（热能工程专业论文）槽式太阳能热管接收器萘热虹吸管性能的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 i i l l lll ll l li i i i i i i ii ii y 2 2 5 4 3 7 5 本文介绍了槽式太阳能直接产蒸汽( d s g ) 热发电系统的流程与工作原理， 针对槽式太阳能热管接收器中的萘热虹吸管( 以下简称萘热管) 进行理论和实验 研究，分析了在半壁受热条件下的萘热管管内工质流动与传热的特点，建立了一 套用于模拟热管接收器工作条件的半壁加热实验系统，对三根充液量( 固体萘体 积与热管蒸发段容积之比) 分别为2 0 、3 0 与4 0 的萘热管在不同倾角( 4 0 与8 0 ) 及不同受热方式( 侧半壁受热与下半壁受热) 、不同管内蒸汽温度( 2 5 0 、 3 0 0 、3 5 0 和3 8 0 ) 条件下进行实验研究，取得了预期效果。 主要研究工作与结论如下： 1 ) 对三根不同充液量的萘热管分别在4 0 倾角与8 0 倾角进行侧半壁启动实验， 加热功率从5 0 w 逐步提高至5 0 0 w ，三根萘热管在加热功率范围内，启动较迅 速，满足d s g 系统对热管接收器的启动要求。 2 ) 小倾角放置时，倾角的变化对2 0 与3 0 充液量萘热管的传热性能影响 较小。充液量的影响较大，4 0 充液量萘热管在2 5 0 ( 2 和3 0 0 管内工质蒸汽温 度时传输功率均比2 0 充液量萘热管与3 0 充液量萘热管小，2 0 充液量萘热管 总热阻及平均周向温差较3 0 大。3 0 充液量萘热管综合性能最佳。 3 ) 小倾角放置且冷却水流量相同时，随着管内工质蒸汽温度升高，下半壁 受热与侧半壁受热传输功率均升高。管内工质蒸汽温度相同时，随着冷却水流量 增大，下半壁受热与侧半壁受热传输功率也都升高。 4 ) 3 0 充液量萘热管在全壁受热与下半壁受热工况条件下的实验结果对比表 明，在管内工质蒸汽温度为2 5 0 ( 2 和3 0 0 时，全壁受热工况条件下的传输功率 比下半壁受热工况大，在管内工质蒸汽温度为3 5 0 和3 8 0 时，下半壁受热工 况条件下的平均周向温差比全壁受热工况大。 5 ) 3 0 充液量热虹吸管在4 0 倾角放置时，在下半壁受热与侧半壁受热工况 条件下，当热管传输功率增大，热管蒸发段与冷凝段传热系数都增大。管内工质 蒸汽温度升高，有利于冷凝段传热系数的提高，而对蒸发段传热系数的影响不大。 6 ) d s g 系统中，在2 0 0 t 2 以上热管接收器采用萘热管为传热元件。热管接 收器萘热管可采用3 0 充液量，4 0 倾角放置，还可以根据d s g 系统中传热工质 i 摘要 水水蒸气的温度来选择萘热管的充液量，即当传热工质水水蒸气的温度在 2 0 0 3 5 0 范围内，萘热管采用3 0 充液量，而在3 5 0 以上的过热蒸汽段， 萘热管采用4 0 充液量。 总之，萘热管可以满足太阳能接收器的工作条件，在2 0 0 - 4 0 0 范围内， 可以采用萘热管作为太阳能热管接收器的传热元件。与传统太阳能接收器相比， 热管接收器的周向温差更小，并且仅将热管蒸发段放置于接收器玻璃管中间，热 管相对玻璃管可沿轴向移动，可避免两者热变形不均引起的玻璃管破裂。 凭借热管良好的综合传热性能、适中的制造成本、成熟的制作工艺及在各个 传热领域取得的成功应用经验，热管接收器用在槽式太阳能d s g 热发电系统中， 可以降低系统接收器初期投资成本，提高接收器可靠性，具在良好的工程应用价 值与市场前景。 关键词：槽式太阳能热管接收器萘热虹吸管半壁受热周向温差 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a r a b o l i ct r o u g hd s g ( d i r e c ts t e a mg e n e r a t i o n ) s o l a rt h e r m a lp o w e r s y s t e ma n di t sw o r k i n gp r o c e d u r ew e r ei n t r o d u c e df i r s t l y , a n dt h e nt h ew o r k i n gf l u i d f l o wa n dt h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co ft h et h e r m o s y p h o nf o rs l o a rh e a tp i p e r e c e i v e rw h i c h w o r k su n d e rh a l fw a l lh e a t i n ga n dl i t t l ei n c l i n a t i o nw e r ea n a l y z e d a h a l fw a l lh e a t i n ge x p e r i m e n tt e s ts e t u pw a se s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h ew o r k i n g c o n d i t i o n so ft h eh e a tp i p er e c e i v e r t h en a p h t h a l e n et h e r m o s y p h o n s 、析t l lt h r e e f i l l i n gr a t i o s ( 2 0 ，3 0 a n d4 0 ) ，w h i c hw a st h ev o l u m er a t i o no f t h en a p h t h a l e n e t ot h ee v a p o r a t o r , w e r et e s t e dr e s p e c t i v e l yu n d e rt w oh e a t i n gw a y s ( s i d eh a l fw a l l h e a t i n ga n db o t t o mh a l fw a l lh e a t i n g ) ，i nt w oi n c l i n a t i o na n g l e s ( 4 。a n d8 。) ，a n dt h e v a p o rt e m p e r a t u r e so ft h ew o r k i n gf l u i d ，n a p h t h a l e n e ，w e r ec o n t r o l l e da t2 5 0 。c ， 3 0 0 。c ，3 5 0 a n d3 8 0 t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h et h e r m o s y p h o nh a d9 0 0 d h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e n l em a i nc o n c l u s i o n sa r e 髂f o l l o w s ： 1 ) s t a r t - u pe x p e r i m e n t so ft h e s et h e r m o s y p h o n s 诵t l lt h r e ef i l l i n gr a t i o sw e r e c a r r i e do u tb o 廿li n4 o a n d8 oi n c l i n a t i o na n g l eu n d e r s i d eh a l fw a l lh e a t i n g i n p u t h e a tt r a n s f e rr a t ew a sg r a d u a l l yi n c r e a s i n gf r o m5 0 wt o5 0 0 w , a n dt h et h r e ef i l l i n g r a t i ot h e r m o s y p h o n sa l lc a ns t a r t - u pq u i c k l y t h e yc a nb eu s e dt ot h eh e a tp i p e r e c e i v e rf o rd s g s y s t e ma n ds a t i s f yt h es t a r t - u pr e q u i r e m e n t 2 ) t h et e s tr e s u l t so ft h en a p h t h a l e n et h e r m o s y p h o n s 谢m2 0 a n d3 0 f i l l i n g r a t i oi n4 0o r8 0i n c l i n a t i o na n g l eh a ds m a l ld i f f e r e n c e s ，a n dt h ef i l l i n gr a t i os t r o n g l y a f f e c t e dt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h e r m o s y p h o n h e a tt r a n s f e rr a t eo ft h e t h e r m o s y p h o n 诵m4 0 f i l l i n gr a t i oa t2 5 0 a n d3 0 0 v a p o rt e m p e r a t u r ew a s s m a l l e rt h a nt h a to ft h et h e r m o s y p h o n 、析m2 0 a n d3 0 f i l l i n gr a t i o t h et o t a l t h e r m a lr e s i s t a n c ea n dt h ec i r c u m f e r e n t i a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo ft h e t h e r m o s y p h o n 、析t l l2 0 f i l l i n gr a t i ow e r eh i g h e rt h a nt h a to ft h et h e r m o s y p h o n 、析t l l 3 0 f i l l i n gr a t i o i i i a b s t r a c t 3 ) a tt h es a m ec o o l i n gw a t e rf l o w , t h eh e a tt r a n s f e rr a t ew a si n c r e a s e d 谢t i lt h e i n c r e a s i n gv a p o rt e m p e r a t u r eu n d e rb o t hb o t t o mh a l fw a l la n ds i d eh a l f w a l lh e a t i n g w h e na tt h es a n l ev a p o rt e m p e r a t u r e ，t h eh e a tt r a n s f e rr a t ew a sa l s oi n c r e a s e d 谢t l l i n c r e a s i n gc o o l i n gw a t e rf l o wu n d e rb o t hb o r o mh a l fw a l la n ds i d eh a l fw a l l h e a t i n g 4 ) t h et e s tr e s u l t sc o m p a r i s o no ft h et h e r r n o s y p h o n 晰t l l3 0 f i l l i n gr a t i o n u n d e rt h ew h o l ew a l lh e a t i n ga n db o t t o mh a l fw a l lh e a t i n gs h o w e dt h a tt h e t h e r m o s y p h o nh a dl a r g e rh e a tt r a n s f e rr a t ea t2 5 0 ca n d3 0 0 0v a p o rt e m p e r a t u r e u n d e rt h ew h o l ew a l lh e a t i n g ，a n d l a r g e ra v e r a g em a x i m u mc i r c u m f e r e n t i a l t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea t3 5 0 ca n d3 8 0 cv a p o rt e m p e r a t u r eu n d e rb o t t o mh a l f h e a t i n g 5 ) w h e nt h e3 0 f i l l i n gr a t i o nt h e r m o s y p h o nw a sp l a c e di n4 0i n c l i n a t i o n a n g l ea n dt e s t e du n d e rb o t t o mh a l f w a l lh e a t i n ga n ds i d eh a l fw a l lh e a t i n g ，b o t ht h e e v a p o r a t o rs e c t i o na n dc o n d e n s e rs e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw e r ei n c r e a s d 、析t l l t h eh e a tt r a n s f e rr a t e t l 他c o n d e n s e rs e c t i o nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a si n c r e a s d w i 吐lt h en a p h t h a l e n ev a p o rt e m p e r a t u r e ，b u tt h ee v a p o r a t o rs e c t i o nh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n tc h a n g e dl i t t e r 、椭t l lt h en a p h t h a l e n ev a p o rt e m p e r a t u r e 6 ) i nd s gs y s t e m ，t h en a p h t h a l e n et h e r m o s y p h o nc a nb eu s e da st h eh e a t t r a n s f e re l e m e n to fs o l a rh e a tp i p er e c e i v e rw h e nt h et e m p e r a t u r eo ft h ew a t e r s t e a m i sb e y o n d2 0 0 c 1 h en a p h t h a l e n et h e r m o s y p h o nf o rt h eh e a tp i p er e c e i v e rc a nb e 、柝t l l3 0 f i l l i n gr a t i oa n dp l a c e di n4 0i n c l i n a t i o na n g l e a l s ot h ef i l l i n gr a t i o nc a n b ec h o s e na c c o r d i n gt ot h et h et e m p e r a t u r eo ft h ew a t o r s t e a mi nd s g s y s t e m ，t h a ti s ， t h et h e r m o s y p h o nc a nb e 、i t l l3 0 f i l l i n gr a t i ow h e nt h et e m p e r a t u r eo ft h e w a t o r s t e a mi sb e t w e e n2 0 0 t 03 5 0 ，a n db e y o n d3 5 0 cc a nb ew i m4 0 f i l l i n g r a t i o i nc o n c l u s i o n ，t h en a p h t h a l e n et h e r m o s y p h o nc a ns a t i s f yt h e s o l a rr e c e i v e r w o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n dc a nb eu s e da st h eh e a tt r a n s f e re l e m e n tf o rs o l a rh e a tp i p e r e c e i v e rb e t w e e nt h e t e m p e r a t u r e s f r o m2 0 0 ct o4 0 0 t h en a p h t h a l e n e t h e r m o s y p h o nh a dg o o dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ei ne a c hw o r k i n gc o n d i t i o n ，a n d s m a l l e rc i r c u m f e r e n t i a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c et h a nt r a d i t i o n a ls o l a rr e c e i v e t h e i v 硕士学位论文 e v a p o r a t o rs e c t i o ni sl o c a t e di nt h er e c e i v e rg l a s s ，a n dt h e r ei so n l yo n es e a lp a r tt o c o n n e tt h eh e a tp i p ea n dg l a s s ，s ot h et h e r m o s y p h o nc a nm o v ea x i a l l yb u td on o t b r e a kt h e g l a s s a st h e r ei s t e m p e r a t u r e d i s t o r t i o nd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e t h e r m o s y p h o na n dg l a s s a st h et h e r m o s y p h o nh a sg o o dh e a t 仃a n s f e rp e r f o r m a n c e ，m o d e r a t ep r o d u c t i o n c o s t ，a sw e l l a sm a t u r em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n ds u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n e x p e r i e n c ei nv a r i o u sh e a tt r a n s f e ro c c a s i o n s ，t h es o l a rh e a tp i p er e c e i v e ru s e di n p a r a b o l i ct r o u g hd s gs y s t e mc a nr e d u c et h ei n i t i a li n v e s t m e n tc o s t , i m p r o v et h e r e c e i v e rr e l i a b i l i t y , a n dh a sf a v o r a b l ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u ea n dm a r k e t p r o s p e c t k e y w o r d s ：p a r a b o l i ct r o u g hs o l a r ；h e a tp i p e r e c e i v e r ；n a p h t h a l e n e t h e r m o s y p h o n ：h a l fw a l lh e a t i n g ；c i r c u m f e r e n t i a lt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e v 目 录 目录 摘要i a b s t r a c t i i l 第1 章绪论1 1 1 课题背景 1 1 1 1 槽式太阳能热发电技术与槽式抛物面集热器。2 1 1 2 槽式太阳能接收器。4 1 2 研究的现状及存在的问题5 1 2 1 槽式太阳能热发电技术的国内外发展现状。 5 1 2 2 槽式抛物面集热器的国内外发展现状。6 1 2 3 太阳能热管式接收器的研究与发展7 1 2 4 热虹吸管的研究与发展。9 1 3 课题研究内容和研究方法1 2 参考文献1 3 第2 章槽式太阳能热管接收器及其热虹吸管的传热分析。1 9 槽式太阳能热管接收器的结构与传热过程 2 1 1 槽式太阳能集热器与热管接收器的热平衡分析 1 9 2 1 2 1 2 槽式太阳能集热器与热管接收器的火用平衡分析2 2 2 2 热虹吸管半壁受热传热分析2 4 2 2 1 热虹吸管半壁受热启动过程2 4 2 2 2 热虹吸管半壁受热管内的工质流动与传热2 7 v i 硕士学位论文 2 2 3 热虹吸管半壁受热传热极限。2 9 2 3 热虹吸管半壁受热热阻分析3 2 2 3 1 管壁热阻3 3 2 3 2 蒸发段管内热阻3 3 2 3 3 冷凝段管内热阻3 4 2 3 4 工质蒸汽流动热阻3 5 2 3 5 总热阻3 5 2 4 热虹吸管半壁受热管壁温度分布一3 6 2 5 本章小结：3 7 参考文献。3 7 第3 章槽式太阳能热管接收器热虹吸管半壁受热实验系统4 0 3 1 实验元件4 0 3 2 测试装置4 1 3 3 实验流程4 3 3 4 实验数据处理方法4 3 3 5 本章小结4 4 参考文献4 4 第4 章萘热虹吸管传热性能实验结果与分析4 5 4 1 热虹吸管侧半壁受热启动过程4 5 4 2 不同充液量时热虹吸管半壁受热实验结果4 9 4 3 不同倾角时热虹吸管半壁受热实验结果5 7 4 4 热管接收器热虹吸管最佳充液量与工作倾角的确定6 2 v l i 目 录 4 5 下半壁受热与全壁受热实验结果对比6 3 4 6 热虹吸管传热系数j 6 6 4 7 本章小结6 7 参考文献6 8 第5 章结论与展望。6 9 5 1 结论6 9 5 2 展望7 0 符号表7 1 在读期间发表的论文、参与科研项目及获奖情况7 4 致谢。7 6 v i i i 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 能源是社会经济发展的动力，能源短缺，已经成为全世界最大的难题之一。 无论是我国，还是放眼世界，随着现代社会的发展，世界总人口的增长，对能源 的需求量将越来越大，而已探明的世界能源矿产储量有刚闰。欧盟最新科研报 告世界能源技术展望- - 2 0 5 0 ) ) 报道，到2 0 5 0 年，全球的能源消耗量将是目前 的两倍，达到2 2 0 亿吨，人类将面临更为严峻的能源考验【7 1 。 现有的能源除短缺告急之外，能源的消费也给地球环境带来具大压力，尤其 是对大气的污染，能源消费所造成的负面影响非常突出。化石燃料，特别是煤炭 的燃料不可避免地产生大量的c 0 2 等温室气体，造成了全球气候的变化，能源 消费所造成的负面效应对人类生存环境带来巨大的影响2 1 。 为了应对能源日益紧缺的严峻形势并减少能源消费带来的环境污染，各国科 学家正积极开展新能源与清洁能源的探索与研究，太阳能作为地球能源的主要来 源，因其存储量巨大并且可再生等特性有望成为化石能源的有力补充甚至替代 品，各种太阳能利用技术也应运而生。 人类利用太阳能的历史由来已久，中国是世界上最早利用太阳能的国家之 一。周礼秋官司寇中记载“司炬氏掌以夫燧取明火于日 ，说明在西周时期， 就有负责以阳燧取火的官员。3 0 0 0 多年前的西周，我们的祖先就发明了最早的 太阳能聚光器一“阳燧 ( 用铜制成的凹面镜) 【1 3 】。阳燧是中国继指南针、 造纸术、火药和泥模活字印刷术之后的第五大发明，阳燧取火，是世界上最早的 太阳能利用。此后从盐场的晒盐到粮食晾晒，传统的生活和生产中有着各种利用 太阳能的大量事例。当前，太阳能的应用在发达国家已经发展得比较成熟，我国 更应该大力推行太阳能在日常生活中的使用，以便节约化石燃料，节约电力 【1 4 - l6 】 o 电能便于运输和直接使用，在当今生产和生活中已必不可缺，太阳能发电是 太阳能转化利用的一条有效途径。 太阳能光伏发电与太阳能热发电是当前太阳能发电的两种主要方式。太阳能 热发电方式可分为三种系统：塔式太阳能热发电系统、槽式太阳能热发电系统和 l 第l 章绪论 碟式太阳能热发电系统。 1 1 1 槽式太阳能热发电技术与槽式太阳能集热器 太阳能热发电的三种类型中，槽式的技术最成熟，成本最低，最具有建立商 业化太阳能发电站的潜力【1 7 1 。并且，在运行周期内，槽式太阳能热发电系统c 0 2 排放量是最小的，不同类型发电方式在运行周期内的c 0 2 排放量比较见图1 1 f 1 8 1 。 、 重 毛 邑 岫| 整 吾 u 煤电天然气光伏风电水电槽式 图1 1 各种发电方式运行周期的c 0 2 排放量 f i g 1 1c 0 2 e m i s s i o n so fd i f f e r e n tp o w e rt e c h n o l o g i e sd u r i n gl i f ec y c l e 在槽式系统中，根据传热工质的种类，又分为双工质回路系统与单工质直接 产蒸汽d s g ( d i r e c ts t e a mg e n e r a t i o n ) 回路系统：双工质回路系统是指采用两 种传热工质导热油与水水蒸气的回路系统，导热油流经太阳能集热器中受 热升温后，再流入换热器与水换热，水经过逐步受热最终成为过热水蒸气流至透 平发电；而单工质直接产蒸汽回路系统采用水水蒸气为传热工质，水流经太阳 能集热器受热成过热水蒸气，再流至透平发电。图1 2 与图1 3 分别是两种槽式 系统的示意图。根据槽式直接产蒸汽单工质回路系统中各组成部分的功能，可将 整个系统分为以下几个子系统：( 1 ) 抛物面集热器子系统；( 2 ) 透平发电子系统； ( 3 ) 冷凝器与凝汽器( 给水箱) 子系统；( 4 ) 储热子系统。太阳光照射在槽式抛物面集 热器阵列上，是整个系统的能量源头，系统运行时，水从凝汽器( 给水箱) 流出， 由水泵升高压力，流经抛物面集热器阵列受热最后成为过热水蒸气，再流至透平 发电，然后经过冷凝器冷凝最后回到凝汽器( 给水箱) 完成一个循环，系统水水 蒸气循坷i 是典型的朗肯循环。储热子系统主要包括换热器与冷、热熔盐储罐，i ，1 天水蒸气通过换热器加热相变储能介质如硝酸类熔盐等储存热量，晚上则由熔盐 通过换热器加热水蒸气以供系统在夜间运行，从而实现太阳能热电站的连续运行 2 o 0 0 0 o o o 0 0 0 0 砷印加m 硕士学位论文【1 9 - 2 1 】0槽式抛物面集热器阵，叩叩白石石石由白白石石石石石石石石石石石石石石石石石l ol 导热油j 缓冲罐图1 2 双工质回路示意图f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t w oh e a tt r a n s f e rf l u i dc i r c u i t图1 3 直接产蒸汽回路示意图f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fd s gc i r c u i t由上述可知，槽式太阳能热发电系统与传统火力发电系统流程较为相似，尤其是单工质回路d s g 系统。与传统的火力发电系统的区别是，槽式太阳能热发电系统的能源来自太阳，通过槽式太阳能集热器收集太阳能以提供发电的动力。抛物面集热器子系统由大量槽式太阳能抛物面集热器联接组成。槽式太阳能抛物面集热器是槽式太阳能热发电系统的核心组件，其性能影响整个发电系统运行的稳定可靠性及系统发电效率。单个集热器由多个集热器单元( s o l a rc o l l e c t o re l e m e n t ) 串联而成，集热器单元由槽式抛物面聚光器单元( p a r a b o l i ct r o u g hc o n c e n t r a t o re l e m e n t ) 与接收器单元( r e c e i v e re l e m e n t ) 组成，太阳光照射在槽式抛物面形聚光器上，然后反射至接收器，流过接收器的工质( 导热油或水水蒸气) 吸收并带走热量，实现能量传递。在槽式太阳能电站中，通常将6 到l o 个集热器单元串联成一个集热器( s o l a rc o l l e c t o r a s s e m b l y ) 使用。典型的集热器单元见图1 4 ，为保证聚光器角度在不同时刻随太阳方位调整，集热器还装有跟踪器。3 第1 章绪论 f l 蹈、嚣等 图l - 4 槽式太阳能集热器单元示意图 f i g i - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f 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 e l e m e n t 1 1 2 橹式太阳能接收器 槽式太阳能接收器是集热器的核心部分，目前成熟并大规模使用的接收器结 构采用玻璃外管加金属吸热内管。金属吸热内管的外管壁上覆盖有一层选择性涂 层，材料主要为镍与铬类物质，对太阳辐射有高的吸收比，而本身的发射率较小， 减少金属吸热内管的热辐射能量散失。传热工质流过金属吸热内管时带走集热器 收集的太阳热量。由于金属吸热内管壁温可达4 0 0 c 以上，在此温度下若选择性 涂层直接暴露在空气中，将与空气中的氧气发生氧化反应而变质失效，因此，采 用玻璃外管与一定的密封结构维持玻璃外管与金属吸热内管之间的真空氛围以 避免选择性涂层被氧化而失效 2 2 1 。图1 5 是一典型槽式太阳能接收器单元的示意 图。 图1 5 槽式太阿j 能接收器单元示意图 f i g 1 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fp a r a b o l i ct r o u g hs o l a rr e c e i v e re l e m e n t 图1 5 中接收器采用的膨胀节结构为外置式，主要生产厂家为以色列的s o l e l 4 硕士学位论文 公司，德国s c h o r 公司还研制了一种膨胀节内置的接收器，其结构如图1 6 所示。 玻璃外管 金属内管 一一 _ 一 一 - 一 一 一 、 一 、 罾封膨月长1 j选择。陆涂层 图1 - 6s c h o r 公司槽式太阳能接收器单元示意图 f i g 1 6s c h e m m i cd i a g r a mo fs c h o t tc o p a r a b o l i ct r o u g hs o l a rr e c e i v e re l e m e n t 1 2 研究的现状及存在的问题 1 2 1 槽式太阳能热发电技术的国内外研究现状 太阳像一个巨大的核反应堆，其内部不断进行热核反应将氢变成氦，太阳表 面温度约为5 8 0 0 k ，太阳光照射到地球表面主要以辐射能的形式传递给地球，由 于太阳距地球距离较远，辐射至地球表面的太阳能的能量密度很低，约为 1 0 0 0 w m 2 ，不便于直接利用【2 3 】，因此采用聚光方式提高其能量密度，即将照射 在面积很大的聚光装置上的太阳光反射到较小面积上的接收装置上，实现太阳辐 射能的聚集，以便下一步传输、转化和利用。 太阳能热发电系统中的聚光装置称为聚光器，接收装置称为接收器。常见的 聚光器一般以玻璃为材料并加工成镜面形式，槽式系统因其聚光器镜面为槽式抛 物面状而得名，利用抛物面的线聚焦特性，将太阳光反射至抛物面的焦线上，焦 线上布置接收器，接收器是吸热、传热元件，传热工质流过接收器时带走太阳辐 射能量，再通过其他设备将传热工质的热能转换成其他具体形式如电能或机械能 以利用。 1 9 8 4 年，世界上第一个槽式太阳能热发电厂投入运行【2 4 1 。随后，在1 9 8 4 年 至1 9 9 1 年的6 年时间内，在美国加利福尼亚州莫哈韦沙漠( m o j a v ed e s e r t ) 地 区共建立了9 个槽式太阳能热发电工厂s e g si - - s e g s i x ( s o l a re l e c t r i c g e n e r m i o ns y s t e m ) ，其发电功率分别为1 4 m w 、6 x 3 0 m w 和2 x 8 0 m w ，目前都 在正常运行。这些电厂都应用了当时最成功的太阳能热发电技术，均为双工质回 路系统。总发电功率达3 5 0 m w ，每年产生的电量约占世界太阳能发电总量的8 0 5 第1 章绪论 以上。到目前为止，这些太阳能发电厂已经累计生产了大约7 5 亿千瓦小时的电 量【2 5 】。 s o l a r p a c e s 是i e a 国际能源署( i n t e r n a t i o n a le n e r g ya g e n c y ) 的一项国际合 作计划( w w w s o l a r p a c e s o r g ) ，目标是在2 0 1 5 年前建设5 0 0 0 m w 级的聚光太阳 能电站c s p ( c o n c e n t r a t i n gs o l a rp o w e r ) 。i e a 在2 0 0 0 年有十四个成员( 澳大利 亚、巴西、埃及、欧共体、法国、以色列、德国、墨西哥、俄国、西班牙、南非、 瑞士、英国及美国) 。已经建成和正在建设的项目包括：阿尔及利亚，埃及，墨 西哥，摩洛哥，印度等国3 0 m w ；伊朗6 0 m w ；南非i o o m w ：西班牙1 2 x 5 0 m w ) 以色列5 x 1 0 0 m w ；美国3 0 0 0 m w 等，其中，除南非为塔式c s p 外，其他都是 槽式【2 6 1 。 截止到2 0 0 5 年底，由欧盟提供资金资助在西班牙建设了三座槽式太阳能直 接产蒸汽热发电试验系统，分别是太阳能直接产蒸汽系统d i s s ( d i r e c ts o l a r s t e a m ) 、d i s s 2 和太阳能直接产蒸汽发电技术整合系统i n d i t e p ( i n t e g r a t i o no f d i r e c ts o l a rs t e a mt e c h n o l o g yf o re l e c t r i c i t yp r o d u c t i o n ) 1 2 7 1 ，也取得了宝贵的经验。 1 2 2 槽式抛物面集热器的国内外发展现状 二十世纪八十年代初期，以色列和美国联合组建了l u z 太阳能热发电国际 有限公司。从成立开始，该公司就集中力量研究开发槽式抛物面聚光反射镜太阳 能热发电系统，在1 9 8 4 年至1 9 9 1 年的6 年时间内分别开发了l s 1 、l s 2 和l s 3 集热器，其中l s 1 和l s 2 聚光器采用t o r q u et u b e 结构，l s 3 聚光器采用v - t r u s s f r a m e w o r k 结构，三种集热器开口宽度分别为z 5 5 m 、5 m 和5 7 6 m ，抛物面焦线 处放置接收器，焦距分别为0 9 4 m 、1 4 9 m 和1 7 1 m ，聚光比分别为6 1 ：1 、7 1 ：1 和8 2 ：1 ，每个集热器单元长度分别为6 3 m 、8 m 和1 2 m ，每个集热器的采光面积 分别为5 0 2 m 2 、4 9 m 2 和9 9 m 2 ，所采用的反光镜面积分别为1 2 8 m 2 、2 3 5 m 2 和 5 4 5 m 2 ，l s 1 接收器吸热管的直径为o 0 4 m ，l s 2 与l s 3 接收器吸热管的直径 均为0 0 7 m 。l s 1 用在s e g si 和s e g si i 电站中，l s 2 用在s e g si i 至s e g s 电站中，l s 3 用在s e g s v 至s e g s i x 电站中。该公司原计划到2 0 0 0 年在加州 建成总装机容量达8 0 0 m w 的槽式太阳能热发电站，发电成本降至5 6 美分l ( 啪， 然而，由于1 9 9 1 年到1 9 9 2 年油价下跌，c s p 失去开发经费，承包s e g s 的l u z 公司因而破产，因此，l s 系列的集热器开发工作也相应停止，上述三种集热器 6 硕士学位论文 的接收器管内流通的均为名为t h e r m i n o lv p 1 导热油，并计划将l s 3 型的集热 器用于d s g 系统中，接收器管内流通的为水水蒸气【2 引。此外，美国的太阳能工 业技术开发的n e wi s t ( i n d u s t r i a ls o l a rt e c h n o l o g y ) 集热器、欧洲太阳能发电工业 协会e s t i a ( e u r o p e a ns o l a rt h e r m a lp o w e ri n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 开发的 e u r o t r o u g h 集热器和美国d u k es o l a r 也开发的d u k e s o l a r 集热器性能均达到 l s 3 集热器的水平【2 9 0 4 1 。 这些集热器的接收器均采用玻璃外管加金属吸热内管结构( 见图1 5 、图i - 6 所示) ，玻璃管与金属管之间连接复杂：玻璃管先与过渡材料( 主要是可伐合金) 连接，然后过渡材料与膨胀节连接，最后膨胀节再与金属管连接。膨胀节的作用 是消除温度变化时玻璃管与金属管在轴向上的拉伸或收缩不均，防止玻璃管被拉 伸或收缩过度而造成破坏，以此维持玻璃管与金属管之间的真空度，避免接收管 外管壁的选择性涂层被空气中的氧气氧化失效，延长接收器的使用寿命。 1 2 3 热管式太阳能接收器的研究与发展 上述集热器的接收器金属内管为直通管，即接收器金属内管是传热介质的流 动通道，传热介质与金属内管的传热过程属一次间壁换热，且接收器金属内管两 端均通过密封膨胀节、可伐合金与玻璃外管连接，为两端密封。过渡材料可伐合 金价格昂贵，接收器整体价格较高。 为了提高接收器效率及可靠性，研究人员不断改进现有接收器结构以及设计 新