吸热器综述讲解
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大量的实验和运行数据证明了塔式电站技术上的 可行性，以及具有广阔的商业发电应用前景。
80年代塔式太阳能发电站示范工程
EURELIOS
意大利
Solar One
美国
CESA-1
西班牙
90年代塔式太阳能发电站示范工程
Solar Two
塔式高温化学反应器
REFOS吸热器
REFOS塔式吸热 组合效果图
二级聚光器CPC 工质流道布置
DIAPR有压腔体式吸热器
研制单位：以色列 Weizmann 研究所 最高加热空气温度： 1300℃ 工作压力：1.5-3MPa 耐受辐射热流密度： 4-8MW/m2 热效率：最高可达 80%
LOGO
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 1985年在SOLAR 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。
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 容积式闭路空气吸热器
容积式开路空气吸热器
工作原理
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
材料： 316H不锈钢
吸热器热流回路
吸热器高和直径： 6.1m ,5.2m
Pyromark 涂料
管外径和壁厚： 20.06mm ,1.2mm
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。
吸热器结构
吸热单元SiC
早期西班牙TSA 吸热器
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/m2
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。
Cavity
Semi-cavity
Modified cavity
改良型腔体吸热器为最佳选择
LOGO
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 。
Solar Two硝酸盐吸热器
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
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。
熔盐系统、空气系统、饱和蒸汽系统
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。
张春平所建的吸热器物理模型
热损形式
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。
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。
LOGO
二、塔式太阳能发电系统
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
吸热与热能传递系统
定日镜系统
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 。
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。
美国
TSA 西班牙
（图为TSA的吸热器）
2000年后塔式太阳能发电站示范工程
PS10
西班牙 （效果图）
Solar Tres
西班牙 （效果图）
LOGO
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 潜力且研究得最多的是 ：
LOGO
吸热器研究进展报告
崔福庆，殷欣
2009.07.30
LOGO
一、背景介绍
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 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。
平板式吸热器
低温应用
吸热器
管式吸热器
中、低温应用
腔体式吸热器
中、高温应用
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
本课题的关注点：极高温度、极高热流密度下的 辐射－导热－对流耦合的复杂传热规律的研究
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。
主要组件
2.耐高压熔 融石英玻璃
1.耐高温陶 瓷针肋
3.二级聚 光器系统
DIAPR的改进
空气气流组织的优化
单级向多级发展
初级预热器管道
文献中的数值模拟工作
实物模型
物理模型
几何尺寸
模拟所得速度场
空气流过针肋区域
模拟所得温度场
流体温度分布
空气沿程被针肋加热 气流入口处的高温区
固体区域温度分布
沿程针肋温度升高 针肋顶端的高温区
80年代塔式太阳能发电站示范工程
EURELIOS
意大利
Solar One
美国
CESA-1
西班牙
90年代塔式太阳能发电站示范工程
Solar Two
塔式高温化学反应器
REFOS吸热器
REFOS塔式吸热 组合效果图
二级聚光器CPC 工质流道布置
DIAPR有压腔体式吸热器
研制单位：以色列 Weizmann 研究所 最高加热空气温度： 1300℃ 工作压力：1.5-3MPa 耐受辐射热流密度： 4-8MW/m2 热效率：最高可达 80%
LOGO
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 1985年在SOLAR 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。
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 容积式闭路空气吸热器
容积式开路空气吸热器
工作原理
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
材料： 316H不锈钢
吸热器热流回路
吸热器高和直径： 6.1m ,5.2m
Pyromark 涂料
管外径和壁厚： 20.06mm ,1.2mm
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。
吸热器结构
吸热单元SiC
早期西班牙TSA 吸热器
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/m2
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。
Cavity
Semi-cavity
Modified cavity
改良型腔体吸热器为最佳选择
LOGO
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 。
Solar Two硝酸盐吸热器
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
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。
熔盐系统、空气系统、饱和蒸汽系统
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。
张春平所建的吸热器物理模型
热损形式
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。
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。
LOGO
二、塔式太阳能发电系统
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
吸热与热能传递系统
定日镜系统
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 。
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。
美国
TSA 西班牙
（图为TSA的吸热器）
2000年后塔式太阳能发电站示范工程
PS10
西班牙 （效果图）
Solar Tres
西班牙 （效果图）
LOGO
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 潜力且研究得最多的是 ：
LOGO
吸热器研究进展报告
崔福庆，殷欣
2009.07.30
LOGO
一、背景介绍
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 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。
平板式吸热器
低温应用
吸热器
管式吸热器
中、低温应用
腔体式吸热器
中、高温应用
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
本课题的关注点：极高温度、极高热流密度下的 辐射－导热－对流耦合的复杂传热规律的研究
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。
主要组件
2.耐高压熔 融石英玻璃
1.耐高温陶 瓷针肋
3.二级聚 光器系统
DIAPR的改进
空气气流组织的优化
单级向多级发展
初级预热器管道
文献中的数值模拟工作
实物模型
物理模型
几何尺寸
模拟所得速度场
空气流过针肋区域
模拟所得温度场
流体温度分布
空气沿程被针肋加热 气流入口处的高温区
固体区域温度分布
沿程针肋温度升高 针肋顶端的高温区