碟式太阳能热发电技术综述_一_

5
　碟式太阳能热发电技术综述(一)
许　辉,张　红,白　穜,丁　莉,庄　骏
南京工业大学能源学院,南京　210009
[摘 要]　介绍碟式太阳能热发电技术的原理及特性,并对聚光器、接收器等关键技术进行了分
析。

结果表明,热管式接收器和混合式接收器具有较好的研究开发前景。

[关　键　词]　太阳能;热发电;碟式聚光器;斯特林发动机;接收器;辐射强度;热换[中图分类号]　T K511[文献标识码]　A
[文章编号]　100223364(2009)0520005205
[DOI 编号]　10.3969/j.issn.100223364.2009.05.005
AN OVERVIEW OF DISH SOLAR THERMAL POWER TECHNOLOG Y
XU Hui ,ZHAN G Hong ,BA I Tong ,DIN G Li ,ZHUAN G J un
College of Energy ,Nanjing University of Technology
Abstract :In t his paper ,t he p rinciple and characteristic of dish t hermal power is introduced ,also ,t he critical technique of dish solar t hermal system such as concentrators ,receivers ,heat engine etc.are de 2scribed in detail.Especially ,an overall analysis of receiver for dish solar t hermal power system is giv 2en ,and t he result s show t hat t he heat pipe receivers have good develop ment prospect s.
K ey w ords :solar energy ,t hermal power generation ,parabolic dish concent rator ,stirling engine ,receiv 2er ,radiation ,heat exchange
基金项目:　国家863高技术研究发展计划资助项目(2006AA05Z419)
作者简介:　
许辉(19812),男,安徽萧县人,南京工业大学博士研究生,研读方向为高效传热传质设备与新能源开发技术。

碟式太阳能热发电技术是太阳能热发电中光电转
换效率最高的一种方式,它通过旋转抛物面碟形聚光器将太阳辐射聚集到接收器中,接收器将能量吸收后传递到热电转换系统,从而实现了太阳能到电能的转换。

从上世纪80年代起,美国、德国、西班牙、俄罗斯(前苏联)等国对碟式太阳能热发电系统及其部件进行了大量的研究。

我国对于碟式太阳能热发电技术的研究仍处于起步阶段,许多关键技术需要逐一研究或解决。

1　系统概述
碟式太阳能热发电系统包括聚光器、接收器、热
机、支架、跟踪控制系统等主要部件。

系统工作时,从聚光器反射的太阳光聚焦在接收器上,热机的工作介质流经接收器吸收太阳光转换成的热能,使介质温度升高,即可推动热机运转,并带动发电机发电。

由于碟式太阳能热发电系统聚光比可达到3000以上[1],一方面使得接收器的吸热面积可以很小,从而达到较小的能量损失,另一方面可使接收器的接收温度达800℃以上[2]。

因此,碟式太阳能热发电的效率非常高,最高光电转换效率可达29.4%[3]。

碟式太阳能热发电系统单机容量较小,一般在5～25kW 之间[4～6],适合建立分布式能源系统,特别是在农村或一些偏远地区,具有更强的适应性。

6
　2　关键技术
2.1　聚光器
聚光器是将来自太阳的平行光聚焦,以实现从低品位能到高品位能的转化。

目前研究和应用较多的碟式聚光器主要有玻璃小镜面式、多镜面张膜式、单镜面张膜式等。

2.1.1　玻璃小镜面式
这种聚光器将大量的小型曲面镜逐一拼接起来,固定于旋转抛物面结构的支架上,组成一个大型的旋转抛物面反射镜。

如图1[7]所示,美国麦道(McDon 2nell Douglas )公司开发的碟式聚光器即是采用这种形式,该聚光器总面积为87.7m 2
,由82块小的曲面反射镜拼合而成,输出功率为90kW [8],几何聚光比为2793,聚光效率可达88%左右[9]。

这类聚光器由于采用大量小尺寸曲面反射镜作为反射单元,可以达到很高的精度,而且可实现较大的聚光比,从而提高聚光器的光学效率。

图1　麦道公司开发的玻璃小镜面式聚光器
2.1.2　多镜面张膜式
这种聚光器的聚光单元为圆形张膜旋转抛物面反射镜,将这些圆形反射镜以阵列的形式布置在支架上,
并且使其焦点皆落于一点,从而实现高倍聚光。

图2中的多镜面张膜式聚光器是由12只直径为3m 的张膜反射镜组合而成的阵列,其反射镜面积为85m 2,可提供70kW 的功率用于热机运转发电[10～12]。

图2　多镜面张膜式聚光器
2.1.3　单镜面张膜式
如图3所示,单镜面张膜式聚光器只有一个抛物面反射镜。

它采用两片厚度不足1mm 的不锈钢膜,周向分别焊接在宽度约1.2m 的圆环的2个端面,然后通过液压气动载荷将其中的一片压制成抛物面形状,两层不锈钢膜之间抽成真空,以保持不锈钢膜的形状及相对位置[13～14]。

由于是塑性变形,所以很小的真空度即可达到保持形状的要求。

图3　单镜面张膜式聚光器
由于单镜面和多镜面张膜式反射镜一旦成形后极易保持较高的精度,以及施工难度低于玻璃小镜面式聚光器,因此得到了较多的关注。

2.2　接收器
接收器是碟式太阳能热发电系统的核心部件,它包括直接照射式和间接受热式。

前者是将太阳光聚集后直接照在热机的换热管上;后者则通过某种中间媒介将太阳能传递到热机。

目前接收器研究的重点为进一步降低接收器的成本以及提高接收器的可靠性和效率。

7
　2.2.1　直接照射式
太阳光直接照射到换热管上是碟式太阳能发电系统最早使用的太阳能接收方式。

图4中的直接照射式接收器[15]是将斯特林发动机的换热管簇弯制组合成盘状,聚集后的太阳光直接照射到这个盘的表面(即每根换热管的表面),换热管内工作介质高速流过,吸收了太阳辐射的能量,达到较高的温度和压力,从而推动斯特林发动机运转。

图4　直接照射式接收器
由于斯特林换热管内高流速、高压力的氦气或氢
气具有很高的换热能力,使得直接照射式接收器能够实现很高的接收热流密度(约75×104W/m 2)。

但是,由于太阳辐射强度具有明显的不稳定性,以及聚光镜本身可能存在一定的加工精度问题,导致换热管上的热流密度呈现明显的不稳定与不均匀现象,从而使多缸斯特林发动机中各气缸温度和热量供给的平衡难以解决。

2.2.2　间接受热式
间接受热式接收器是根据液态金属相变换热性能机理,利用液态金属的蒸发和冷凝将热量传递至斯特林热机的接收器。

间接受热式接收器具有较好的等温性,从而延长了热机加热头的寿命,同时提高了热机的效率。

在对接收器进行设计时,可以对每个换热面进行单独的优化。

这类接收器的设计工作温度一般为650～850℃,工作介质主要为液态碱金属钠、钾、或钠钾合金(它们在高温条件下具有很低的饱和蒸汽压力和较高的汽化潜热)。

间接受热式接收器包括池沸腾接收器、热管式接收器以及混合式热管接收器等。

(1)池沸腾接收器　池沸腾接收器通过聚集到吸热面上的太阳能加热液态金属池,产生的蒸汽冷凝于斯特林热机的换热管上,从而将热量传递给换热管内的工作介质,冷凝液由于重力作用又回流至液态金属池,即完成一个热质循环。

这种接收器型式首先由Douglas B.O.[16]提出,1989年Moreno J.B.等[17]对
第一代池沸腾接收器进行了试验研究,之后Moreno J.B.等1993年对第二代池沸腾接收器进行了详细测试[18]。

池沸腾接收器结构简单,加工成本较低,适应性强,适合于在较大的倾角范围内运行,金属蒸汽直接冷凝于热机换热管,效率较高,但要求工质的充装量较大,一旦发生泄漏将非常危险。

液态金属传热特性特别是在交变热流密度条件下沸腾传热的特性,如沸腾不稳定性、热起动问题以及膜态沸腾和溢流传热引起的传热恶化等仍处于探索之中。

(2)热管接收器　采用毛细吸液芯结构将液态金属均布在加热表面的热管接收器引起了研究者们的重视。

Andraka C.E.等[19～20]先后对多种结构型式的热管接收器进行了测试与分析。

图5为由美国Therma 2core 公司设计制造的热管接收器,设计容量为25～120kW ,可承受的热流密度为30×104～55×104W/m 2,受热面一般被加工成拱顶形,上面布有吸液芯,这
样可以使液态金属均匀的分布于换热表面。

吸液芯结
构可有多种形式,如不锈钢丝网、金属毡等。

分布于吸液芯内的液态金属吸收太阳能量之后产生蒸汽,蒸汽通过热机换热管将热量传递给管内的工作介质,蒸汽冷凝后的冷凝液由于重力作用又回流至换热管表面。

由于液态金属始终处于饱和态,使得接收器内的温度始终保持一致,从而使热应力达到最小。

研究表明这种热管接收器相对于直接照射式接收器可以将碟式/斯特林系统的效率提高约20%[21]。

德国航空航天中心(DL R )[22]也设计了一种新型的热管接收器,其结构如图6(a )所示。

该接收器设计容量为40kW ,理论最高热流密度54×104W/m 2,之后DL R 在第一代热管接收器研究的基础上,又设计制造了第二代热管接收器[23],其结构如图6(b )所示。

南京工业大学针对碟式太阳能热发电技术,提出了一种组合式热管接收器[24](图7)。

该接收器采用普通柱状高温热管作传热单元,使得接收器的成本和加工难度都显著降低,而可靠性却大幅提高。

8
　图5　
热管接收器
(a )
第一代热管接收器
(b )第二代热管接收器
图6　DL R
研制的热管接收器
图7　组合式热管接收器
(3)混合式热管接收器　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,其解决方案有蓄热和燃烧2种。

在碟式太阳能热发电系统中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。

混合式热管接收器就是由热管接收器改造而成的以气体燃料作为能量补充的接收器。

DL R 开发出的第二代混合式热管接收器(图8)[25],热管外筒直径为360mm ,内筒直径为210mm ,筒深为240mm ,材料为Inconel 625。

吸液芯材料有2种选择,一种是Inconel 600丝网,另一种则是由金属粉末高频等离子溅射制作的烧结芯。

该接收器设计功率为45kW ,设计工作温度为700～850℃。

试验表明,使用该接收器的碟式系统,只利用太阳能时的热电效率为16%,而联合运行时的热电效率为15%。

混合式热管接收器的开发有利于提高碟式太阳能热发电系统的适应性,实现连续供电,但是由于加入了燃烧系统,使得结构变得非常复杂,加工制造难度大大增加,同时成本大幅提高也是一个不容忽视的问题。

图8　第二代混合式热管接收器
3　结　语
直接照射式接收器结构简单,加工容易,且成本低
廉,但换热管内工作流体温度难以均衡,会使热机运行效率和稳定性明显下降;池沸腾接收器由于换热管与金属蒸汽直接换热,且温度均匀性好,所以给系统和热机带来很高的运行效率,但是对传热机理研究的相对缺乏给设计带来困难,许多传热问题还没有真正的解决;热管接收器虽然在加工上增加了一定的难度,但是可将液态金属充装量降低到很小,同时由于对高温热管的研究资料较为丰富,给设计也带来了很大方便,运行可靠性较高;混合式热管接收器可以满足系统连续运行的需求,但由于结构复杂,成本较高,无论是设计制造还是实际运行中都还存在许多问题亟待研究。

随着研究开发的不断深入,热管式接收器以及混合式热管接收器将成为未来解决碟式太阳能热发电热能接收的主要方案。

[参　考　文　献]
[1]　J affe L D.Test results on parabolic dish concentrators for
solar thermal power systems[J].Solar Energy,1989(42): 1732187.
[2]　Andraka C E,Rawlinson K S,Moss T A,et al.Solar Heat
Pipe Testing ofthe Stirling Thermal Motors42120Stirling Engine[A].Proceedings of the31th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference[C].Washington D.
C.,1996,129521300.
[3]　Washom B.Parabolic Dish Stirling Module Development
and Test Results[A].Proceedings of the19th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference[C].San Francisco,CA,1984.
[4]　Bean J R,Kubo I.Development of The CP G5kW Dish/
Stirling System[A].Proceedings of the25th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference[C].AIChE, New Y ork,1990,6:2982302.
[5]　Keck T,Schiel W.Envirodish and EuroDish2System and
Status[A].Proceedings of ISES Solar Energy Conference 2003[C].2003,9.
[6]　Shaltens R K,Schreiber J G.Preliminary Designs For25
kWe Advanced Stirling Conversion Systems For Dish E2 lectric Applications[A].Proceedings of the25th Intersoci2 ety Energy Conversion Engineering Conference[C].
A ICh E,New Y ork,1990,6:3102316.
[7]　Lopez C W,Stone K W.Design and performance of the
southern California Edison Stirling dish[A].Proceedings of the1992ASM E–ISES–KSES International Solar
Energy Conference[C].Maui HI,1992:9452952.[8]　Stone K W,Leingang E F,Drubka R E.Solar Thermopho2
tovoltaic Power Experiments at McDonnell Douglas[A].
Proceedings of the29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference[C].Monterey,CA,1994,8. [9]　Lopez C,Stone K.Performance of the Southern California
Edison Company Stirling Dish[R].Sandia National Labo2 ratories,Report SAND9327098,Albuquerque,NM,1993.
[10]　G oldberg V R,Ford J L,Anderson A E.Design of the
support structure,drive pedestal,and controls for a solar concentrator[R].Sandia National Laboratories,Report SAND9127007,Albuquerque,NM,1991.
[11]　SA IC.Facet Development for a Faceted Stretched2Mem2
brane Dish by SAIC,Sandia National Laboratories[R].
Report SAND9127008,Albuquerque,NM,1991.
[12]　Grossman J W,Houser R M,Erdmann W W.Testing of
the Prototype Facets for the Stretched2Membrane Faceted Dish,Sandia National Laboratories[R].Report SAND912 2202,Albuquerque,NM,1991.
[13]　Schiel W,Schweitzer A,Stine W B.Evaluation of the92
kWe dish/Stirling system of Schlaich Bergermann and Partner using the proposed IEA dish/Stirling performance analysis guidelines[R].Journal of the AIAA,1994:17252 1729.
[14]　Keck T,Scheil W,Benz R.An Innovative Dish/Stirling
System[A].Proceedings of the25th lntersociety Energy Conversion Engineering Conference[C].AIChE,New Y ork,1990,6:3172322.
[15]　Thomas R M.An overview:Component development for
solar thermal systems[A].Proceedings of the7th Interna2 tional Symposium on Solar Thermal Concentrating Tech2 nologies[C].Moscow Russia,1994.
[16]　Douglas B O,Robert L P.Solar Power Converter with
Pool Boiling Receiver and Integral Heat Exchanger[P].
U.S.Patent4335.578,1982,22(6).
[17]　Moreno J B,Andraka C E,Diver R B,et.al.Test Results
f rom a Full2scale Sodium Reflux Pool2boiler Solar Receiv2
er[A].Proceedings of the12th Annual ASM E interna2 tional solar energy conference[C].Miami,1990(4):952 102.
[18]　Moreno J B,Andraka C E,Moss T A,et.al.On2sun Test
Results f rom Second2generation and Advanced2concepts Alkali2Metal pool boiler receivers[R].Report SAND932 1251,1994.
(下转第17页)
图5　不同迎面风速下三排管平均传热系数和流动阻力
4　结　语
对不同迎面风速下的空凝器三排管外空气侧进行三维数值模拟,并对速度场、温度场进行分析和研究。

数值模拟结果表明:三排管的流动阻力和传热系数随着迎面风速的增加而增加;在相同迎面风速,汽轮机不同运行工况下,三排管的流动阻力和传热系数差别不大;,流动阻力的模拟值略小于实际值,而传热系数的模拟值略大于实际值。

根据数值模拟结果,得出三排管外空气流动阻力和平均传热系数随迎面风速变化曲线的拟合计算公式。

[参　考　文　献]
[1]　陶文铨.数值传热学(2版)[M].西安:西安交通大学出版
社,2001.
[2]　邱丽霞,等.直接空冷汽轮机及其热力系统[M].北京:中
国电力出版社,2006.
[3]　胡三季.钢制双列滴型管套矩形翅片空冷元件传热及阻
力性能试验研究报告[R].西安热工研究院有限公司, 2006.
[4]　陈胜利.钢制椭圆管矩形翅片空冷元件传热及阻力性能
试验研究报告[R].西安热工研究院有限公司,2006. [5]　DL/T552-95,火力发电厂空冷塔及空冷凝汽器试验方
法[S].
[6]　简弃非,等.换热器翅片表面空气流动热力过程的数值模
拟[J].华南理工大学学报,2004,32(9):67271.
[7]　李惠珍,屈治国,程永攀,等.开缝翅片流动和传热性能实
验研究及数值模拟[J].西安交通大学学报,2005,39(3): 2292232.
[8]　程亮.3MW火电机组直接空冷技术数值研究与方案设
计[D].上海理工大学,2002.
(上接第9页)
[19]　Andraka C E,Diver R B,Adkins D R,et al.Testing of
Stirling Engine Solar Reflux.Receivers[A].Proceedings of the28th lntersociety Energy Conversion Engineering Conference[C].Atlanta,Georgia,1993.
[20]　Andraka C E,Diver R B.Recent reflux receiver develop2
ments under the US DO E program[A].Proceedings of the7th International Symposium on Solar Thermal Con2 centrating Technologies[C].Moscow,Russia,1994(9): 26230.
[21]　Adkins D R,Andraka C E,Moreno J B,et al.Heat Pipe
Solar Receiver Development Activities at Sandia National Laboratories[A].Proceedings of the Renewable and Ad2 vanced Energy Conference[C].Maui,HA,1999.
[22]　Laing D,G oebel O.Sodium Heat Pipe Solar Receiver for a
SPS V2160Stirling Engine:Development,Laboratory and
On2Sun Test Results[A].Proceedings of the26th Inters2 ociety Energy Conversion Engineering Conference[C].
Boston,MA,1991.
[23]　Laing D,G oebel O.Second Generation Sodium Heat Pipe
Solar Receiver for a USAB V2160Stirling Engine:Evalu2 ation of On2Sun Test Results Using the Proposed IEA
Guidelines and Analysis of Heat Pipe Damage[J].Journal of Solar Energy Engineering,1997,119(11):2792284. [24]　南京工业大学.高温太阳能热管接收器[P].中国:
200710191145.4,2007210219.
[25]　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 ASM E International Solar Energy Converence[C].Albuquerque, NM,1998.。