽驱动汽轮机发电.系统易于控 制，稳定性好.
图4复合吸热器结构图
