[科普中国]-太阳能接收器

发展背景

在化石能源日益枯竭的今天，对可再生能源的利用显得极为重要。太阳能作为一种新型的清洁无污染的可再生资源有着巨大的开发前景。

我国地处北半球欧亚大陆的东部，有着十分丰富的太阳能资源，合理地开发与利用太阳能资源有着重要的意义。最大限度地利用太阳能的前提是使单位面积的接收器能够接收更多的太阳辐射能。理论研究和应用实践都表明采用能够自动跟踪太阳位置的接收器可以使接收效率大大提高，但是系统较为复杂，且系统的运行需要消耗一定能量。2

20世纪80年代以来，塔式太阳能热发电技术得到了迅速的发展。这种电站的运行参数和高温高压的常规电站基本相同，因此不仅拥有比较高的发电效率，而且容易获得相关的配套设备。

国内外多年的研究表明，塔式太阳能热发电技术是最有可能实现大功率发电、引起能源革命，并最终替代常规能源最经济的手段之一，拥有广阔的商业应用前景。

塔式太阳能热发电系统主要由聚光子系统、集热子系统、蓄热子系统和发电子系统等部分组成。它是在很大面积的场地上装有许多台定日镜，每台都各自配有跟踪结构，准确地将太阳辐射反射集中到一个高塔顶部的接收器上。

接收器上的聚光比可超过1000，把吸收的太阳辐射能转换成热能，再将热能传给工质，经过蓄热环节，再输入热动力机，膨胀做功，带动发电机，最后以电能的形式输出。1

对于固定式太阳能接收器通过采用适当的安装倾角也可以改善接收效果。就固定式和跟踪式这两种接收器的太阳能接受状况和在同一纬度下采用不同安装倾角的能量接收差别进行比较。从而为选择合适的接收器类型和安装倾角提供依据。

太阳高度角太阳高度角是太阳光线与地表水平面之间的最小夹角。在0°~90°之间变化。太阳高度角愈小，等量的太阳辐射能光束所散布的面积愈大，地表单位面积上所获得太阳辐射能就愈少。太阳高度角随时间、地点而不同。

赤纬角为太阳直射光线与赤道平面之间的夹角，在一天当中，太阳赤纬角变化很小，位置变化主要由地球自转引起。一天当中随时间变化引起的太阳位置的变化可由时角ω表示，太阳在正午时为0°，每小时变化15°，上午为正，下午为负。

碟式太阳能热发电系统主要包括碟式聚光镜、发电机、接收器这几大部分。其系统工作原理为借助一抛物面状的碟形聚光器聚集太阳辐射到到接收器中，接收器将吸收的能量传递到热电转换系统，成功将太阳能转换为电能。2

太阳跟踪与非跟踪情况下能量接受率的比较在太阳能应用中，通常总是将采光面倾斜放置，以提高太阳能的接受率。倾角的大小与纬度等因素有关，一般采用45°左右。

利用公式计算倾角为45°和0°，纬度为37°时一年中接收器单位面积上接受太阳能的分布情况安装倾角为0°时接受能量的峰值位于每天的中午和夏至附近，但全年接收的总能量较安装倾角为45°时小；安装倾角为45°时每天的中午接受的能量不一定最大，接收能量的峰值也不在夏至附近，但全年接收的总辐射能较安装角为0°大。

接收器在倾角为45°时，一年中太阳能的平均接受率达到0.908，而倾角为0°时，全年平均接受率为0.602。

而且在倾角为45°时处于高接受率的天数比较多。因此在没有跟踪的情况下，选择合适的倾角可以大大提高太阳能的接收率。纬度不同，在倾角相同的情况下，采用跟踪与非跟踪，其太阳能接收率是有差别的。

一年中太阳能的平均接受率分别为0.908、0.914、0.896。由此可见在不同纬度接收器的最佳安装倾角是不同的，相同倾角时纬度越低，接收器对太阳能的接受率越大。此外采用跟踪器可以进一步提高太阳能的接收率。2

同一纬度下选择合适的倾角可以大大提高太阳能的接收率。在不同纬度下接收器的最佳安装倾角有所不同，相同倾角时纬度越低，接收器对太阳能的接受率越大。采用跟踪式太阳能接收器比固定式太阳能接收器的接收效率要高。2

塔式太阳能接收器在塔式太阳能热发电系统中，太阳能接收器是塔式太阳能热发电集热系统的重要组成部分，是光热转换的关键部分。塔式太阳能接收器，按工作介质的吸热方式，主要可分为间接式和直接式两大类。

间接式太阳能接收器间接式太阳能接收器的工作特点主要是接收器中工质的吸热过程不直接发生在太阳照射面上，而是通过将入射聚焦的辐射太阳能先加热受热面，受热面受热升温后再穿过壁面将热量传递给另一侧的工质。

典型的管状接收器就属于这一类，通过在管内流动的工作介质，吸收圆管外表面的辐射太阳能。管状接收器又可分为外露式管状太阳能接收器和腔式管状太阳能接收器。

外露式管状太阳能接收器，可采用水—蒸汽、熔盐、空气等多种工质。应用的代表是美国的塔式热发电电站—太阳能1号和太阳能2号。太阳能1号接收器中的熔盐介质被加热到565 ℃时 ，输送到高温储罐储存，需用时将高温熔盐泵入蒸汽发生器内，加热给水，产生500 ℃以上的蒸汽，推动汽轮机发电。高温熔盐在蒸汽发生器中经热交换后，温度降至288 ℃，被泵入低温储罐中存储，需用时，再泵入塔顶上的接收器内进行加热。

太阳能2号电站采用外圆柱面形管板式接收器在24块面板上一共安装了768根内径2． 6 cm、壁厚0． 12 cm的不锈钢管，整个接收器的直径为5． 1 m、高6． 2 m。较之太阳能1号电站中的工作介质采用水—蒸汽，太阳能2号电站的工作介质改为熔盐，熔盐系统采用无压运行，对吸热管强度要求低，因此能承受更高的辐照量，吸热器可做得更紧凑。

吸热管外表面上涂有坚固的Pyro-mark( 有机硅耐高温涂料) 涂层，则可实时吸收95%的辐射太阳能。太阳能2号电站运行测得数据表明，在平均太阳辐射能流密度430 kw /m2的条件下，接收器的额定功率达42． 2 MW。

系统正常工作时，工质熔盐分两路从正北方向进入接收器。一路工质流动通过管板W1至W6后，横跨到东侧的管板E7，然后沿着东南侧的各管板，一直流到正南侧，最后经管板E12流出接收器。另一路工质流动通过管板E1至E6后，横跨到西侧的管板W7，然后沿着西南侧的各管板，一直流到正南侧，最后经管板W12流出接收器。

在同一回路中，相邻两管板间的流动，其按U形方向流动。这样东西交叉的回路设计，既可以保持两路载热流体吸热量的基本平衡，又可以使熔盐工质在接收器内充分吸热，以确保熔工质流出接收器时能够达到设计的温度值外露式管状太阳能接收器构造简单、成本低，而且它可以接收来自塔体四周360°范围内，通过定日镜反射、聚焦的辐射太阳能，这样有利于定日镜场的布局设计，促进太阳能的大规模利用。

然而由于吸热圆管直接暴露在外部环境中，多风天气时，辐射、对流热损失较大，因此外露式管状太阳能接收器的热效率相对较低。

腔式管状太阳能接收器腔式管状太阳能接收器中，吸热管都布置在腔体内，并设有一个窗口接受辐射太阳能。

腔式窗口以一定的倾斜角，面向定日镜方向，太阳能辐射经窗口进入腔内，与接收器的工作介质在腔体内发生热交换。

我国首座兆瓦级的塔式电站———大汉电站，2006年在北京延庆地区开始建设。电站由太阳能聚焦装置和蒸汽发生子系统、热能储存子系统和发电子系统组成。接收器内产生过热蒸汽，直接推动汽轮机发电，冷凝水经除氧器除氧，又送入接收器内循环使用。

当接收器内产生的蒸汽量大于汽轮机发电所需汽量时，剩余的蒸汽进入热能储存子系统，与蓄热介质油进行热交换，储存热能。

当接收器不能产生足够的蒸汽时，储存的热能将被释放。另外，该电站设有以天然气为燃料的辅助加热装置，保证系统的稳定运行。电站中采用的腔式管状接收器。该接收器采用强迫循环技术，呈六棱柱型。

接收器中，辐射能流密度的分布规律为: 后墙最强; 右后墙和左后墙次之; 底部、右前墙和左前墙最弱，即能流密度在后墙、右后墙和左后墙的中心附近处最强，往四周方向依次减弱。

根据辐射能流密度的分布规律，在接收器腔体内侧的后墙及左右后墙处，布置由七组受热面并联而成的蒸发面，在左右前墙处，布置有四组过热装置。

接收器内工作介质为水—蒸汽，产生的高压蒸汽直接推动汽轮机做功发电。水具有热导率高，无毒、无腐蚀，易于运输等优点。

不过水—蒸汽作为工作介质也会有技术难点: 高温时会产生高压问题，对管路系统要求高，吸热过程中存在两相流问题，控制系统复杂。

因此实际使用过程中，系统的温度和压力均不能太高。2012年8月9日，大汉太阳能热发电实验电站全系统贯通，首次太阳能发电实验获得成功，蒸汽参数达到蒸汽温度为400 ℃，蒸汽压力为4 MPa。

腔式管状接收器内的圆管还有螺旋型布置方式，其制造及安装方便，通常可作为多级串联接收器的第一级或者预热装置使用，以降低成本。

腔式管状接收器相比于外露式，吸热管布置于腔体内，辐射、对流热损失都较小，拥有更高的热效率。但聚焦太阳辐射只能从单面采光口进入，定日镜场只能在约120°范围内布置，限制了太阳能大规模使用。1

直接式太阳能接收器直接式太阳能接收器的工作特点是利用太阳能辐射加热受热面再由接收器向工质的传热过程，发生在同一表面含有多孔结构的吸热体吸收辐射太阳能，空气被强制通过吸热体，与多孔结构发生对流换热后升至高温。

直接式太阳能接收器又可分为无压式直接照射太阳能接收器和有压式直接照射太阳能接收器两类。

无压式直接照射太阳能接收器无压式直接照射太阳能接收器通常要求吸热体具有较高的吸热性、优良的导热性和渗透性，并且具有较强的耐热性和较大的比表面积。

早期的直接照射太阳能接收器多采用金属密网作为吸热体，空气作为工作介质，如此具有环境友好、无腐蚀性、不易燃及结构简单等优点。1986年以来，PSA一直致力于直接照射太阳能接收器的研究，2001年西班牙能源、环境和技术研究中心(CIEMAT － PSA) 又设计了一个新型接收器(SIREC)。

该接收器的有效直径为760 mm，深190 mm。测试结果表明，平均入射能流密度为300 k W/m2时，空气的平均出口温度可达到710 ℃，并且热效率为48%，冷空气回流率在42%到45%之间。

此类接收器受到不稳定的太阳能照射时，容易使吸收体局部温度剧烈变化从而产生热应力，因此该类接收器所能承受的太阳能热流密度一般不超过500 k W/m2。

并且吸热体为金属密网，工作温度不能超过800 ℃。在接收器中被加热的热空气，输往蒸汽发生器或者进入储热罐，与储热介质进行热交换，储存热能，保证电站的连续运行。

为解决金属密网耐高温性能差等问题，现已多使用陶瓷等材料替代金属密网，具有耐高温、耐腐蚀、使用寿命长等优点。

有压式直接照射太阳能接收器有压式直接照射太阳能接收器，换热效率高，是未来发展的主体。有压式与无压式相比，多加装了一个透明的抛物面状石英玻璃窗。

太阳能辐射通过石英玻璃窗口，然后进入接收器内部，这样可使接收器内部保持一定的压力，且将反射损失减少到最小。增压使内部空气流动为湍流，强化了空气与吸热体间的换热，以此降低吸热体的热应力，最高出口空气温度可达1 300 ℃。

以色列一直致力于该项技术的研究，并取得了较大的进展。其接收器外径约0． 42 m，长0． 35 m。针状接收器吸收聚焦辐射太阳能，并转换为热量传递给工作介质。孔口紧靠圆锥形石英玻璃窗，实验测试表明，玻璃窗可以承受的压力超过50bar，并且对表面污染不敏感。

测试时，绝大多数工作气体( 空气) 从主要入口流进接受器内，获得较高流速后沿着玻璃窗一直流向接收器前部，然后回流，在针状吸热体间流动吸热。少量的工作气体也可直接通过二次入口进入接收器。经过250小时的测试，结果显示，出口空气的平均温度可达1 200 ℃，工作压力在17 － 20 bar之间，入射太阳能辐射强度在3 600 － 5 300 k W/m2之间，总效率在70 － 80%之间。

在此接收器的研究基础上，设计师在以色列南部的阿拉瓦(Arava) 沙漠建造了一座模块化混合式联合循环太阳能热力发电系统，该电站的集热塔外形似一朵郁金香，单个模块的发电容量为100 k We。模块间互不影响，又可相互连接组建成大规模的光热发电场。来自压缩机的空气在进入燃气轮机的燃烧室之前，在接收器内进行预热。该系统适用于1 － 100 MW级别的塔式电站，系统效率高，可减少定日镜场面积，因此降低了电站的投资。1

复合型接收器Reiner Buck和Christian Barth等人提出了复合型接收器的概念。在这种复合型接收器中，蒸汽在管式蒸发器中产生，空气接收器产生的高温气体对给水进行二次加热，并将蒸汽加热到过热状态，推动汽轮机做功发电。

管式接收器内温度不超过300 ℃，相应的入射太阳能辐射强度不超过350 k W/m2，与传统的蒸汽发生器参数接近，已有一定的运行经验。

电站运行时测得，空气出口温度达500 ℃，可送入燃气轮机做功。该接收器热效率可达87%，相对于高温接收器，复合型接收器的热力损失小。然而，该种接收器制造更加困难，蒸汽存储仍需研究发展。

多级接收器Kribus A等人提出了多级接收器的概念，根据辐射强度分布情况将接收器分成不同的级别，工作介质按顺序穿过辐射强度逐渐升高的各级接收器，并被逐渐加热升温。

魏茨曼(Weizmann) 科学研究所设计的塔式电站中，采用了两级接收器。高温级采用有压式直接照射太阳能接收器，低温级采用了螺旋型腔式管状接收器，布置在高温级周围。空气出口温度达1 000 ℃，其中在低温级内达到750 ℃。发电量为55 k We。多级接收器对流等热损失小，具有较高的效率，发电成本可降至每度0． 082美元，有较好的商业应用前景。

目前已投运的塔式电站中，接收器以间接腔式为主，工作介质多采用水－蒸汽。这主要是由于间接腔式较间接外露式效率高，较直接式具有结构简单、造价低等优势，水－蒸汽作为工作介质与传统电站的运行参数相近，有一定的经验，技术成熟、风险小。1

展望对国内外现有塔式太阳能热发电接收器不同结构和工作介质进行分析研究，结论如下:

(1) 腔式管状太阳能接收器较外露式管状太阳能接收器，热损失小、效率高，但结构复杂、造价高、定日镜布置受限。

(2) 直接照射太阳能接收器以空气作为工作介质，存在局部热效应力问题，技术风险大，采用发泡陶瓷或陶瓷纤维作为吸热体材料的有压式直接照射太阳能接收器是未来的研究方向。

(3) 水—蒸汽作为工作介质时，高温蒸汽可直接推动汽轮机发电，技术风险小，结构相对简单，但管路及容器等需承受高压，因此实际使用时温度和压力受限。熔盐热容量大，系统无压运行且能承受高热流密度。

(4) 复合型和多级型接收器具有高效率，可减少定日镜场面积，因此大大降低发电成本，拥有巨大的商业应用前景，但构造复杂、存储结构仍需研究。1

碟式太阳能热发电系统简介碟式太阳能热发电系统具有工作温度高、聚光效率高、系统高效、安装方便的特点，而且便于应用在分布式能源系统的建立，吸引了许多国家和地区的研究机构。

从上世纪80年代起，美国、欧洲等多国开展了对碟式太阳能热发电系统及其重要部件的研究。在碟式太阳能热发电系统中，接收器是其核心部件，目前关于接收器的研究也较多。研究者们提出了多种方案，并且对每种方案进行了评估。目前，关于接收器的研究，其重点有如下两个：如何控制并降低接收器的成本；如何提高其稳定性和工作效率。3

直接照射接收器这种接收器是的工作原理是：将斯特林发动机的换热管簇弯制组合成盘状，通过聚光镜聚集后的太阳光照射到这个盘的表面，也就是每根换热管的表面，管内工作流体高速流过，吸收了太阳辐射的能量，达到较高的温度和压力，从而实现斯特林发动机的运转。

由于斯特林换热管内存在高流速高压力的氦气或氢气，而其具有很强的换热能力，使得直接照射接收器热流接收密度比较高，可以达到75W/cm2。但是，太阳辐射强度具有不稳定性以及聚光镜本身的加工并不能保证十分精细，由此导致换热管受热并不均匀与稳定，因此，多缸斯特林发动机中难以保证各气缸热量、温度的平衡就成为其不可忽视的缺点。3

间接受热接收器由于直接照射接收器存在受热不均匀等问题，相对应地提出将液态金属应用于接收器，利用液态金属的蒸发和冷凝传递热量。使用液态金属的接收器有效克服了直接照射接收器难以等温的缺点，提高了热机的工作效率。这类接收器的工作温度一般为650℃~850℃，而工作介质主要选择液态碱金属钠、钾、或钠钾合金。

池沸腾接收器的结构简单，池内充有大量液态金属，在换热表面吸收来自太阳的能量，受热产生的蒸汽在冷凝时放热，将热量传递到换热管。

冷凝后的液态金属由于重力又回到液态金属池，完成以此热量传递循环。Douglas B. O.首先提出这种接收器型式，但发明者并未对其进行实验研究。后来的研究者们提出了不同的结构型式，并对它们进行了详细的测试。20世纪80年代末，Moreno，J. B等人首先对被其称为“第一代池沸腾接收器”展开研究。

随后针对第一代池沸腾接收器存在的问题，Moreno，J. B等做出了许多的改进，改进后的接收器被称为第二代池沸腾接收器。该接收器采用液态金属钠作为相变换热的工质，实验时则充入一定量的惰性气体氙以改善其热态再启动的性能。接收器最高热流密度为58W/cm2，未充入惰性气体时能够在750℃进行稳定地沸腾传热，但在热态再启动时存在短暂的过热问题。

在充入了惰性气体氙之后，则表现出良好的热态再启动性能，并且能够在700℃以及500℃（输入功率为设计功率的1/2时） 进行稳定的沸腾传热。该接收器在输入功率69.6k Wt时工作温度为750℃，而此时的热效率达到了92.3%。另外，实验还证明了第一代池沸腾接收器烧毁主要是液态金属的膜态沸腾引起的。池沸腾接收器具有非常明显的优点：

（1）整体结构较为简单，制造成本低。

（2）适应性强，可以适应较大倾角。

（3）效率较高。

但是这种接收器也存在明显的不足之处：

（1）要求工质的充装量较大，一旦发生泄漏将非常危险。

（2）液态金属池内沸腾的机理研究仍然处于探索阶段，其传热特性及控制因素仍不为人们所了解，特别是在交变热流密度条件下沸腾传热的特性。3

热管接收器所谓热管接收器，是指借助毛细吸液芯结构将液体金属分布在换热器表面的接收器。

这种接收器的受热面一般为拱形，其表面分布有吸液芯，可以使液态金属均匀分布于换热管的表面。吸液芯的结构可以有多种，包括金属毡、不锈钢丝网等。与池沸腾接收器的工作原理类似，液态金属受热气化至换热管冷凝，冷凝的同时放热将热量传递给换热管，之后冷凝液在重力的作用下重新流回换热管表面。

不同的是，借助吸液芯，液态金属可以始终处于饱和状态，如此接收器内的温度保持一致，从而使受热更加均匀。有研究表明，将热管接收器应用于碟式系统，效率较直接照射接收器提高了大约20%。在美国各研究机构进行上述结构热管接收器研究的同时，德国航空航天中心（DLR）也设计了一种新型的热管接收器，并进行了试验研究，该接收器的受热面为锥形，接收器内也布有吸液芯，吸液芯由8层150目Inconel 600丝网复合加工而成。

斯特林热机换热管径向穿过蒸汽腔。该类接收器的容量为40k Wt，可承受的最高热流密度54W/cm2。之后，DLR又对第一代接收器进行了改造，设计制造了第二代热管接收器。

第二代热管接收器由两个直径不同的圆筒加工成径向传热的热管，传统的斯特林热机换热管则从以往的直接穿过蒸汽腔改成了嵌箍于接收器的外筒外壁。接收器的外壳采用Inconel 625，厚度4mm。除此而外，在这种接收器的一段装有陶瓷泡沫的射孔，背面也设有一漫反射陶瓷锥体。这一结构主要是为了减少进光损失，事实上，该结构可使接收器仅损失约1%的进光。接收器内的吸液芯仍采用Inconel 600的丝网制作。

该接收器在一SBP 9k We碟式斯特林系统中进行了测试，共运行950小时，系统最高热电转换效率为18%，日平均效率则为15.4%。氦气工作温度为700℃，而热管管内钠蒸气温度达到820℃。

最终在热管的内筒出现烧毁泄露的情况，出现这一情况的原因被认为是钠的氧化物堵塞了吸液芯造成了局部过热。

相对于池沸腾接收器，热管接收器无论从理论研究还是从实际运行性能上都具有明显的优越性：

（1） 由于对液态金属热管传热机理的了解远比液态金属池内沸腾的了解要清楚，这样对于设计接收器来说就多了一些理论依据，给设计带来方便。

（2）同时，由于吸液芯的使用，使液态金属的充装量可以很小，减小了因泄漏而可能发生的危险，接收器运行更加稳定可靠，当然也节约了液态金属这部分的成本。

（3）由于吸液芯的作用，使换热表面上的沸腾更加稳定，避免了出现过热点，提高了接收器的寿命和可靠性。

但也应注意到，热管接收器比池沸腾接收器结构要复杂一些，制造上难度加大，特别是对吸液芯的要求较高。要求吸液芯结构在具有较大孔隙率的同时，还要具有较小的回流阻力。另外，吸液芯与加热表面的接合也是需要解决的一个问题。因此可以说，对高性能吸液芯的开发，是当前热管接收器研究与开发最关键的问题之一。3

混合式热管接收器受限于太阳能自身的缺点，太阳能利用存在着固有的不连续性，难以实现连续而稳定的发电。因此，需要将阳光不足以及夜间无太阳能时如何对太阳能热发电系统进行能量补充考虑在内。在这种情况下，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统的基础上添加燃烧系统对其进行改造。所谓混合式热管接收器就是以燃气作为能量补充的接收器。德国DLR对混合式热管接收器进行了研制并测试，后经过改进又研究开发出第二代混合式热管接收器。

这类热管外筒直径为360mm，内筒直径为210mm，筒深为240mm。热管材料为Inconel625。吸液芯材料可以选择Inconel 600丝网或者是由金属粉末高频等离子溅射制作的烧结芯。接收器设计功率为45k Wt，设计工作温度为700℃~850℃。可看到该接收器与DLR之前所开发的热管式接收器结构上有很大的相似之处。

无论是太阳能还是燃料燃烧所产生的热能都可以加热斯特林热机换热管内的工质，实现了热发电系统的连续运行。有数据表明，使用该种类型的碟式系统在由太阳能供能时的热电效率可以达到16%，在混合供能时可以达到15%。混合式热管接收器具有适应性强、可以实现连续供电、供热的特点，但是由于燃烧系统的加入导致其结构复杂、制造难度较大，使得成本大大提高，这是其不可忽视的缺点。3

分析与结论（1）直接受热式接收器，结构简单，便于加工，制造成本低。但是工作室难以保证换热管内流体受热均匀，使得机体运行稳定性难以保证。

（2）池沸腾接收器应用了业态金属的吸热蒸发和冷凝放热，使得换热管受热较为均匀，较直接照射接收器大大提高了受热和工作效率。

（3）热管接收器由于使用了吸液芯结构使得液态金属分布均匀，同时减少了液态金属的充装量，运行可靠性和工作效率都得到显著提高。

（4）混合式热管接收器可以实现连续工作，但其缺点显而易见，结构复杂，生产成本较高，一定程度上制约了其发展。

综上所述，由于热管本身具有的优秀的传热性能，其在碟式太阳能热发电系统接收器中的应用显示出良好的前景。

我国对碟式太阳能热发电系统接受器的研究还处于起步阶段，应在借鉴国外研究经验的基础上，尽快开发出具有自主知识产权的、高效率、低成本的热管接收器。3