（化工过程机械专业论文）太阳能中温热管接收器的开发与模拟研究.pdf

博士学位论文 摘要 为解决用于直接产蒸汽( d s g ) 系统的太阳能中温接收器中吸热管周向温差 过大、可靠性低的问题，将热管技术应用到太阳能中温接收器中，基于热虹吸管 的优良等温性、高效的传热性能、单向导热性，开发研制出新型太阳能中温热管 接收器，并进行理论模拟和试验研究。主要研究工作和结论如下： ( 1 ) 开发了新型中温热管接收器，由中温热管、玻璃套管组成，玻璃一金属密 封件、选择性吸收涂层等组成。中温热管接收器的工作温度范围为2 5 0 4 0 0 ， 目标是用于产生3 5 0 过热蒸汽，中温热管内蒸汽温度最大值在3 8 0 左右。根 据抛物面槽式太阳能聚光器的结构特点确定了合理的热管接收器结构，根据实际 工作条件模拟计算中温热管接收器的工作温度、传输功率、热流密度，设计了热 管、夹套、玻璃一金属密封结构，并选取适合的选择性吸收涂层。 ( 2 ) 在用于双回路系统的抛物面槽式太阳能集热器能量平衡模型的基础上， 针对中温热管接收器与现有接收器结构的区别及双回路系统与d s g 系统中传热 流体特性的不同，建立了用于d s g 系统的抛物面槽式太阳能热管集热器能量平 衡模型，模拟其稳态传热过程。用于双回路系统的抛物面槽式太阳能集热器能量 平衡模型的准确性已得到实验验证，加之本模型中热管蒸发段传热系数和冷凝段 传热系数通过试验获得，所以本模型具有较高的可信性。 ( 3 ) 建立了中温热管模拟试验系统，采用电炉结构与玻璃纤维带配合来模拟实 际工作中热管周向能流密度分布。通过中温热管模拟性能试验研究了2 0 、3 0 、 4 0 - - 个充液率和4 0 、8 0 两个工作倾角下碳钢一萘热管的传输功率、蒸发段轴向 温度分布、蒸发段周向温度分布、蒸发段周向平均温差、传热系数。分析了充液 率、工作倾角、蒸汽温度对热管性能的影响，确定了用于中温热管接收器的碳钢 一萘热管的最佳充液率为3 0 ，最适宜工作倾角为4 0 。根据中温热管试验中确 定的热管最佳充液量、接收器最适宜工作倾角对中温热管接收器进行了改进优 化。 ( 4 ) 将试验得到的热管传热系数代入抛物面槽式太阳能集热器稳态传热模型 中研究抛物面太阳能热管集热器的瞬时集热效率、瞬时集热功率、中温热管接收 摘要 器热效率、散热损失及太阳辐射值、环境风速、系统压力、选择性吸收涂层、热 管冷凝段长度对接收器效率的影响。根据模拟求得的中温热管接收器向着太阳半 边与接收到的净功率对模拟试验得到的热管蒸发段周向平均温差进行修正，确定 了中温热管接收器实际工作过程中热管蒸发段周向平均温差，分析了中温热管接 收器的可靠性。 ( 5 ) 研究结果表明：中温热管接收器热效率较高，在传热流体温度达到3 5 0 。c 时，中温热管接收器的热效率仍然高于8 0 ；太阳辐射值、选择性吸收涂层、热 管冷凝段长度对接收器热效率影响较大，环境风速、系统压力影响较小。中温热 管接收器无论在侧半壁受热还是下半壁受热情况下都具有较小的周向平均温差， 周向平均温差的最大值小于1 5 ，与现有d s g 接收器相比，周向温差显著降低， 可靠性有了很大提高。 理论模拟研究和试验研究证明中温热管接收器结构简单、成本低、可靠性高、 热效率高，可以有效解决d s g 系统接收器可靠性低的问题，将推动抛物面槽式 太阳能d s g 系统的大规模推广。本文的研究工作将为热管技术在太阳能中温热 利用领域的应用奠定基础。 关键词直接产蒸汽抛物面槽式太阳能集热器中温热管接收器热虹吸管热效率 周向平均温差 i i 博士学位论文 a b s t r a c t t h et w o - p h a s ec l o s e dt h e r m o s y p h o nw h i c h 、 ，i t l lt h ea d v a n t a g e so fi s o t h e r m a l s u r f a c e ，h i 【g ha f f e c t i v et h e r m a lc o n d u c t i v i t y , t h e r m a ld i o d e sc h a r a c t e r i s t i c sw a su s e d i nm e d i u mt e m p e r a t u r es o l a rr e c e i v e rt os o l v et h ep r o b l e m sc a u s e db yd i r e c ts t e a m g e n e r a t i n gi nt h er e c e i v e r , s u c ha st h el a r g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo na b s o r b e rt u b e c r o s s s e c t i o n t h u st h en o v e lm e d i u mt e m p e r a t u r eh e a tp i p es o l a rr e c e i v e rw a s d e v e l o p e da n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h eh e a tp i p e r e c e i v e rw a si n v e s t i g a t e d b y t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y t h em a j o rr e s e a r c hc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n to ft h en o v e lm e d i u mt e m p e r a t u r eh e a tp i p er e c e i v e r , w h i c h c o n s i s t e do fm e d i u mt e m p e r a t u r eh e a tp i p e ，g l a s s e n v e l o p e ，g l a s s m e t a ls e a l sa n d s e l e c t i v ec o a t i n g ，h a sb e e nf u l f i l l e d t h ew o r kt e m p e r a t u r e r a n g eo fm e d i u m t e m p e r a t u r eh e a tp i p er e c e i v e ri s2 5 0 。c - 4 0 0 c i tc a l lb eu s e dt og e n e r a t es u p e r h e a t e d s t e a ma t3 5 0 。cw h i l et h em a x i m u m t e m p e r a t u r eo f v a p o ri nh e a tp i p ei sa b o u t3 8 0 c t h es t r u c t u r eo fh e a tp i p er e c e i v e r s u i t i n gt op a r a b o l i ct r o u g hc o n c e n t r a t o rw a s c o n f i r m e d t h ew o r kt e m p e r a t u r e ，h e a tt r a n s f e rr a t ea n dh e a tf l u xo fc a r b o n s t e e l - n a p h t h a l e n et h e r m o s y p h o ni nt h eh e a tp i p er e c e i v e rd u r i n gt h er e a lw o r kp r o c e s s w e r ec a l c u l a t e d b a s e do nt h er e s u l t s ，t h ec a r b o ns t e e l - n a p h t h a l e n et h e r m o s y p h o n ， w a t e rj a c k e ta n dg l a s s - m e t a ls e a l sw e r ed e s i g n e d ，t h es u i t a b l es e l e c t i v ec o a t i n ga n d g l a s se n v e l o p ew e r ec h o s e n ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eb e t w e e nm e d i u mt e m p e r a t u r eh e a tp i p er e c e i v e r a n dt h ec u r r e n tp a r a b o l i ct r o u g hr e c e i v e ra sw e l l 舔t h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ed i r e c ts t e a mg e n e r a t i o n ( d s g ) s y s t e ma n dd o u b l el o o ps y s t e m ， t h ee n e r g yb a l a n c em o d e lf o rp a r a b o l i ct r o u g hs o l a rc o l l e c t o ri nd o u b l el o o ps o l a r p o w e rs y s t e mw a sm o d i f i e d s ot h a tt h ee n e r g yb a l a n c em o d e lf o rp a r a b o l i ct r o u g h s o l a rc o l l e c t o rw i mh e a tp i p ei nd s gs y s t e mw a s e s t a b l i s h e d b yw h i c ht h es t e a d y s t a t eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so fp a r a b o l i ct r o u g hs o l a rc o l l e c t o rc a nb es i m u l a t e d s i n c e i i i a b s t r a c t t h ea c c u r a c yo ft h ee n e r g yb a l a n c em o d e lf o rp a r a b o l i ct r o u g hs o l a rc o l l e c t o ri n d o u b l el o o ps o l a rp o w e rs y s t e mh a sb e e nv a l i d a t e da n dt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f h e a tp i p ew a so b t a i n e db ye x p e r i m e n t ，t h ee n e r g yb a l a n c em o d e lf o rp a r a b o l i ct r o u g h s o l a rc o l l e c t o r 、析t hh e a tp i p ei nd s g s y s t e mw a sc r e d i b l e ( 3 ) t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，i nw h i c ht h ee l e c t r i c f u r n a c ea n dg l a s sf i b e r b e l t sw e r eu s e dt os i m u l a t et h er e a lw o r kc o n d i t i o n so f m e d i u mt e m p e r a t u r eh e a t p i p e r e c e i v e r t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so fc a r b o n s t e e l - n a p h t h a l e n et h e r m o s y p h o n s 晰n 12 0 、3 0 a n d4 0 f i l l i n gr a t ea t4 0 、8 。t i l t a n g l ew e r ec a r r i e do u t ，i nw h i c ht h ea x i a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t h ea v e r a g e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei nh e a tp i p ec i r c u m f e r e n c e ，t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw e r e i n v e s t i g a t e d t h ea f f e c t so ff i l l i n gr a t e ，t i l ta n g l ea n dv a p o rt e m p e r a t u r ef o rt h e p e r f o r m a n c eo ft h e r m o s y p h o nw e r ea n a l y z e d a sar e s u l t ，t h eo p t i m u mf l l i n gr a t e s a n dt i l ta n g l eo fc a r b o ns t e e l n a p h t h a l e n et h e r m o s y p h o nu s i n gi np a r a b o l i ct r o u g h h e a tp i p er e c e i v e rw e r e3 0 a n d4 。r e s p e c t i v e l y t h em e d i u mt e m p e r a t u r eh e a tp i p e r e c e i v e rw a so p t i m i z e db a s e do nt h er e s u l t so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ( 4 ) t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw e r eb r o u g h tt ot h ee n e r g yb a l a n c em o d e l ，s ot h e i n s t a n t a n e o u sc o l l e c t o re f f i c i e n c y , t h ei n s t a n t a n e o u sc o l l e c t o rh e a tt r a n s f e rr a t e ， r e c e i v e rt h e r m a le f f i c i e n c y , r e c e i v e rt h e r m a ll o s sa n dt h ee f f e c t so fd i r e c tn o r m a ls o l a r i r r a d i a n c e ，丽n ds p e e d ，s y s t e mp r e s s u r e ，s e l e c t i v ec o a t i n gp e r f o r m a n c ea n dt h el e n g t h o fh e a tp i p ec o n d e n s e rs e c t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d w i t ht h en e th e a tt r a n s f e rr a t e c o l l e c t e db yt h es i d eo rt o ph a l fs e c t i o no fh e a tp i p er e c e i v e rw a sc a l c u l a t e di ne n e r g y b a l a n c em o d e l ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei nh e a tp i p ec i r c u m f e r e n c ew a s c o r r e c t e d t h er e l i a b i l i t yo fh e a tp i p er e c e i v e rw a sa n a l y z e d ( 5 ) t h ei n v e s t i g a t e dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h et h e r m a le f f i c i e n c yo fh e a tp i p e r e c e i v e ri sh i g h ，w h e nt h eh e a tt r a n s f e rf l u i d ( h t f ) t e m p e r a t u r er e a c h e dt o3 5 0 。c ，t h e v a l u eo ft h e r m a le f f i c i e n c yi sa l s oh i g h e rt h a n8 0 t h ei n f l u e n c e so fd i r e c tn o r m a l s o l a ri r r a d i a n c e ，s e l e c t i v ec o a t i n gp e r f o r m a n c ea n dt h el e n g t ho fh e a tp i p ec o n d e n s e r s e c t i o no nt h e r m a le f f i c i e n c yo fh e a tp i p er e c e i v e rw e r es t r o n g ，w h i l et h ea f f e c t so f i v 博士学位论文 w i n ds p e e da n ds y s t e mp r e s s u r ew e r es l i g h t w h e t h e rt h eh e a tp i p er e c e i v e rw a s h e a t e do ns i d eh a l fs e c t i o no rb o t t o mh a l fs e c t i o n ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e i nh e a tp i p ec i r c u m f e r e n c ew a ss i g n i f i c a n tl o w e rt h a nt h a ti nc u r r e n tr e c e i v e r , s ot h a t t h er e l i a b i l i t yo fp a r a b o l i ct r o u g hr e c e i v e rw a si m p r o v e do b s e r v a b l y b yc a r b o n s t e e l - n a p h t h a l e n et h e r m o s y p h o n i t i sv e r i f i e dt h r o u g ht h e o r e t i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l s t u d yt h a tt h e m e d i u mt e m p e r a t u r eh e a t p i p er e c e i v e ro w n ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，h i g h r e l i a b i l i t ya n dh i g ht h e r m a le f f i c i e n c y , i t s p e r f o r m a n c ei se x c e l l e n t i nt h ef u t u r e ，t h i s t e c h n o l o g yw i l li m p u l s et h el a r g e - s c a l eu s eo fd s gs y s t e m t h es t u d yi nt h i st h e s i s l a i daf o u n d a t i o ni nt h ea p p l i c a t i o no fh e a tp i p et e c h n o l o g yt om e d i u mt e m p e r a t u r e s o l a rt h e r m a lu s m gf i e l d k a y w o r d s ：d i r e c ts t e a mg e n e r a t i o n ( d s g ) ；p a r a b o l i ct r o u g hs o l a rc o l l e c t o r ； m e d i u mt e m p e r a t u r eh e a tp i p er e c e i v e r ；t h e r m o s y p h o n ；t h e r m a l e f f i c i e n c y ；a v e r a g e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei nc i r c u m f e r e n c e v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1能源可持续发展的需求1 1 。1 2 我国太阳能资源及利用现状2 1 2 抛物面槽式太阳能热发电技术简介2 1 2 1 双回路系统3 1 2 2 直接产蒸汽系统3 1 2 3 接收器研究综述4 1 3 两相闭式热虹吸管的特点及研究现状9 1 4 本文研究内容1 1 参考文献1 2 第2 章太阳能中温热管接收器的开发1 9 2 1 中温热管接收器开发思想1 9 2 2 中温热管接收器结构2 1 2 3 中温热管接收器的工作条件2 2 2 3 1 抛物面槽式太阳能集热器放置方式一2 3 2 3 2 太阳直射辐射值2 3 2 3 3 抛物面槽式太阳能集热器会聚比一2 4 2 3 4 接收器传输功率2 5 2 3 5 热管蒸发段热流密度2 5 2 3 6 接收器工作温度2 6 v i 博士学位论文 2 4 热管的研制2 6 2 4 1 热管工质的选取2 6 2 4 2 热管管壳材料的选取及强度校核2 7 2 4 3 夹套材料的选取及强度校核一2 8 2 4 4 热管冷凝段确定2 8 2 5 玻璃金属密封方式2 9 2 6 中温热管接收器样机试制3 0 2 7 本章小结3 1 参考文献3 2 第3 章中温热管接收器理论模型研究3 5 3 1 模型建立3 5 3 1 1 能量平衡方程3 6 3 1 2 集热效率4 0 3 1 3 h t f 与热管冷凝段之间对流传热系数确定4 1 3 1 4 热管传热系数确定4 4 3 2 模型求解4 5 3 3本章小结4 7 参考文献一4 8 第4 章中温热管模拟试验系统设计4 9 4 1 模拟试验装置5 0 4 2 冷却水系统5 2 4 3 数据采集系统及数据处理5 3 4 4 误差分析5 5 4 5 试验操作过程5 6 4 6 本章小结5 7 参考文献5 7 第5 章试验结果及分析5 8 v i i 目录 5 1 最佳充液率的确定5 8 5 1 1 热管蒸发段轴向温度分布5 8 5 1 2 热管蒸发段周向温度分布6 1 5 1 3 蒸发段传热系数6 8 5 1 4 冷凝段传热系数6 9 5 1 5结论7 1 5 2 最佳工作倾角的确定7 2 5 2 1 热管蒸发段轴向温度分布7 2 5 2 2 热管蒸发段周向温度分布7 4 5 2 3 蒸发段传热系数7 8 5 2 4 冷凝段传热系数8 0 5 2 5 结论一8 l 5 3 蒸汽温度对热管性能的影响8 l 5 3 1 热管蒸发段轴向温度分布8 1 5 3 2 热管蒸发段周向温度分布8 2 5 3 3 蒸发段传热系数8 5 5 3 4 冷凝段传热系数8 5 5 3 5结论8 6 5 4 本章小结8 6 参考文献8 7 第6 章中温热管接收器性能研究8 8 6 1 中温热管接收器传热性能8 8 6 1 1 试验测得的热管传热系数用于模型的准确性分析8 8 6 1 2 中温热管接收器热效率9 0 6 1 3 太阳辐射值对接收器热效率的影响9 2 6 1 4 系统压力对接收器热效率的影响9 3 6 1 5 环境风速对接收器热效率的影响9 5 6 1 6 涂层发射率对接收器热效率的影响9 6 v i i i 博士学位论文 6 1 7 冷凝段长度对接收器热效率的影响9 6 6 2 中温热管接收器可靠性分析9 8 6 3 中温热管接收器寿命分析1 0 1 6 4 本章小结1 0 2 参考文献1 0 3 第7 章结论与展望1 0 4 符号说明1 0 6 在读期间发表的文章和申请的专利1 0 9 致谢11 1 i x 博士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 能源可持续发展的需求 能源是人类社会赖以生存与发展的物质基础。2 0 世纪，煤炭、石油、天然 气等化石能源得到大规模使用，人类社会取得巨大飞跃。但飞速发展的同时也带 来了严重的后果：环境问题日益严重，能源供应日趋紧张。 化石能源的使用带来了空气污染、温室效应、酸雨、臭氧层破坏、热污染等 一系列环境问题。2 0 0 2 年在全国4 7 1 个城市中，有2 0 9 个城市环境空气质量达 到国家二级标准，占统计城市的4 4 3 ，空气污染程度仍然严重，尤其是人口超 过百万的特大城市，目前颗粒物是影响城市空气质量的首要污染物，还有5 3 5 的城市颗粒物浓度未达到国家二级标准【l 】。 化石燃料的形成需要漫长的过程，短期内不可再生。英国石油公司( b p ) 的 ( ( 2 0 0 8 年世界能源统计报告中指出，2 0 0 7 年世界石油储采比( 年末剩余储量除 以当年产量得出剩余储量按当前生产水平尚可开采的年数) 为4 1 6 年，天然气储 采比为6 0 3 年，煤炭储采比为1 3 3 年。2 0 0 7 年中国石油储采比为1 1 3 年、天然 气储采比为2 7 2 年、煤炭储采比为4 5 年【2 】。“十五 期间中国能耗增长加速：2 0 0 1 年约3 ，2 0 0 2 年约6 ，2 0 0 3 年约1 3 ，2 0 0 4 年约1 6 ，2 0 0 5 年约9 ，能耗 增长速度2 0 年来首次高于经济增长速度。国际能源署预测，2 0 0 0 年到2 0 2 0 年 间中国增加的石油需求将占全球石油需求增量的1 2 到2 8 。到2 0 2 0 年我国进 1 3 石油将占到石油消费总量的5 0 0 , o , 6 0 1 3 1 。上述数据可以看出我国化石能源的 采储比低于世界平均水平的一半，随着经济的发展能源需求量又在不断增长，未 来能源供应将相当紧张，实现能源可持续发展迫在眉睫。 大力发展可再生能源、清洁能源是实现能源可持续发展的重要途径。太阳能 数量巨大，取之不尽、用之不竭，处处都有、可以就地利用，清洁安全【4 j ，是可 再生能源的重要组成部分。太阳能的缺点是能量密度低，间歇性和不稳定性 4 1 ， 目前太阳能利用技术成本较高。随着化石能源数量的减少，太阳能利用技术改进、 成本降低，太阳能将具有广阔的应用前景。 第1 章绪论 1 1 2 我国太阳能资源及利用现状 我国幅员辽阔，太阳能资源丰富。全国各地太阳能年辐射总量为 3 3 4 0 8 4 0 0 m j m 2 ，中值为5 8 5 2 m j i m 2 。年日照时数大于2 2 0 0 小时，太阳能年辐 射总量高于5 0 1 6 m j m 2 的地区是中国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较 大，约占全国总面积的2 3 以上，具有利用太阳能的良好条件。特别是青藏高原 西部和东南部太阳能资源尤为丰富，接近世界上最著名的撒哈拉大沙漠【5 】。 太阳能的利用技术中应用较广的主要包括光电和光热两部分。近年来我国光 伏组件产量有了很大提高，并形成了相关产业链，但由于价格较高，大部分产品 用于出口，在国内使用很少。 我国在太阳能低温热利用方面取得了巨大的成就，太阳能热水器的产量位居 世界第一，到2 0 0 4 年，我国太阳能热水器的保有量占世界总量的5 8 4 1 6 1 ，为国 家节能减排做出了巨大贡献。在太阳能中高温热利用、热发电方面，国内处于探 索研究阶段，与发达国家相比技术比较落后。 我国太阳能资源丰富，在西部，尤其是青藏高原等人口密度较小，太阳能资 源丰富的地区可以建立太阳能电站，提供电能，减少化石能源的使用，缓解能源 供应紧张问题，促进能源可持续发展。 1 2 抛物面槽式太阳能热发电技术简介 制约太阳能热发电技术大规模推广的主要因素是成本过高，所以当前太阳能 热发电技术的研究重点是如何降低发电成本。在槽式、碟式、塔式三种太阳能热 发电技术中，槽式成本最低、最接近商业化、适合大规模运行。1 9 8 4 年1 9 9 1 年先后有九座槽式太阳能电站在美国加利福尼亚州莫哈韦沙漠建成并投入运行， 总装机容量3 5 4 m w 7 1 ，现在这些电站仍然在运行中，起到了良好的示范作用， 大大推动了槽式太阳能热发电技术的发展。此后很多学者进行了聚光器【8 1 0 】、传 热流体【l l 】、蓄热材料、蓄热系统【1 2 15 1 、电厂测试、运行维护【1 6 ，1 7 】等方面的研究， 为抛物面槽式太阳能热发电技术的发展应用奠定了基础。槽式太阳能热发电系统 主要有两种：双回路系统和直接产蒸汽( d s g ) 系统，前者通常包括传热流体 ( h t f ) 和水循环两个回路，h t f 在太阳能集热器中吸收热量后流经换热器将热 量传递给水产生蒸汽；d s g 系统中水直接流经太阳能集热器吸收热量产生蒸汽。 博士学位论文 1 2 1 双回路系统 双回路系统技术成熟目前已建成的抛物面槽式太阳能电站均采用双回路系 统，包括h t f 和水循环两个回路，一般采用人工合成导热油作为h t f ，h t f 在 太阳能集热器中被加热到3 9 3 ，然后进入换热器将热量传递给水产生3 7 1 过 热蒸汽推动汽轮机带动发电机发电如图1 - 1 所示i 。h t f 具有较高的传热性能， 吸热过程中不发生相变，可靠性高。 图i - l 抛物面槽式太阳能双同路发电系统示意幽 f i gi is c h e m a t i co f d o u b l el o o pp a r a b o l i cl l - o l l 曲s o l a rp o w e rs y s t e m 1 2 2 直接产蒸汽系统 直接产燕汽( d s g ) 系统的提出是为了降低集热系统的成本，其研究始于1 9 7 6 年，首先在u n i v e r s i d a dn a c i o n a la u t o n o m ad em e x i c o ( u n a m ) 开展，持续t 3 0 多 年，主要针对接收器的性能和集热器单元性能研究【1 9 2 5 1 。l l l z 公司在1 9 8 7 1 9 9 1 年实施a t s ( a d v a n c e d t r o u g hs y s t e m ) 项日进行d s g 系统的研究，1 9 9 1 年l u z f f 司 破产该项日停止。欧盟通过p r o d i s s 、a r d i s s 、d i s s ( d i 陀c ts o l a rs t e a m ) 、 i n d i t e p ( 1 n l e g r a t i o no f d s g t e c h n o l o g y f o re l e c t r i c i t yp r o d u c t i o n ) 等项目x q d s g 系统的循环方式、集热器性能、接收器性能、管内传热流体流动性能、系统肩动 停车程序等多方面进行了模拟和试验研究1 2 6 4 1j 。 d s g 系统叫| 水直接流经抛物面槽式太阳能集热器吸收热量产生过热蒸汽， 第1 章绪论 系统示意见图1 2 1 i 。d s g 系统省去了导热油回路，降低了投资成本和运行成本， 系统效率高，电站总转化效率( 太阳能电能) 可达2 26 ，且污染小【“i 。d s g 系统的缺点是目前技术尚不成熟，可靠性较差，接收器内直接产蒸汽，吸热管周 向温差较大，由于温度不均匀产生的热应力会造成接受器弯曲，偏离聚焦线，严 重时甚至会导致玻璃套管破裂，损坏接收器“i 。 幽i 一2 抛物面槽式太刚能直接产蒸汽发电系统示意图 f i g l - 2s c h e m a t i co f d s gp a r a b o l i c t r o l l 8 1 1s o l a r p o w e rs y s t e m 12 3 接收器研究综述 抛物面槽式太阳能集热器主要有聚光器、接收器、跟踪系统三部分组成，如 图1 - 3 所示【l ”。抛物面槽式太阳能集热器一般南北放置，东西向单轴跟踪，其1 二 作示意图如图1 4 所示”2 i ，太阳光线照射到抛物面槽式聚光器上，然后被反射会 聚到接收器，透过玻璃套管到达吸热钢管，被吸热钢管吸收，并将热量传递给 h t f ，跟踪系统不断调节聚光器位置，确保太阳光线聚焦到接收器。聚光器由抛 物面反射镜和金属支架组成，抛物面反射镜由低铁浮法玻璃热弯后制成，背面镀 银或铝，通过陶瓷垫附着在支架上。跟踪系统包括控制系统、传感器、驱动装置， 传感器测定太阳方位，然后通过控制系统控制驱动装罱转动，调整集热器的位置， 实现对太阳的跟踪，使太阳光线聚焦到接收器上。驱动装置可选用齿轮机构或液 压机构。 博士学位论文 图1 - 3 抛物面槽式太刚能集热器 f i 9 1 3p 盯a b o l i c t r o u g hs o l a rc o l l e c t o r 接收器是抛物面槽式太阳能集热器的关键部件，是集热器的吸热及传热元 件，也是集热器中工艺最为复杂的部件。用于取回路系统的接收器，技术较为成 熟，已形成商业产品，结构如图1 5 所示i i s i ，该接收器是由外表面涂有耐高温选 择性吸收涂层的吸热钢管和环绕吸热钢管玻璃套管组成。玻璃套管与吸热钢管之 问抽成真空，初始真空度为o0 1 3 p a 【”，并通过玻璃一会属密封件密封，玻璃套管 与吸热钢管之间设有膨胀节，来消除由于热膨胀系数不同引起的热应力。由于接 收器加工工艺复杂国际上只有少数几家公司掌握了这项技术，最著名的为s o l e l 公司和s c h o t t 公司，已建成的槽式太阳能电站所用接收器主要出自这两家公司， 图1 6 、图i 7 分别为两家公司研制的接收器【”i 。 图1 4 集热器i 作示意图 f i g1 4s c h e m a t i co f w o r kp r o c e s so f p a r a b o l i c t r o u g hs o l a rc o l l e c t o r 训畦辜荨一 吸热铜管玻璃套管 吸气剂膨胀节 图i - 5 接收器结构示意圈 f i g1 - 5s c h e m a t i co f p a r a b o l i ct r o u g hr e c e i v e r n r u c t u r e 第1 章绪论 图1 6s o i e l u v a c 接收器 f i gl - 6s o l e lu v a cr e c e i v e r 图1 7s c h o t t p t r 7 0 接收器 f i 9 1 - 7s c h o t t p t r 7 0r e c e i v e r 由图1 - 4 中可以看出，太阳光线大部分被会聚到接收器向着聚光器的一面， 接收器的一半接收聚光器会聚的高密度的太阳能，另一半只接收未经会聚的少量 太阳能，造成接收器周向热流密度非常不均匀。现有槽式太阳能电厂中抛物面槽 式聚光器的会聚比为8 2 ，聚光器有效反射系数( 减去端头损失) 为9 0 反射 镜反射率为9 35 ，反射镜洁净系数为9 31 【4 ”，则接收器两个半面接收到的太 阳能之比约为6 2 ：l 。在双回路系统中，导热油具有较高的对流传热系数可以及 时将会聚的热量带走，接收器两个半面问的温差较小。d s