1、LOGO吸热器研究进展报告吸热器研究进展报告 崔福庆，殷欣崔福庆，殷欣 2009.07.30LOGO一、背景介绍一、背景介绍 v在太阳能利用系统中，吸热器组件是实现光在太阳能利用系统中，吸热器组件是实现光热转化的重要组件，其效率的高低对于系统热转化的重要组件，其效率的高低对于系统的效率有着重要的影响。故在太阳能研究中，的效率有着重要的影响。故在太阳能研究中，吸 热 器 的 研 究 有 着 重 要 的 意 义。吸 热 器 的 研 究 有 着 重 要 的 意 义。吸热器平板式吸热器平板式吸热器低温应用中、低温应用中、高温应用管式吸热器管式吸热器腔体式吸热器腔体式吸热器本课题的关注点：极高温度、极高
2、热流密度下的辐射导热对流耦合的复杂传热规律的研究吸热器主要研究问题吸热器内部的传热过程及其强化吸热器结构的优化吸热器所用新型材料的研究吸热器新型形式的构建针对本课题的研究重点，主要对中高温应用的碟式及塔式太阳能热发电吸热器进行了文献调研。LOGO二、塔式太阳能发电系统二、塔式太阳能发电系统定日镜系统定日镜系统吸热与热能传递系统吸热与热能传递系统发电系统发电系统塔式太阳能发电系统的三大组成部分：定日镜系统吸热与热能传递系统发电系统 塔式太阳能发电系统的研究始于20世纪50年代，由于其巨大的商业应用前景，吸引了大量的科研人员对其进行研究，一大批塔式电站相继投入试运行。大量的实验和运行数据证明了塔式
3、电站技术上的可行性，以及具有广阔的商业发电应用前景。Solar One美国美国EURELIOS意大利意大利CESA-1西班牙西班牙80年代塔式太阳能发电站示范工程年代塔式太阳能发电站示范工程90年代塔式太阳能发电站示范工程年代塔式太阳能发电站示范工程Solar Two美国美国TSA西班牙西班牙（图为（图为TSA的吸热器）的吸热器）2000年后塔式太阳能发电站示范工程年后塔式太阳能发电站示范工程PS10西班牙西班牙（效果图）（效果图）Solar Tres西班牙西班牙（效果图）（效果图）LOGO三、塔式太阳能电站吸热器三、塔式太阳能电站吸热器 在各类吸热与热能传递系统中，最具商业化在各类吸热与热能
4、传递系统中，最具商业化潜力且研究得最多的是潜力且研究得最多的是：熔盐系统熔盐系统、空气系统空气系统、饱和蒸汽系统饱和蒸汽系统 熔盐吸热器熔盐吸热器优点：系统无压运行，安全性提高；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，从而使吸热器可做得更紧凑，减少制造成本，降低热损；整个太阳能热力系统的传热、蓄热可共用同一工质，使系统极大的简化。缺点：熔盐在高温时有分解和腐蚀问题。采用熔盐吸热器的系统：Solar Two试验电站、建设中的Solar Tres试验电站吸热器热流回路管外径和壁厚：20.06mm,1.2mmPyromark 涂料Solar Two硝酸盐吸热器
5、硝酸盐吸热器材料：316H不锈钢吸热器高和直径：6.1m,5.2m入口温度设计为290，出口温度设计为565;平均太阳辐射能流密度为430 kW/m2时，额定吸收功率为42 MW反射塔式熔融盐吸热器空气吸热器空气吸热器优点：1）从大气来，到大气去；取之不尽，用之不绝；不污染环境；2)没有因相变带来的麻烦；3)允许很高的工作温度；4)易于运行和维护，启动快，无须附加的保温和冷启动加热系统。缺点：存在流动不均匀及局部过热与失效问题采用空气吸热器的系统：TSA、SOLAIR-3000、REFOS等以空气为吸热与传热介质的塔式太阳能热发电系统 容积式开路空气吸热器容积式开路空气吸热器容积式闭路空气吸热
6、器容积式闭路空气吸热器容积式开路空气吸热器容积式开路空气吸热器工作原理 吸热器结构传质过程传质过程吸热单元吸热单元SiC实际应用实际应用早期西班牙TSA 吸热器金属密网吸热金属密网吸热金属密网工作温度为700空气流经金属密网为层流，换热较弱。且由于局部过高热应力限制，工作热流密度一般为500KW/容积式闭路空气吸热器容积式闭路空气吸热器特点：加装透明石英玻璃窗口，提高工质工作压力；增加压力带来的湍流强化了换热，减小系统热应力，进一步提高了系统换热效率。塔式高温化学反应器REFOS吸热器二级聚光器二级聚光器CPC工质流道布置工质流道布置REFOS塔式吸热塔式吸热组合效果图组合效果图DIAPR有压
7、腔体式吸热器研制单位：以色列研制单位：以色列 Weizmann 研究所研究所最高加热空气温度：最高加热空气温度：1300工作压力：工作压力：1.5-3MPa耐受辐射热流密度：耐受辐射热流密度：4-8MW/m2热效率：最高可达热效率：最高可达80%主要组件1.耐高温陶瓷针肋2.耐高压熔融石英玻璃3.二级聚光器系统DIAPR的改进空气气流组织的优化空气气流组织的优化设计依据设计依据单级向多级发展单级向多级发展初级预热器管道初级预热器管道文献中的数值模拟工作实物模型实物模型几何尺寸几何尺寸物理模型物理模型模拟所得速度场漩涡导致绕流漩涡导致绕流空气流过针肋区域空气流过针肋区域模拟所得温度场流体温度分布
8、流体温度分布空气沿程被针肋加热空气沿程被针肋加热气流入口处的高温区气流入口处的高温区沿程针肋温度升高沿程针肋温度升高固体区域温度分布固体区域温度分布针肋顶端的高温区针肋顶端的高温区水蒸汽吸热器水蒸汽吸热器优点：水的热导率高，无毒，无腐蚀，易于输运，产生的高压蒸汽可以直接推动气轮机发电。技术难点：水蒸汽在高温时有高压问题；工作介质在吸热过程中存在两相流问题；蒸汽的热容很小，蒸汽段管路易发生过热烧蚀。故在实际使用时系统温度和压力不能太高。采用水蒸汽吸热器的系统：Solar One和西班牙的CESA-1试验电站，以及世界上第一座塔式太阳能商业电站，由西班牙Solucar公司建造、并于2007年初投入
9、商业运行的11 MW的PS10电站都采用了水蒸汽式吸热器。北京电工所王志峰老师的DAHAN塔式电站也采用水蒸汽吸热器。复合吸热器复合吸热器发挥空气吸热器和水蒸汽吸热器的共有长处，将两种吸热形式结合起来的吸热器称为复合吸热器。在这种复合吸热器中，管式水蒸汽吸热器主要用于产生蒸汽，空气吸热器产生的高温气体对蒸汽进行二次加热，使蒸汽过热并驱动汽轮机发电。LOGO四、碟式太阳能电站吸热器四、碟式太阳能电站吸热器腔体吸热器的形式James A与 Terry G在其1 9 8 5 年 在 S O L A R ENERGY上发表的论文中分别研究了圆柱形、平顶锥形、椭圆形、球形以及复合平顶锥形等5种腔式吸热器
10、的热性能，研究结果表明，吸热器腔体的形状对系统的能量分布有很大的影响，但对吸热器的热 效 率 影 响 很 小。韩国能源研究所详细分析了平顶锥形和半球圆柱复合形的腔式吸热器的热性能，计算结果表明平顶锥形比半球圆柱混合形吸热器的热性能好。中国科学院工程热物理研究所的张春平等也对平顶锥形腔式吸热器进行了热性能分析和实验研究，计算了在各种温度下各项热损失所占的比重及吸热器的总效率，并实验给出了加热功率与腔式吸热器的热功率的关系，实验表明，平顶锥形腔式吸热器具有良好的热性能。张春平所建的吸热器物理模型张春平所建的吸热器物理模型热损形式腔体内表面对聚焦腔体内表面对聚焦光的反射热损失光的反射热损失 腔体内表
11、面通过采腔体内表面通过采光口的辐射热损失光口的辐射热损失 腔体采光口的对流腔体采光口的对流热损失热损失 腔体壁面的导热损失腔体壁面的导热损失 分析及提出的改进意见分析及提出的改进意见1.腔口直径直接决定着反射热损失的大小；提高壁面吸收率,以减小反射热损失；开口面积等于腔体内表面积时,反射热损失最大。2.壁温对辐射热损失影响最大，因此及时将输入的太阳辐射能由工作介质输出,成为降低壁温的关键。3.内壁平均温度、腔口直径、腔内平均直径等决定着对流热损失的大小。尽可能小的腔口直径、内壁温度以及合理的腔内平均直径式减少对流热损失的关键，但又受制造条件、焦平面的能流分布及使用所需要腔口直径等因素的影响，故
12、要综合考虑。4.需优化腔体保温材料厚度，在腔体外径均大于临界热绝缘直径的情况下,增加保温材料厚度可减小导热热损失。5.吸热腔体的辐射热损失、对流热损失及导热热损失随着腔体内表面温度升高而增大,其中辐射热损失增幅最大,而反射热损失与腔体内表面温度无关,只与腔体内表面对太阳辐射的吸收率有关。吸热腔体的热效率随着内壁温度升高而降低。N.Sendhil Kumar在他Comparison of Receivers for Solar Dish Collector System和Numerical Investigation of Natural Convection Heat Loss in Modified Cavity Receiver for Fuzzy Focal Solar Dish Concentrator文章中以一个模糊聚焦碟式太阳能集热系统为例，比较了三种形式的吸热器性能。经比较得出结论是改进型腔体吸热器的效率最高，热损最小。CavitySemi-cavityModified cavity改良型腔体吸热器为最佳选择 LOGO
