塔式太阳能热发电用空气吸热器研究综述

王沛，刘德有，许昌，郭苏

(河海大学 能源与电气学院，南京 210098)

0 引言

塔式太阳能热发电是以中央集热系统(CRS)为核心的一种热发电模式，其吸热器通过定日镜群将低密度的太阳光热辐射能聚焦并转化为传热工质的内能，最终仅工质进入透平做功产生电能。吸热器运行的热效率和稳定性直接决定了塔式太阳能热发电系统的经济性和可靠性。

1 塔式系统空气吸热器的种类

吸热器按照传热工质来区分主要有熔融盐、水和空气3种，对应的装置结构、运行模式和传热特性都具有明显的区别。

以熔融盐作为吸热器工作介质的优点主要有:系统无压运行，提高了运行的安全性;工质在整个热力循环中不产生相变;热容大，使受热面能承受较高的热流密度，从而优化了吸热器的整体结构，减少了制造成本，同时降低了热损;由于熔融盐本身具有优良的蓄热特性，使热力系统的传热、蓄热可共用同一工质，极大地简化了系统。

以水/蒸汽为工质的吸热器实质上就是一个由聚焦太阳能为热源的蒸汽锅炉。产生的高压蒸汽直接推动汽轮机发电，省去了换热器，简化了系统。由于基于传统的锅炉原理，最早的商业化电站即是以水为工质的西班牙PS10电站。

以空气为介质的吸热器按热力循环类型又可分为开式和闭式2种［1］。开式循环，吸入的空气经加热后送入蒸发器、再热器、回热器、省煤器加热蒸汽参与朗肯循环。闭式循环，经压缩机压缩后的空气进入有压腔体内预热，然后送入燃烧室混合燃烧再送至燃汽轮机参与布雷顿循环。根据工程热力学原理，吸热器空气出口温度越高，整个系统效率越高。原有的金属结构吸热体由于极限温度的限制逐渐被泡沫陶瓷(SiSiC，re-SiC)吸热体取代。泡沫陶瓷具有耐高温、抗氧化、抗热震性好，比表面积大，换热效率高的优点，近年来被广泛用作吸热器内的热交换载体。目前，世界上主要空气吸热器特征参数见表1。M.Romero等［2］对目前主流的塔式集热系统进行了回顾和总结。

2 开式循环空气吸热器的研究

R.D.Skocypec等［3］较早设计了一种多孔陶瓷材料吸热器，由Sandia实验室制造并在PSA进行了测试［4］，由于选择性涂料影响了孔隙结构的通透性，降低了总体传热效率。德国航空航天中心(DLR)的M.Böhmer等使用热物性更佳的渗硅碳化硅(SiSiC)材料设计了一种吸热器，由Hoechst-CeramTec公司制造完成，该吸热器采用了吸热块错列分布的结构减小辐射热损。A.Carotenuto等采用相同结构的错列陶瓷棒吸热体，给出了测试结果与理论分析的比较。Pitz-Paal等［5］提出了一种在吸热体外表面添加玻璃窗的“选择性”空气吸热器，测试结果显示，出口空气温度超过600℃，该措施可减小吸热体表面向外的辐射热损，显著提高吸热器热效率。HiTRec-Ⅰ和HiTR ec-Ⅱ型吸热器采用了多个杯状单元分离式的设计［6-7］，该结构一方面使低温空气回到吸热体表面重新加热，另一方面使模块的拆卸更为方便，吸热体材料也改进为再结晶碳化硅(re-SiC)。SOLAIR-200和SOLAIR-3000型吸热器采用了同样的设计方案，空气循环倍率增至52%［7］。

表1 现有容积式空气吸收器的主要特征参数

3 有压腔体空气吸热器的研究

有压腔体吸热器又称为闭式循环吸热器，它引入了玻璃窗结构使吸热腔封闭，隔离腔体与大气以产生循环所需的压比，并且减小内腔与外部的辐射热损。由表1可见，开式系统是利用太阳能驱动朗肯循环的蒸汽轮机发电，理论热电转化效率不超过45%，若采用布雷顿循环或燃气蒸汽联合循环，效率可达60%。闭式系统的光-热转换效率保持在70%左右，空气出口温度均接近1 000℃，达到开式系统的2倍，且循环效率更高，系统光-电转换效率的总效率更高。然而，引入玻璃窗为设计运行带来了很多问题，例如，需要考虑玻璃窗的承压性、面积受到的限制、光学性能要求高、在一定温度范围内要保持较高的机械强度和热稳定性及无应力安装等。因此，腔体内部良好的流动结构和吸热体传热特性对提高整个吸热器的耐久性和热效率具有重要意义。

PLVCR型吸热器结构如图1a所示［8］，玻璃窗为圆弧形石英玻璃，窗体前侧为二次聚光系统，后侧为 20ppi(pore per inch，1in=2.54cm)的 Si3N4泡沫陶瓷吸热体，进入腔体内的气流先冷却玻璃窗内壁，再经过吸热体进行热交换，最终由出口流出。如图1b所示，REFOS型吸热器［1］采用类似结构，但吸热体为金属丝网结构。该项目的主要目的是验证以部分太阳能驱动的燃气蒸汽联合循环的可行性。以色列魏兹曼研究院团队长期致力于有压腔式吸热器的设计和研究，他们设计的DIAPR型吸热器［9］以柱状陶瓷棒阵列为换热体。腔内流场的布置与前述2种吸热器不尽相同，但设计思想仍是流入冷空气先冷却玻璃表面再冷却吸热体，保证玻璃及时冷却的同时降低热损，后侧加装了反射镜将底部入射光再次反射到周向分布于腔内的吸热体上。该吸热器在南京江宁70kW电站(如图1c所示)进行测试，成功并网发电。A.Karni等［10］随后提出了一种二级加热结构，使各级的气流质量流量与辐射能流相匹配，从而使空气能够逐级加热达到指定温度，降低了前部温度和热损。A.Karni等［11］对环形有压腔体吸热器(DIAPR)进行了测试，辐射热流高达5 MW/m2，不同流量下吸热效率在0.7～0.9之间。R.Buck等［1］提出了一种二级反射装置的吸热器，实验结果表明，该结构可提高10%的吸热效率。

4 空气吸热器内对流－辐射耦合传热研究

A.Carotenuto［12］理论分析了陶瓷棒错列结构吸热器的一维传热模型，用角系数法处理流动方向矩形腔内辐射传热。R.Pitz-Paal等［13］建立了考察能流密度在盘装吸热体径向分布的二维数学模型，介质内部吸收，散射辐射采用离散坐标法(DOM)处理，实验研究了几种材料的表面温度分布和热效率。Becker等［14］对开式空气吸热器多孔介质内的流动传热模型进行了数值模拟，考察了空气物性变化对流动不稳定性的影响，建立三维模型对多孔介质相关物性进行了参数分析。C.Xu等［15］开展了SiC多孔陶瓷空气吸热器的相关研究，分析了空气流速、孔隙率、孔隙直径和吸热体厚度对空气吸热器传热特性的影响。Z.Y.Wu等［16］随后开展了吸热材料样品的模型实验，验证了湍流下非热平衡模型的适用性。T.E.Hellmuth，L.K.Matthews［17］和 Skocypec等［3］对金属丝网结构吸热体分别采用双通量法和蒙特卡洛射线追踪法考察介质内部辐射，数值模拟和模型试验对比表明，该方法能够有效描述该材料的传热特性。

图1 几种典型的空气吸热器的结构

由于吸热器内流动和传热的复杂性，一些学者对模型进行简化并进行了相关理论推导。A.Kribus［18］推导了考虑空气黏度、密度等物性参数的温升指数与“流量指数B”(Blow Parameter)的函数关系，指出了开式空气吸热器内空气流动不稳定性是导致局部传热减弱的原因，提出采用有压腔体吸热器或通过控制温升和质量流量来实现传热的安全性，F.W.Bai［19］得到了相同的分析结果。Flamant等［20-21］研究了一种双层玻璃——SiC颗粒堆积床内的对流-辐射传热过程，结合双通量法理论分析了流动方向辐射热流在不同介质内的分布、温度分布、出口空气温度和热效率，证明该结构具有较高的热效率。F.Wang等［22］采用 P-1方法，对多孔吸热器内的温度分步进行模拟。P.Wang等基于局部非热平衡法，采用不同的辐射模型，对SiC陶瓷吸热器内的温度以及导热、辐射热流分布进行了详细分析。

5 结束语

相对于水或熔融盐作为传热介质的塔式集热装置，开式空气吸热器具有结构简单、高参数、高效率和易于维护等优点;引入玻璃窗的闭式结构，其运行温度压力主要受玻璃窗限制。吸热器内部的传热过程主要发生在多孔介质吸热体内，其对流辐射耦合传热的分析方法和数学模型仍有待完善。作为塔式系统的关键部件，高温空气吸热器仍需进一步完善，在常规能源日益短缺的今天，我国应大力推广塔式太阳能热发电技术，以满足我国能源经济社会的发展。

［1］BUCK R，BRAUNING T，DENK T，et al.Solar-hybrid gas turbine-based power tower systems(REFOS)［J］.Journal of Solar Energy Engineering，2002，124(1):2-9.

［2］ROMERO M，BUCK R，PACHECO J E.An update on solar central receiver systems，projects，and technologies［J］.Journal of Solar Energy Engineering，2002，124(2):98-108.

［3］SKOCYPEC R D，BOEHM R F，CHAVEZ J M.Heat transfer modeling of the IEA/SSPS volumetric receiver［J］.Journal of Solar Energy Engineering，1989，111(2):138-143.

［4］CHAVEZ J M，CHAZA C.Testing of a porous ceramic absorber for a volumetric air receiver［J］.Solar Energy Materials，1991，24(1-4):172-181.

［5］PITZ-PAAL R，MORHENNE J，FIEBIG M.A new concept of a selective solar receiver for high temperature applications［J］.Solar Energy Materials，1991，24(1-4):293-306.

［6］HOFFSCHMIDT B，FERNANDEZ F，HENNECHKE K，et al.Development of ceramic volumetric receiver technology［C］∥5th Cologne Solar Symposium.Cologne:DLR，2001:51-61.

［7］HOFFSCHMIDT B，TELLEZ F M，VALVERDE A，et al.Performance evaluation of the 200kWth hitrec-II open volumetric air receiver［J］.Journal of Solar Energy Engineering，2003，125(1):87-94.

［8］PRITZKOW W E C.Pressure loaded volumetric ceramic receiver［J］.Solar Energy Materials，1991，24(1-4):498-507.

［9］KARNI J.The“porcupine”:a novel high-flux absorber for volumetric solar receivers［J］.Journal of Solar Energy Engineering，1998，120(2):85-95.

［10］KRIBUS A，DORON P，RUBIN R，et al.A multistage solar receiver:the route to high temperature［J］.Solar Energy，1999，67(1-3):3-11.

［11］KRIBUS A，DORON P，RUBIN R，et al.Performance of the directly-irradiated annular pressurized receiver(DIAPR)operating at 20 bar and 1200℃［J］.Journal of Solar Energy Engineering，2000，123(1):10-17.

［12］CAROTENUTO A，RUOCCO G，REALE F.Heat exchange in a multi-cavity volumetric solar receiver［J］.Solar Energy，1991，46(4):241-248.

［13］PITZ-PAAL R，HOFFSCHMIDT B，BOHMER M，et al.Experimental and numerical evaluation of the performance and flow stability of different types of open volumetric absorbers under non-homogeneous irradiation［J］.Solar Energy，1997，60(3-4):135-150.

［14］BECHKER M，FEND T，HOFFSCHMIDT B，et al.Theoretical and numerical investigation of flow stability in porous materials applied as volumetric solar receivers［J］.Solar Energy，2006，80(10):1241-1248.

［15］XU C，SONG Z，CHEN L D，et al.Numerical investigation on porous media heat transfer in a solar tower receiver［J］.Renewable Energy，2011，36(3):1138-1144.

［16］WU Z Y，CALIOT C，FLAMANT G，et al.Coupled radiation and flow modeling in ceramic foam volumetric solar air receivers［J］.Solar Energy，2011，85(9):2374-2385.

［17］HELLMUTH T E，MATTHEWS L K.Modeling and optimum design of a wire mesh solar volumetric air receiver［J］.Journal of Solar Energy Engineering，1997，119(3):208-213.

［18］KRIBUS A.Inherent limitations of volumetric solar receivers［J］.Journal of solar energy engineering，1996，118(3):151-155.

［19］BAI F.One dimensional thermal analysis of silicon carbide ceramic foam used for solar air receiver［J］.International Journal of Thermal Sciences，2010，49(12):2400-2404.

［20］FLAMANT G，OLALDE G.High temperature solar gas heating comparison between packed and fluidized bed receivers-I［J］.Solar Energy，1983，31(5):463-471.

［21］FLAMANT G，MENIGAULT T，SCHWANDER D.Combined heat transfer in a semitransparent multilayer packed bed［J］.Journal of Heat Transfer，1988，110(2):463-467.

［22］WANG F，SHUAI Y，TAN H，et al.Thermal performance analysis of porous media receiver with concentrated solar irradiation［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，62(7):247-254.