碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)接收器聚熱技術(shù)

朱辰元，孫海英，梁偉青，楊戈爾，張建敏

（上海齊耀動力技術(shù)有限公司，上海 201203）

碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)（下稱碟式發(fā)電系統(tǒng)）主要由斯特林發(fā)動機、聚光碟、控制系統(tǒng)和接收器組成，其中接收器部件起著聚集太陽輻射熱量并將該熱量傳遞給斯特林發(fā)動機的功能，其結(jié)構(gòu)和性能在碟式發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率中起著重要作用。目前，對碟式發(fā)電系統(tǒng)中的一些專用技術(shù)仍需要進行研究，接收器就是其中之一。國外使用的一些接收器，由于經(jīng)聚光碟聚焦的輻射能在接收器內(nèi)部分布不均勻，導(dǎo)致斯特林發(fā)動機的加熱管管壁上出現(xiàn)熱斑，熱斑為局部高溫點，該溫度足以熔化加熱管壁，使斯特林發(fā)動機由于加熱管破裂導(dǎo)致工質(zhì)泄漏無法繼續(xù)工作，影響了碟式發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。

上海齊耀動力技術(shù)有限公司通過對接收器的研究，掌握可靠的聚熱技術(shù)，獲得接收器內(nèi)部溫度場的分布規(guī)律，這對提高碟式發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，盡快實現(xiàn)碟式產(chǎn)品商業(yè)化的應(yīng)用具有重要意義。

1 接收器的結(jié)構(gòu)特點

1.1 接收器分類

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和使用場合的不同，可將接收器分為平板式、管式和腔體式接收器（或稱容積式接收器）三類。其中，平板式接收器主要應(yīng)用于低溫場合，如太陽能熱水器；管式接收器主要應(yīng)用于中、低溫場合，如槽式、塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)；腔體式接收器主要應(yīng)用于中、高溫場合，如塔式、碟式發(fā)電系統(tǒng)中。碟式發(fā)電系統(tǒng)一般采用腔體式接收器，主要增大了傳熱面積，能夠承受高達1MW／m2的熱流通量，適合高溫場合的使用。

本文主要針對中、高溫條件下的接收器進行研究。根據(jù)接收器向斯特林發(fā)動機傳遞熱量方式的不同，又可以分為直接照射型（直照型）、熱管型和混合型幾種。接收器中布置有吸熱器，吸熱器是將熱量傳遞給工質(zhì)的零部件，在斯特林發(fā)動機中也稱加熱器部件。

1.2 直照型接收器結(jié)構(gòu)

太陽光直接照射到加熱管上是目前碟式發(fā)電系統(tǒng)普遍使用的太陽能吸收方式之一。圖1是直照型接收器和加熱器的結(jié)構(gòu)形式［1］。聚焦后的太陽光直接照射到加熱管表面，管內(nèi)工作介質(zhì)通過吸收太陽輻射的能量來推動斯特林發(fā)動機運轉(zhuǎn)。

圖1 直照型接收器和加熱器的結(jié)構(gòu)形式

1.3 熱管型接收器結(jié)構(gòu)

熱管型接收器是一種間接傳熱形式，導(dǎo)熱介質(zhì)位于接收器和斯特林發(fā)動機的加熱器之間。在接收器一側(cè)，導(dǎo)熱介質(zhì)吸收太陽能的熱量蒸發(fā)，加熱加熱管內(nèi)部的工質(zhì)，冷凝后受重力的作用，重新流回到下部吸熱器的一側(cè)，成為一個持續(xù)傳熱的循環(huán)。這類吸熱器的工作溫度一般為650～850℃，工作介質(zhì)主要為液態(tài)堿金屬鈉、鉀或鈉鉀合金。圖2為由美國Thermacore公司設(shè)計制造的熱管型吸熱器，設(shè)計容量為25～120kW。研究表明，熱管型接收器相對于直接型接收器可以使發(fā)動機效率提高約20%［3］。

1.4 混合型接收器

圖2 安裝熱管型接收器的斯特林發(fā)動機

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)若要連續(xù)而穩(wěn)定的發(fā)電，必須考慮陽光不足時或夜間運行的能量補充問題，其解決方案有燃燒和蓄熱2種，對應(yīng)兩種混合型接收器：光氣互補型和熔鹽蓄熱型接收器。

1）光氣互補型接收器 在碟式發(fā)電系統(tǒng)中大多采用燃料燃燒的方式來補充能量，即在原有的接收器上添加燃燒系統(tǒng)?；旌鲜綗峁芙邮掌饕话闶怯蔁峁苄徒邮掌鞲脑於傻囊詺怏w燃料作為能量補充的接收器。這種結(jié)構(gòu)有利于提高碟式發(fā)電系統(tǒng)的適應(yīng)性，實現(xiàn)連續(xù)供電，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大。圖3展示了DLR開發(fā)出的一種混合式熱管接收器［4］。

圖3 DLR混合式熱管接收器

2）熔鹽蓄熱型接收器 太陽能傳熱蓄熱系統(tǒng)一般由接收器、高溫罐、換熱器、低溫罐和泵組成，傳熱蓄熱系統(tǒng)的工質(zhì)一般采用熔融鹽。利用熔融鹽具有的傳熱、蓄熱特性，可使斯特林發(fā)動機持續(xù)對外界做功，但熔融鹽的溫度和可靠的傳輸仍是個問題。

2 接收器尺寸對聚熱的影響分析

2.1 尺寸的基本定義

直照型接收器屬于腔體式接收器，形狀包括圓柱形、平頂錐形、橢圓形、球形及復(fù)合平頂錐形等，最簡單的結(jié)構(gòu)是平頂錐形（見圖1），而內(nèi)腔的深度和入口直徑直接影響接收器內(nèi)聚焦熱量的效率。

1）接收器的入口直徑 接收器的入口直徑也稱焦平面直徑，主要由聚光碟的設(shè)計特性決定。聚光碟有幾何聚焦比CRg和光學(xué)聚焦比CR，表達式為：

式中：Arapp為聚光碟投影面積，mm2；Arec為接收器入口面積（或焦平面面積），mm2；Q為焦平面處的熱流密度，kW／m2；Qbn為入射光熱流密度（即光的輻射強度），kW／m2。

CR峰值時的數(shù)值一般是CRg的3～5倍［5］。一般情況下用幾何聚焦比表征聚光碟的聚焦能力，該參數(shù)影響接收器內(nèi)部所能達到的最高溫度。

因為斯特林發(fā)動機的工作效率主要由工作溫度和冷卻端直接的溫度差決定，溫差越大，效率越高，為使斯特林發(fā)動機高效率工作，接收器內(nèi)部的最高溫度應(yīng)大于1 000℃。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)［6］，聚光比達2 300∶1以上時，接收器內(nèi)部的溫度才能達到使用要求。對碟面直徑12m的聚光碟，接收器焦平面直徑應(yīng)小于240mm。而精度更高的聚光碟可將接收器入口直徑做到小于200mm，幾何聚焦比達到3 500∶1。另外，也可以通過光斑直徑計算得到接收器入口的尺寸，表達式為：

式中：Ds為光斑直徑，mm；D1為太陽直徑的影響值：D1＝太陽至地球的距離×聚光碟焦距／太陽直徑；D2為玻璃安裝位置偏離光中心軸導(dǎo)致的影響值，理論計算值D2＝31～35mm；D3為玻璃表面幾何誤差的影響值，D3≈10mm；D4為碟架變形影響值，D4＝5～20mm；D5為跟蹤精度、碟片自重和風(fēng)荷載、安裝內(nèi)應(yīng)力影響導(dǎo)致變形與移位值，D5＝0～20mm；α為光暈影響值，α≈2。

根據(jù)式（3）可以計算出，12m聚光碟的焦平面直徑在200～240mm。

2）接收器的深度 接收器深度H的確定和聚光碟的開口直徑以及聚光碟的邊緣角Ψ有關(guān)，并影響能量在接收器內(nèi)部的分布。太陽光經(jīng)聚光碟聚焦后在接收器內(nèi)的分布情況見圖4。

2.2 接收器深度對聚熱的影響

圖4 太陽光在接收器內(nèi)的分布圖

圖4顯示有部分能量是照射在接收器內(nèi)壁上，這部分能量將通過輻射方式反饋給加熱管壁面。絕熱層、加熱器和輻射體的加熱區(qū)域熱流密度，是在光路分析得到3個加熱區(qū)域的能量分布的基礎(chǔ)上，將熱量除以3個加熱區(qū)域面積得到的。改變腔體的高度，會使3個加熱區(qū)域上分布的太陽光能量比例以及絕熱層壁面加熱區(qū)域面積發(fā)生變化，進而影響各自熱流密度的大小。接收器選用的3組不同高度下的加熱區(qū)域能量比例（總加熱量均按100kW計算）和熱流密度值見表1。

表1 接收器內(nèi)部理論能量分布情況

從表1可見，接收器的深度會直接影響加熱管接受能量的數(shù)量，深度越小，加熱管分配到的數(shù)值越大。但事實上由于存在熱量從接收器口的逃逸，H值過小的接收器無法保持能量。為解決這一矛盾，在1kW斯特林發(fā)動機的試驗中，在接收器口安裝了玻璃板，該措施相對沒有安裝玻璃板前減少了熱損失，并使接收器內(nèi)部的溫度在熱氣機運行時保持穩(wěn)定，同時可使熱氣機的輸出電功率提高15%，但過高的輻射強度也使玻璃表面出現(xiàn)溶化現(xiàn)象。

對于更高功率的斯特林發(fā)動機，接收器內(nèi)壁接收的能量，反饋給加熱管的方式可以降低加熱管管壁溫度不均勻的現(xiàn)象，同時起到一定的儲熱作用。

2.3 接收器內(nèi)部的溫度分布

根據(jù)前文分析，尺寸確定的接收器，腔體內(nèi)部各加熱區(qū)域的能量分布比例是一定的。因此，在保持其他邊界條件不變的前提下，影響腔內(nèi)溫度分布的因素僅為進入接收器的總加熱量大小?？偧訜崃繛?5kW時接收器內(nèi)部的溫度分布云圖如圖5所示，不同總加熱量條件下各區(qū)域溫度比較見圖6。

圖5 總加熱量75kW時接收器內(nèi)部溫度分布云圖

圖6 不同總加熱量條件下各區(qū)域溫度比較

由圖5和圖6可知，總加熱量增加，絕熱層加熱段和加熱器上表面的最高溫度隨之增加。計算發(fā)現(xiàn)，受附近絕熱層加熱段表面的影響，加熱管靠近絕熱層處雖沒有直接受到光線的輻射，但受絕熱層近距離輻射換熱的作用，該加熱管段的溫度成為加熱器外表面最高溫度所在區(qū)域，極值接近1 200℃，這可能和計算時所選取的邊界條件有關(guān)。

2.4 接收器深度對溫度分布的影響

對開口尺寸確定的接收器可以通過改變腔體內(nèi)部的高度，使進入腔體的太陽光的能量分布發(fā)生變化，進而影響腔內(nèi)溫度的分布。本文計算了深度分別為600mm和280mm的接收器接收相同聚熱量內(nèi)部溫度的分布情況，如圖7所示。

圖7 不同深度接收器內(nèi)部溫度分布云圖比較

數(shù)值比較結(jié)果如圖8所示。計算結(jié)果和溫度云圖表明當(dāng)高度增加，腔內(nèi)輻射能量主要分布于絕熱層壁面，而加熱器和輻射體表面的能量減少。此時絕熱層加熱段區(qū)域的溫度很高。當(dāng)高度減少，絕熱層壁面的輻射能量大大減少，輻射體分光錐的頂點區(qū)域出現(xiàn)了溫度集聚，溫度較高。

圖8 不同深度條件下各區(qū)域溫度比較

3 試驗情況

3.1 試驗裝置的設(shè)計

利用對焦板試驗裝置進行了12m聚光碟的焦平面位置的校準和焦平面直徑的測量試驗，試驗裝置和試驗情況如圖9所示。在此基礎(chǔ)上進行了接收器的試驗，接收器試驗裝置和試驗情況如圖10所示。

圖9 對焦板的試驗裝置和試驗情況

圖10 接收器試驗裝置和試驗情況

試驗中，模擬加熱器內(nèi)部填充導(dǎo)熱油。經(jīng)聚焦的太陽光能量被加熱管內(nèi)的導(dǎo)熱油吸收，油溫升高，與板式換熱器內(nèi)的冷卻水進行熱交換，冷卻后再進入加熱管內(nèi)，形成閉式循環(huán)系統(tǒng)。其冷卻系統(tǒng)如圖11所示、導(dǎo)熱油系統(tǒng)示意圖如圖12所示。

3.2 試驗情況

焦平面的試驗確認了12m聚光碟的焦平面位置和該處光斑的直徑。試驗發(fā)現(xiàn)聚光碟的設(shè)計和制造對焦平面的光斑直徑以及溫度影響很大。試驗中發(fā)現(xiàn)光斑存在內(nèi)外2圈，同時光斑直徑偏大，沒能達到所要求的240mm，這與聚光碟板沒有調(diào)整到位有關(guān)。光斑直徑和對焦板的位置關(guān)系如圖13所示。

圖11 冷卻系統(tǒng)示意圖

圖12 導(dǎo)熱油系統(tǒng)示意圖

圖13 光斑大小與對焦板位置關(guān)系圖

接收器的試驗進行了3個尺寸下的聚熱試驗，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知，接收器深度越小，其所能接收的熱量越多，這和理論計算結(jié)果相符。圖14顯示了接收器內(nèi)聚集的熱量隨輻射強度變化的規(guī)律，但聚熱量離設(shè)計指標(biāo)還有一段距離，原因為：聚光碟聚焦比沒有達到要求，包括聚光碟的反射率、聚光碟的聚焦能力；太陽的輻射強度沒有達到設(shè)定值；接收器的效率較低。

圖14 接收器內(nèi)接收的熱量情況

表2 不同深度接收器內(nèi)部溫度分布情況

試驗中對接收器內(nèi)壁進行了溫度測量，發(fā)現(xiàn)在焦平面溫度最高，而加熱管和隔熱層處的溫度最低，這和前文的計算結(jié)果有所不同，計算結(jié)果表明該處的溫度偏高，其原因可能和陽光沒能更多照射到該處有關(guān)，但還需要進一步的試驗。圖7中顯示分光錐頂端溫度最高，在試驗中得到驗證，實際試驗中該處的材料由于溫度過高而碎裂。

4 結(jié)論

1）本文利用對焦板試驗裝置進行了12m聚光碟的焦平面位置的校準和焦平面直徑的測量試驗，試驗表明，聚光碟的性能對接收器的聚熱量有相當(dāng)大的影響，需要對試驗所使用的聚光碟進行改進設(shè)計和制造。在相同條件下，接收器的深度和聚熱量成反比，深度越小，聚熱量越大；接收器的深度和加熱管的溫差成反比，深度越大，溫差越小。

2）斯特林發(fā)動機需要一個均勻的溫度環(huán)境，不能為獲得更大的聚熱量或管壁溫度而減小接收器的深度。因此，對接收器的深度而言，會有針對一個聚熱量和溫差之間的一個平衡點。另外，過小的深度會加大接收器的熱量散失，降低其效率。由于聚光碟的效率和太陽能輻射強度等原因，試驗中接收器內(nèi)部沒有獲得設(shè)計中所需的熱量，表明必須改進聚光碟的設(shè)計和制造，提高聚光比。

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