淺析碟式太陽能熱發電系統接收器

摘 要：接收器是碟式太陽能熱發電系統的核心部件，在能量轉換效率中起著重要的作用，其性能直接影響著整個系統的運行效率。文章對幾種已經成功運行的接收器的設計、結構及其性能進行分析評價，針對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，分析結果表明熱管式接收器能夠提高熱發電系統的安全性和效率，可適用于不同的跟蹤系統，具有良好的開發應用前景。

關鍵詞：碟式太陽能；接收器；熱管；熱發電

1 概述

碟式太陽能熱發電系統主要包括碟式聚光鏡、發電機、接收器這幾大部分。其系統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換系統，成功將太陽能轉換為電能。

碟式太陽能熱發電系統具有工作溫度高、聚光效率高、系統高效、安裝方便的特點，而且便于應用在分布式能源系統的建立，吸引了許多國家和地區的研究機構。從上世紀80年代起，美國、歐洲等多國開展了對碟式太陽能熱發電系統及其重要部件的研究。在碟式太陽能熱發電系統中，接收器是其核心部件，目前關于接收器的研究也較多。研究者們提出了多種方案，并且對每種方案進行了評估。目前，關于接收器的研究，其重點有如下兩個：如何控制并降低接收器的成本；如何提高其穩定性和工作效率。

文章將針對幾種典型的接收器進行分析，探討其工作特性及優缺點，為我國在此領域的進一步發展提供一定的參考依據。

2 直接照射接收器

這種接收器是的工作原理是：將斯特林發動機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盤的表面，也就是每根換熱管的表面，管內工作流體高速流過，吸收了太陽輻射的能量，達到較高的溫度和壓力，從而實現斯特林發動機的運轉。

由于斯特林換熱管內存在高流速高壓力的氦氣或氫氣，而其具有很強的換熱能力，使得直接照射接收器熱流接收密度比較高，可以達到75W/cm2。但是，太陽輻射強度具有不穩定性以及聚光鏡本身的加工并不能保證十分精細，由此導致換熱管受熱并不均勻與穩定，因此，多缸斯特林發動機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。

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，相對應地提出將液態金屬應用于接收器，利用液態金屬的蒸發和冷凝傳遞熱量。使用液態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，提高了熱機的工作效率。這類接收器的工作溫度一般為650℃～850℃，而工作介質主要選擇液態堿金屬鈉、鉀、或鈉鉀合金。

3.1 池沸騰接收器

該類接收器的結構簡單，池內充有大量液態金屬，在換熱表面吸收來自太陽的能量，受熱產生的蒸汽在冷凝時放熱，將熱量傳遞到換熱管。冷凝后的液態金屬由于重力又回到液態金屬池，完成以此熱量傳遞循環。Douglas B. O.首先提出這種接收器型式，但發明者并未對其進行實驗研究。后來的研究者們提出了不同的結構型式，并對它們進行了詳細的測試。20世紀80年代末，Moreno， J. B等人首先對被其稱為“第一代池沸騰接收器”展開研究。隨后針對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，改進后的接收器被稱為第二代池沸騰接收器。該接收器采用液態金屬鈉作為相變換熱的工質，實驗時則充入一定量的惰性氣體氙以改善其熱態再啟動的性能。接收器最高熱流密度為58W/cm2，未充入惰性氣體時能夠在750℃進行穩定地沸騰傳熱，但在熱態再啟動時存在短暫的過熱問題。在充入了惰性氣體氙之后，則表現出良好的熱態再啟動性能，并且能夠在700℃以及500℃（輸入功率為設計功率的1/2時）進行穩定的沸騰傳熱。該接收器在輸入功率69.6kWt時工作溫度為750℃，而此時的熱效率達到了92.3%。另外，實驗還證明了第一代池沸騰接收器燒毀主要是液態金屬的膜態沸騰引起的。

池沸騰接收器具有非常明顯的優點：（1）整體結構較為簡單，制造成本低。（2）適應性強，可以適應較大傾角。（3）效率較高。但是這種接收器也存在明顯的不足之處：（1）要求工質的充裝量較大，一旦發生泄漏將非常危險。（2）液態金屬池內沸騰的機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，是指借助毛細吸液芯結構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，可以使液態金屬均勻分布于換熱管的表面。吸液芯的結構可以有多種，包括金屬氈、不銹鋼絲網等。與池沸騰接收器的工作原理類似，液態金屬受熱氣化至換熱管冷凝，冷凝的同時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換熱管表面。不同的是，借助吸液芯，液態金屬可以始終處于飽和狀態，如此接收器內的溫度保持一致，從而使受熱更加均勻。有研究表明，將熱管接收器應用于碟式系統，效率較直接照射接收器提高了大約20%。

在美國各研究機構進行上述結構熱管接收器研究的同時，德國航空航天中心（DLR）[3]也設計了一種新型的熱管接收器，并進行了試驗研究，該接收器的受熱面為錐形，接收器內也布有吸液芯，吸液芯由8層150目Inconel 600絲網復合加工而成。斯特林熱機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又對第一代接收器進行了改造，設計制造了第二代熱管接收器。

第二代熱管接收器由兩個直徑不同的圓筒加工成徑向傳熱的熱管，傳統的斯特林熱機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，背面也設有一漫反射陶瓷錐體。這一結構主要是為了減少進光損失，事實上，該結構可使接收器僅損失約1%的進光。接收器內的吸液芯仍采用Inconel 600的絲網制作。該接收器在一SBP 9kWe 碟式斯特林系統中進行了測試，共運行950小時，系統最高熱電轉換效率為18%，日平均效率則為15.4%。氦氣工作溫度為700℃，而熱管管內鈉蒸氣溫度達到820℃。最終在熱管的內筒出現燒毀泄露的情況，出現這一情況的原因被認為是鈉的氧化物堵塞了吸液芯造成了局部過熱。

相對于池沸騰接收器，熱管接收器無論從理論研究還是從實際運行性能上都具有明顯的優越性：（1）由于對液態金屬熱管傳熱機理的了解遠比液態金屬池內沸騰的了解要清楚，這樣對于設計接收器來說就多了一些理論依據，給設計帶來方便。（2）同時，由于吸液芯的使用，使液態金屬的充裝量可以很小，減小了因泄漏而可能發生的危險，接收器運行更加穩定可靠，當然也節約了液態金屬這部分的成本。（3）由于吸液芯的作用，使換熱表面上的沸騰更加穩定，避免了出現過熱點，提高了接收器的壽命和可靠性。

但也應注意到，熱管接收器比池沸騰接收器結構要復雜一些，制造上難度加大，特別是對吸液芯的要求較高。要求吸液芯結構在具有較大孔隙率的同時，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問題。因此可以說，對高性能吸液芯的開發，是當前熱管接收器研究與開發最關鍵的問題之一。

3.3 混合式熱管接收器

受限于太陽能自身的缺點，太陽能利用存在著固有的不連續性，難以實現連續而穩定的發電。因此，需要將陽光不足以及夜間無太陽能時如何對太陽能熱發電系統進行能量補充考慮在內。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的基礎上添加燃燒系統對其進行改造。所謂混合式熱管接收器就是以燃氣作為能量補充的接收器。

德國DLR對混合式熱管接收器進行了研制并測試，后經過改進又研究開發出第二代混合式熱管接收器。這類熱管外筒直徑為360mm，內筒直徑為210mm，筒深為240mm。熱管材料為Inconel 625。吸液芯材料可以選擇Inconel 600絲網或者是由金屬粉末高頻等離子濺射制作的燒結芯。接收器設計功率為45kWt，設計工作溫度為700℃～850℃。

可看到該接收器與DLR之前所開發的熱管式接收器結構上有很大的相似之處。無論是太陽能還是燃料燃燒所產生的熱能都可以加熱斯特林熱機換熱管內的工質，實現了熱發電系統的連續運行。有數據表明，使用該種類型的碟式系統在由太陽能供能時的熱電效率可以達到16%，在混合供能時可以達到15%。

混合式熱管接收器具有適應性強、可以實現連續供電、供熱的特點，但是由于燃燒系統的加入導致其結構復雜、制造難度較大，使得成本大大提高，這是其不可忽視的缺點。

4 分析與結論

（1）直接受熱式接收器，結構簡單，便于加工，制造成本低。但是工作室難以保證換熱管內流體受熱均勻，使得機體運行穩定性難以保證。（2）池沸騰接收器應用了業態金屬的吸熱蒸發和冷凝放熱，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構使得液態金屬分布均勻，同時減少了液態金屬的充裝量，運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現連續工作，但其缺點顯而易見，結構復雜，生產成本較高，一定程度上制約了其發展。

綜上所述，由于熱管本身具有的優秀的傳熱性能，其在碟式太陽能熱發電系統接收器中的應用顯示出良好的前景。我國對碟式太陽能熱發電系統接受器的研究還處于起步階段，應在借鑒國外研究經驗的基礎上，盡快開發出具有自主知識產權的、高效率、低成本的熱管接收器。

參考文獻

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[3]Laing， D.； Reusch， M.， Design and Test Results of First and Second generation Hybrid Sodium Heat Pipe Receivers for Dish/Stirling Systems， proceeding of the ASME International Solar Energy Converence， Albuquerque， NM， 1998.