碟式斯特林太阳能热发电系统接收器聚热技术

朱辰元，孙海英，梁伟青，杨戈尔，张建敏

（上海齐耀动力技术有限公司，上海 201203）

碟式斯特林太阳能热发电系统（下称碟式发电系统）主要由斯特林发动机、聚光碟、控制系统和接收器组成，其中接收器部件起着聚集太阳辐射热量并将该热量传递给斯特林发动机的功能，其结构和性能在碟式发电系统的能量转换效率中起着重要作用。目前，对碟式发电系统中的一些专用技术仍需要进行研究，接收器就是其中之一。国外使用的一些接收器，由于经聚光碟聚焦的辐射能在接收器内部分布不均匀，导致斯特林发动机的加热管管壁上出现热斑，热斑为局部高温点，该温度足以熔化加热管壁，使斯特林发动机由于加热管破裂导致工质泄漏无法继续工作，影响了碟式发电系统的可靠性。

上海齐耀动力技术有限公司通过对接收器的研究，掌握可靠的聚热技术，获得接收器内部温度场的分布规律，这对提高碟式发电系统的可靠性，尽快实现碟式产品商业化的应用具有重要意义。

1 接收器的结构特点

1.1 接收器分类

根据结构形式和使用场合的不同，可将接收器分为平板式、管式和腔体式接收器（或称容积式接收器）三类。其中，平板式接收器主要应用于低温场合，如太阳能热水器；管式接收器主要应用于中、低温场合，如槽式、塔式太阳能热发电系统；腔体式接收器主要应用于中、高温场合，如塔式、碟式发电系统中。碟式发电系统一般采用腔体式接收器，主要增大了传热面积，能够承受高达1MW／m2的热流通量，适合高温场合的使用。

本文主要针对中、高温条件下的接收器进行研究。根据接收器向斯特林发动机传递热量方式的不同，又可以分为直接照射型（直照型）、热管型和混合型几种。接收器中布置有吸热器，吸热器是将热量传递给工质的零部件，在斯特林发动机中也称加热器部件。

1.2 直照型接收器结构

太阳光直接照射到加热管上是目前碟式发电系统普遍使用的太阳能吸收方式之一。图1是直照型接收器和加热器的结构形式［1］。聚焦后的太阳光直接照射到加热管表面，管内工作介质通过吸收太阳辐射的能量来推动斯特林发动机运转。

图1 直照型接收器和加热器的结构形式

1.3 热管型接收器结构

热管型接收器是一种间接传热形式，导热介质位于接收器和斯特林发动机的加热器之间。在接收器一侧，导热介质吸收太阳能的热量蒸发，加热加热管内部的工质，冷凝后受重力的作用，重新流回到下部吸热器的一侧，成为一个持续传热的循环。这类吸热器的工作温度一般为650～850℃，工作介质主要为液态碱金属钠、钾或钠钾合金。图2为由美国Thermacore公司设计制造的热管型吸热器，设计容量为25～120kW。研究表明，热管型接收器相对于直接型接收器可以使发动机效率提高约20%［3］。

1.4 混合型接收器

图2 安装热管型接收器的斯特林发动机

太阳能热发电系统若要连续而稳定的发电，必须考虑阳光不足时或夜间运行的能量补充问题，其解决方案有燃烧和蓄热2种，对应两种混合型接收器：光气互补型和熔盐蓄热型接收器。

1）光气互补型接收器 在碟式发电系统中大多采用燃料燃烧的方式来补充能量，即在原有的接收器上添加燃烧系统。混合式热管接收器一般是由热管型接收器改造而成的以气体燃料作为能量补充的接收器。这种结构有利于提高碟式发电系统的适应性，实现连续供电，但结构复杂，制造难度大。图3展示了DLR开发出的一种混合式热管接收器［4］。

图3 DLR混合式热管接收器

2）熔盐蓄热型接收器 太阳能传热蓄热系统一般由接收器、高温罐、换热器、低温罐和泵组成，传热蓄热系统的工质一般采用熔融盐。利用熔融盐具有的传热、蓄热特性，可使斯特林发动机持续对外界做功，但熔融盐的温度和可靠的传输仍是个问题。

2 接收器尺寸对聚热的影响分析

2.1 尺寸的基本定义

直照型接收器属于腔体式接收器，形状包括圆柱形、平顶锥形、椭圆形、球形及复合平顶锥形等，最简单的结构是平顶锥形（见图1），而内腔的深度和入口直径直接影响接收器内聚焦热量的效率。

1）接收器的入口直径 接收器的入口直径也称焦平面直径，主要由聚光碟的设计特性决定。聚光碟有几何聚焦比CRg和光学聚焦比CR，表达式为：

式中：Arapp为聚光碟投影面积，mm2；Arec为接收器入口面积（或焦平面面积），mm2；Q为焦平面处的热流密度，kW／m2；Qbn为入射光热流密度（即光的辐射强度），kW／m2。

CR峰值时的数值一般是CRg的3～5倍［5］。一般情况下用几何聚焦比表征聚光碟的聚焦能力，该参数影响接收器内部所能达到的最高温度。

因为斯特林发动机的工作效率主要由工作温度和冷却端直接的温度差决定，温差越大，效率越高，为使斯特林发动机高效率工作，接收器内部的最高温度应大于1 000℃。据统计数据［6］，聚光比达2 300∶1以上时，接收器内部的温度才能达到使用要求。对碟面直径12m的聚光碟，接收器焦平面直径应小于240mm。而精度更高的聚光碟可将接收器入口直径做到小于200mm，几何聚焦比达到3 500∶1。另外，也可以通过光斑直径计算得到接收器入口的尺寸，表达式为：

式中：Ds为光斑直径，mm；D1为太阳直径的影响值：D1＝太阳至地球的距离×聚光碟焦距／太阳直径；D2为玻璃安装位置偏离光中心轴导致的影响值，理论计算值D2＝31～35mm；D3为玻璃表面几何误差的影响值，D3≈10mm；D4为碟架变形影响值，D4＝5～20mm；D5为跟踪精度、碟片自重和风荷载、安装内应力影响导致变形与移位值，D5＝0～20mm；α为光晕影响值，α≈2。

根据式（3）可以计算出，12m聚光碟的焦平面直径在200～240mm。

2）接收器的深度 接收器深度H的确定和聚光碟的开口直径以及聚光碟的边缘角Ψ有关，并影响能量在接收器内部的分布。太阳光经聚光碟聚焦后在接收器内的分布情况见图4。

2.2 接收器深度对聚热的影响

图4 太阳光在接收器内的分布图

图4显示有部分能量是照射在接收器内壁上，这部分能量将通过辐射方式反馈给加热管壁面。绝热层、加热器和辐射体的加热区域热流密度，是在光路分析得到3个加热区域的能量分布的基础上，将热量除以3个加热区域面积得到的。改变腔体的高度，会使3个加热区域上分布的太阳光能量比例以及绝热层壁面加热区域面积发生变化，进而影响各自热流密度的大小。接收器选用的3组不同高度下的加热区域能量比例（总加热量均按100kW计算）和热流密度值见表1。

表1 接收器内部理论能量分布情况

从表1可见，接收器的深度会直接影响加热管接受能量的数量，深度越小，加热管分配到的数值越大。但事实上由于存在热量从接收器口的逃逸，H值过小的接收器无法保持能量。为解决这一矛盾，在1kW斯特林发动机的试验中，在接收器口安装了玻璃板，该措施相对没有安装玻璃板前减少了热损失，并使接收器内部的温度在热气机运行时保持稳定，同时可使热气机的输出电功率提高15%，但过高的辐射强度也使玻璃表面出现溶化现象。

对于更高功率的斯特林发动机，接收器内壁接收的能量，反馈给加热管的方式可以降低加热管管壁温度不均匀的现象，同时起到一定的储热作用。

2.3 接收器内部的温度分布

根据前文分析，尺寸确定的接收器，腔体内部各加热区域的能量分布比例是一定的。因此，在保持其他边界条件不变的前提下，影响腔内温度分布的因素仅为进入接收器的总加热量大小。总加热量为75kW时接收器内部的温度分布云图如图5所示，不同总加热量条件下各区域温度比较见图6。

图5 总加热量75kW时接收器内部温度分布云图

图6 不同总加热量条件下各区域温度比较

由图5和图6可知，总加热量增加，绝热层加热段和加热器上表面的最高温度随之增加。计算发现，受附近绝热层加热段表面的影响，加热管靠近绝热层处虽没有直接受到光线的辐射，但受绝热层近距离辐射换热的作用，该加热管段的温度成为加热器外表面最高温度所在区域，极值接近1 200℃，这可能和计算时所选取的边界条件有关。

2.4 接收器深度对温度分布的影响

对开口尺寸确定的接收器可以通过改变腔体内部的高度，使进入腔体的太阳光的能量分布发生变化，进而影响腔内温度的分布。本文计算了深度分别为600mm和280mm的接收器接收相同聚热量内部温度的分布情况，如图7所示。

图7 不同深度接收器内部温度分布云图比较

数值比较结果如图8所示。计算结果和温度云图表明当高度增加，腔内辐射能量主要分布于绝热层壁面，而加热器和辐射体表面的能量减少。此时绝热层加热段区域的温度很高。当高度减少，绝热层壁面的辐射能量大大减少，辐射体分光锥的顶点区域出现了温度集聚，温度较高。

图8 不同深度条件下各区域温度比较

3 试验情况

3.1 试验装置的设计

利用对焦板试验装置进行了12m聚光碟的焦平面位置的校准和焦平面直径的测量试验，试验装置和试验情况如图9所示。在此基础上进行了接收器的试验，接收器试验装置和试验情况如图10所示。

图9 对焦板的试验装置和试验情况

图10 接收器试验装置和试验情况

试验中，模拟加热器内部填充导热油。经聚焦的太阳光能量被加热管内的导热油吸收，油温升高，与板式换热器内的冷却水进行热交换，冷却后再进入加热管内，形成闭式循环系统。其冷却系统如图11所示、导热油系统示意图如图12所示。

3.2 试验情况

焦平面的试验确认了12m聚光碟的焦平面位置和该处光斑的直径。试验发现聚光碟的设计和制造对焦平面的光斑直径以及温度影响很大。试验中发现光斑存在内外2圈，同时光斑直径偏大，没能达到所要求的240mm，这与聚光碟板没有调整到位有关。光斑直径和对焦板的位置关系如图13所示。

图11 冷却系统示意图

图12 导热油系统示意图

图13 光斑大小与对焦板位置关系图

接收器的试验进行了3个尺寸下的聚热试验，试验数据如表2所示。由表2可知，接收器深度越小，其所能接收的热量越多，这和理论计算结果相符。图14显示了接收器内聚集的热量随辐射强度变化的规律，但聚热量离设计指标还有一段距离，原因为：聚光碟聚焦比没有达到要求，包括聚光碟的反射率、聚光碟的聚焦能力；太阳的辐射强度没有达到设定值；接收器的效率较低。

图14 接收器内接收的热量情况

表2 不同深度接收器内部温度分布情况

试验中对接收器内壁进行了温度测量，发现在焦平面温度最高，而加热管和隔热层处的温度最低，这和前文的计算结果有所不同，计算结果表明该处的温度偏高，其原因可能和阳光没能更多照射到该处有关，但还需要进一步的试验。图7中显示分光锥顶端温度最高，在试验中得到验证，实际试验中该处的材料由于温度过高而碎裂。

4 结论

1）本文利用对焦板试验装置进行了12m聚光碟的焦平面位置的校准和焦平面直径的测量试验，试验表明，聚光碟的性能对接收器的聚热量有相当大的影响，需要对试验所使用的聚光碟进行改进设计和制造。在相同条件下，接收器的深度和聚热量成反比，深度越小，聚热量越大；接收器的深度和加热管的温差成反比，深度越大，温差越小。

2）斯特林发动机需要一个均匀的温度环境，不能为获得更大的聚热量或管壁温度而减小接收器的深度。因此，对接收器的深度而言，会有针对一个聚热量和温差之间的一个平衡点。另外，过小的深度会加大接收器的热量散失，降低其效率。由于聚光碟的效率和太阳能辐射强度等原因，试验中接收器内部没有获得设计中所需的热量，表明必须改进聚光碟的设计和制造，提高聚光比。

［1］Thomas R M.An overview：Component development for solar thermal systems［A］.Proceedings of the 7th International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies［C］.Moscow Russia，1994.

［2］William B.Stine，Richard B.Diver，“A Compendium of Solar Dish／Stirling Technology”［C］.Sandia National Laboratories，January 1994.

［3］Adkins DR，Andraka CE，Moreno JB，etc.Heat Pipe Solar Receiver Development Activities at Sandia National Laboratories［A］.Proceedings of the Renewable and Advanced Energy Conference［C］.Maui，HA，1999.

［4］Laing D，Reusch M.Design and Test Results of First and Second generation Hybrid Sodium Heat Pipe Receivers for Dish／Stirling Systems ［A］.Proceeding of the ASME International Solar Energy Conference［C］.Albuquerque，NM，1998.

［5］James A，Terry G.Thermal Performance of Solar Concentrator／Cavity receiver systems［J］.Solar Energy，1985，34（2）：135－142.

［6］Jaffe L D.Test results on parabolic dish concentrators for solar thermal power systems［J］.Solar Energy，1989（42）：173－187.