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中国科学技术大学颀十。学位论文：环套结构腔体式吸收器的数值分析 摘要 吸收器是太阳能热发电与工业供热系统的重要部件，作者建立了一种环套结 构腔体式吸收器的模型，对吸收器的各部件建立了能量平衡方程，利用热阻网络 法对吸收器集热过程进行了稳态数值分析，研究了各部件的温度分布情况，并给 出了环套结构腔体式吸收器效率的表达式。讨论了典型工况下各参数的变化对腔 体式吸收器效率及工质出1 3 温度的影响，通过优化分析，得出当聚光器开口宽度 为5 m 时，腔体开口圆心角、内壁半径、流道外壁半径的优化值分别为2 4 。、o 1 6 8 m 和o 2 0 m 。比较了三种不同类型吸收器的热转换因子，讨论了采用热镜窗之后系 统性能的变化情况，最后还分析了太阳辐照变化的情况下运行方式对系统性能的 影响，并就系统性能与l u z 公司太阳能电站作了比较。 关键词：槽形抛物镜；腔体式吸收器；吸收器效率。 中国科学技术大学硕j ：学位论文：环套结构腔体式吸收器的数值分析 a b s t r a c t am o d e la sa k e yp a r ti nt h es o l a fe l e c t r i c i t yg e n e r a t i o na n dh e a tg e n e r a t i o ns y s t e m s w a sc o n s t r u c t e df o rt h ec a v i t ya b s o r b e rw i t ht h es t r u c t u r eo fe y e l e tt h i m b l e i t c o n s t r u c t e dt h ee n e r g ye q u a t i o n sf o rt h ee a c hp a r to ft h ea b s o r b e r , a n dt h eh e a t c o l l e c t i n gp r o c e s so f t h ea b s o r b e rw a sa n a l y z e du n d e rs t e a d ys t a t e t h ed i s t r i b u t i o no f t h et e m p e r a t u r ew a si n v e s t i g a t e d ，a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ea b s o r b e rw a sd e f i n e d t h ei n f l u e n c eo ft h ev a r i a t i o no fs e v e r a lp a r a m e t e r so nt h ee f f i c i e n c yo ft h ec a v i t y a b s o r b e ra n dt h eo u t l e tt e m p e r a t u r eo ft h ew o r k i n gf l u i dw a sd i s c u s s e du n d e rt y p i c a l o p e r a t i n gm o d e t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e d ：w h e nt h ea p e r t u r ew i d t h o ft h ec o n c e n t r a t o ri s5m e t e r s ，t h eo p t i m i z e dv a l u e sf o rt h ec e n t r ea n g l eo ft h e a p e r t u r e ，t h ei n n e ra n dt h eo u t e rr a d i u so ff l o wp a s s a g ea l e2 4 0 ，o 1 6 8 ma n d0 2 0 m r e s p e c t i v e l y i tc o m p a r e dt h et h e r m a lc o n v e r s i o nf a c t o ro ft h r e ed i f f e r e n ta b s o r b e r s a n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fh e a tm i r r o r a l s od i s c u s s e dw a st h ei n f l u e n e eo f o p e r a t i n gm o d e so nt h es y s t e mp e r f o r m a n c ew h e nt h es o l a rr a d i a t i o nw a sv a r i a b l e ， a n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c ew a sc o m p a r e dw i t ht h es o l a re l e c t r i c a ls t a t i o no fl u z c o m p a n y k e y w o r d s ：p a r a b o l i ct r o u g hc o n c e n t r a t o r ；c a v i t ya b s o r b e r ；t h ee f f i c i e n c yo f t h ea b s o r b e r 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 一卑| at i 黾 中国科学技术大学顾j ：学位论文( 2 0 0 7 ) 李进 第一章绪论 1 1 前言 能源是经济的首要问题，是发展工业、农业、国防、科学技术和提高人民生 活水平的重要物质基础，因此，能源的开发和利用，对国民经济和社会的发展都 有着重大意义。不论过去还是现在，世界消耗能量的大部分来自矿物燃料。然而 矿物燃料资源是有限的，世界石油资源只能维持几十年，因此，世界各国对今后 如何解决能源问题都极为关注。解决的办法就是开源和节流，节流就是节能，即 提高矿物燃料的利用率，以延长地球矿物燃料资源的使用寿命，开源就是要开辟 新的能源渠道，其中最理想的就是开发和利用可再生能源。 目前可再生能源在整个能源供应结构中只占l i d , 的份额。但从技术和国民经 济发展的角度来讲，其可能利用的领域在扩大，数量也在日益增多，潜力是很大 的，特别是从资源、社会发展和环境保护的角度来讲，可再生能源的利用是必然 趋势。在可再生能源中，最引人注目的、涉及学科最广的要数太阳能了。 1 2 太阳能利用及其有待克服的困难 太阳能是己知的最原始的能源，它干净、可再生、丰富而且遍布全世界，几 乎所有已知的其他能源都直接或间接地来自太阳能。太阳辐射能很容易地以较高 的效率转换为热能，然而把热能变为机械能却没有那么容易。热转换为功的条件 以及理论上可能得到的最大转换效率已由热力学第二定律和卡诺定理所阐明，即 提高热机效率的主要途径是提高热源温度。 为了有效地把太阳能应用于热发电和热动力，必须克服以下技术难题： l 、由于地面得到的太阳能是一种能流密度很低的能源，因此为了提高热源 温度以提高热机效率，就需要采用聚焦型集热器。工作温度越高，所需要的集热 器聚光倍数就越大。温度很高时，就必须采用能精确跟踪太阳运动的聚焦型集热 器，这样，系统的效率虽得到了提高，但所付出的代价也是很高的。 2 、为了提高热机的效率与经济效益，除了要求较高工作参数，还要求规模 化：热机的这一特性对利用能流密度低的太阳能十分不利。 中固科学技术大学硕i 。学位论义( 2 0 0 7 ) 李进 3 、地面上的太阳能间歇性对任何形式的太阳能利用都是一种不利因素，而 对太阳能热发电来说尤为突出。为了保证正常供电和发电系统的正常运转，理论 上有三种办法可供选择：1 ) 在发电机输出端配置蓄电装置，当发电机的发电能 力大于外界所需电量时，将多余的电能贮存起来供发电量不足时使用。2 ) 在太 阳能集热器与热机之间设置贮热装置，把电负荷较低时多余的热能贮存起来，使 发电机在用电高峰时能以更大的功率发电。3 ) 把太阳能发电系统和电网并联。 然而大规模贮热和蓄电是较为困难的，其代价昂贵；因此，若要保证可靠的供电， 必须把太阳能电站并入电网。 。 1 3 太阳能热发电现状 1 3 1 带中央吸收器的塔式电站 塔式电站的概念最先由b a u m 等于1 9 5 6 年提出【”，它与火力发电站之间最 重要的区别是：用一个中央吸收器取代了火力发电站中的锅炉，利用许多四周布 置、全天跟踪太阳的定日镜把太阳辐射聚焦到塔柱顶上的吸收器表面，加热其中 的介质( 如水) 并产生温度和压力都相当高的蒸汽，再由蒸汽驱动汽轮发电机组 发电。其结构示意图如图l 所示。塔式电站的吸收器有两种类型：腔体式和夕 圆 柱式，优选的方案受吸收辐射的性能、热损、吸收器造价和定日镜设计等因素制 约，外圆柱形吸收器可以使来自定日镜场边缘的辐射容易被接收：如果采用工作 温度较高的燃气轮机装嚣循环，就有必要使用腔体式吸收器并配以更高的塔柱和 更大的聚光比【。由于塔式电站的聚光倍数较大，其介质工作温度较高，因此通 常称其为高温太阳能热发电。 2 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 李进 狂 ! 5 6 5o c l 冷盐存储罐 l 捌弋3 一 2 o c 图1 塔式电站示意图嘲 1 、太阳能1 号塔式电站 它由美国能源部及南加州数家公司联合主持，由m cd o n n e l ld o u g l a s 公司承 建。位于加州南部b a r s t o w 沙漠地区附近的塔式外圆柱吸收器太阳能热电站太 阳l 号起止运行于1 9 8 2 年4 月1 2 日至1 9 8 8 年9 月2 7 日。该系统把水转换成 5 1 6 。c 和1 0 2 b a r 的过热蒸汽【3 】，蒸汽既可直接用于驱动透平一发电机，也可以用于 加热油、石、砂床以贮备热能，以便在夜晚多云停运预热及早晨启动运行时产生 蒸汽，然而该贮热方法不可能产生足够品质的蒸汽驱动传统透平一发电机，它只 能贮备3 个小时满负荷运行的热量。 定日镜的跟踪控制系统由两台主机构成 4 1 ，一台备用，另一台管理6 4 个场地 控制器，每台场地控制器又控制3 2 面定日镜的微处理器；1 8 1 8 面定日镜跟踪的 可靠性在电站运行的几年中非常好。太阳l 号的设计容量为：保证夏季至少8 个小时，冬季至少4 小时的输出电功率在1 0 m w e 以上【5 】经过2 年初试及评估 后，这座电站又正常发电4 年及2 个月。在这6 0 个月里，该电站与南加州e d i s o n 电网并网，共计净发电3 7 1 0 3 m w h l 6 i 。太阳1 号的吸收器热损占5 1 ，主要由 管道泄露及阀门损坏和传输损失等引起；透平能耗占1 7 ：计算机控制误差引起 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 李进 4 的能耗，其中一半以上是由控制定日镜跟踪的那部分计算机引起的，在发电 初期，太阳l 号的自身辅助设备用电约占透平一发电机所产总电能的3 3 ，1 9 8 8 年达到3 9 【7 1 。 每天相当一部分时间里太阳l 号都不在满负荷状态下运行，此时透平的效率 达不到3 3 。以一个容量为1 0 0 2 0 0 m w e 的商用规模塔式电站为例，由于它采 用了再热循环，使得透平机的效率可以提高，达到4 2 左右。 太阳l 号设计于7 0 年代末，被认为是第一代塔式电站，从那时起美国s a n d i a 国家实验室又联合几家工业和政府机构开始致力于第二代塔式电站的设计闻。 2 、其他塔式电站 位于西班牙东南部、靠近a l m e r i a 、设计容量为1 2 m w e 的c e s a i 塔式电 站于1 9 8 3 年1 0 月投入运行，产生5 2 0 和1 0 0 b a r 的过热蒸汽，可采用融盐贮热 系统在3 4 0 。c 温度下贮备供电站3 小时满负荷运行的热量。c e s a i 的排管式吸 收器和太阳l 号的外圆柱吸收器相比，对流热损相仿，辐射热损减小【9 l ，因此具 有更高的效率。 其他较有影响的塔式电站有：1 9 8 1 年8 月至1 9 8 4 年4 月投入运行、位于日 本n i o 的1 m w e 塔式电站，其腔体式吸收器可提供2 5 0 。c 和4 0 b a r 的饱和蒸汽， 年平均发电效率为2 一5 ；1 9 8 3 年5 月投入运行，位于法国南部山区t h e m i s 的2 5 m w e 腔体式吸收器塔式电站，年平均发电效率为7 3 ，该电站的运行者 认为更大的电站规模、更低的纬度及更好的气象条件将有利于提高电站的发电效 率【l l 】；由欧共体投资、1 9 8 0 年1 2 月至1 9 8 3 年9 月投入运行、位于意大利s i c i l y 的a d r a n o 、设计容量为1 m w e 的塔式电站，可产生5 1 0 。c 和6 4 b a r 的过热蒸汽， 年平均发电效率为7 。 塔式电站的优点是：聚光倍数高，容易达到较高的工作温度；其能量集中过 程是靠反射辐射一次完成，方法简捷有效，吸收器散热面积相对较小，因而可得 到较高的光热转换效率：运行参数与高温高压电站一致，这样不仅有较高的热效 率，且容易获得配套设备。但这种电站的建设费用十分昂贵，美国太阳能1 号 ( 1 0 m w e ) 塔式电站的投资额高达一亿多美金，即每千瓦花费掉一万美金左右， 其中定日镜场占5 0 以上。 4 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 李进 1 3 2 槽型抛物镜集热器分散布置式电站 由于太阳能塔式电站的跟踪控制十分复杂，建设费用昂贵，因而提出了一种 把聚焦集热器分散布置的方案。这种方案的基本出发点是，载热介质在单个分散 的太阳能聚焦集热器中被加热并形成蒸汽，然后汇集至透平。如采用双回路系统， 则加热后的载热介质不是直接送往透平，而是集中在个热交换器内，然后把热 量传递给透平回路中的工质。这种方案的优点是各聚焦集热器可同步跟踪，故而 其控制代价大大降低，它的缺点是能量集中过程依赖于管道和泵，其间的热损失 和阻力损失不可忽略。 依据所采用的反射镜形式的不同，聚焦集热器分散布置式电站又可分为槽型 抛物镜集热器分散布置和碟式抛物镜集热器分散布置两种，分别如图2 和图3 所示。 图2 槽式太阳能分散布置式电站示意刚“1 由于槽型抛物镜集热器是一种线聚焦集热器，其聚光倍数要比碟式抛物镜集 热器或塔式电站低得多，只有几十，吸收器散热面积较大，故介质工作温度一般 不超过3 8 0 。c ，因此通常也称其为中温太阳能热发电。 由于塔式电站跟踪控制系统复杂，投资大；因此美国已建成的总装机容量达 4 0 0 m w e 以上的全部太阳能热电站，绝大部分都是分散布置式；特别是以槽型抛 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 ) 李进 物镜集热器群组成的分散布置式电站发展最快，已开始面向商业化。 优越的日射条件、税收政策的倾斜以及燃料的提价，为8 0 年代美国南加州 m o j a v e 地区9 座大型商用分散布置式槽形抛物镜集热器太阳能热发电系统的安 装、组建提供了一个绝好的机遇，这些热电系统的建成标志着太阳能热发电事业 向商业化迈进了一大步，而l u z 国际公司组建和运行s e g s 正是基于7 0 年代末 在西班牙p s a ( p l a t f o r m a s o l a r d e a l m e r i a ) 所作的先导性试验。这些热电系统可 全部利用太阳能、全部利用天然气或者两者混用。运行策略是最大程度地利用太 阳能，而在年初和夏末的多云天气，当太阳能降低而电能的高峰期未过时，才依 赖天然气发电。在满负荷运行时透平发电机效率最高：使用天然气补充，可使 其满负荷运行，从而热电系统输出功率较大。这些热电系统不设贮能设备，太阳 能和天然气回路并联设置，以利用其一或两者同时作为能源。这些热电系统的主 要部件是集热器、循环泵、透平发电系统、天然气辅助系统及控制设备i l2 1 。 用于s e g sv i - v i i i 的槽形抛物镜单元组l s 3 ，其采光面积5 4 5 m ，分2 2 4 块镜片，开口宽度5 7 6 m ，长度为9 5 2 m ，焦距为2 1 2 m ，聚光比为8 2 ，单元 组排间距1 7 3 m ，光学效率0 8 0 1 2 l 。反射镜由背面镀银的低铁、槽形抛物形玻 璃构成，镀银表面涂上金属漆保护层，经过几年时间运行，未观测到反射性能明 显减退的迹象。洁净无尘时反射镜反射率为0 9 4 。反射镜表面的清洁目前仍是 所有聚焦型集热技术所面临的主要难题之一，s e g s 每两个星期用机械化设备对 反射镜清扫一次。槽形玻璃被安置在桁架结构上，许多集热器单元排成大型阵列， 跟踪位置由每组的驱动马达带动，由阳光传感器控制，每个集热器设置一个阳光 传感器和一个控制器，传感器的跟踪精度为0 5 。集热器组南一北水平轴向跟踪 转动。一种合成油作为传热介质在集热器中被加热，并被送至太阳能蒸汽发生器 与过热器，在那里产生驱动透平的蒸汽。可靠的高温循环泵是这些电站成功的关 键。l u z 各热电系统在技术参数上的进展如表l 所示。 6 中国科学技术大学硕l 学位论文( 2 0 0 7 ) 李进 表1l u z 公司太阳热电系统在技术参数上的进展【” 槽形抛物镜集热器同样可用于工业供热。印度第一个槽形抛物镜太阳能集热 器蒸汽发生系统【1 4 】安装在位于m y s o r e 的丝绸厂里，1 9 8 9 年1 2 月2 1 日投入运行， 1 9 9 0 年1 1 月1 1 只丌始测试，为其印刷工段提供蒸汽。这个太阳能蒸汽发生系 统的采光面积为1 9 2 m 2 ，分为5 排并联设置，每排6 个串联单元，南一北水平轴 向布置，单轴东西向跟踪；系统流率为4 0 0 0 k g h ，进口压力为l o k g c m z ，进口 温度为1 5 0o c ，出口温度为1 7 9 。c ，锅炉运行压力为4 8 5 k g c m 2 ，测试结果表明 该系统同平均太阳能用于产生蒸汽的效率为3 3 5 。 1 3 3 碟式抛物镜集热器分散布置式电站 图3 表示的是碟式抛物镜集热器分散布置式电站的示意图。采用碟式抛物镜 集热器的分散布置式电站的聚光倍数高达5 0 0 6 0 0 0 ，可产生非常高的温度，这 是其优点。但如果大规模采纳碟式抛物镜集热器分散布置式发电方案，将遇到较 大的困难。因为每个1 0 0 m w b 的太阳能电站，都需配备1 2 万个直径为6 m 的抛 物镜。不但每个抛物镜上都要装有一个相当复杂的高温吸收器，而且要把上万个 吸收器中的高温工作介质汇集到一起，如此一来系统变得复杂，而且管路和绝热 材料的费用也很高。因此，在建设大型太阳能电站时，主要采用槽形抛物镜集热 器分散布置式方案”l 。 7 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 李进 图3碟式抛物镜集热器分散布置式电站【1 5 j 1 4 太阳能热发电系统与太阳能光伏发电系统的比较 相比于同时期的光伏发电系统，我们可以通过同时期的数据进行了大致的比 较。9 3 、9 4 、9 5 年全世界太阳电池模块投放市场的总容量分别为6 0 m w e 、7 2 m w e 、 9 0 m w e ，9 5 年单晶硅太阳电池模块的光电转换效率达1 5 t 1 6 1 。与此同时，美国 南j n , ) i i9 座槽形抛物镜太阳能热电系统( s e g s ) 在1 9 8 4 年至1 9 9 0 年期间总容 量达到3 5 4 m w e ，年平均效率达1 4 。a u s t r a l i a 的d a v i dm i l l s ( 前国际太阳能学 会副主席) 认为：太阳能热电系统正处在可再生能源技术队列的排头，尽管 a u s t r a l i a 在光电研究的某些方面具有世界较高的水平，但是还是要优先发展太阳 能热电技术，热电技术在成本上较低，它还可使用相对便宜的贮热技术，从而不 会使费用增加太多【 1 。 l 。5 几种太阳能热电形式之闻的比较 太阳能热电发展计划主要为塔式、槽型和碟式三种，目的在于满足不同市场 应用的需求。国际可再生能源发展与利用组织在埃及建立的第一个太阳能热电系 统是经过考验的槽型抛物镜热电系统：然而之后的最佳选择却是塔式热电系统， 因为该技术能更好地适应该地区的负荷特征，要针对不同的地理位置和环境选择 8 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 李进 合适的太阳能热电技术。 由国际能源署和以美国、俄国、德国、以色列、澳大利亚、瑞士和西班牙作 为执行委员会的太阳能热动力和化学能系统计划中的首要任务就是发展太阳能 热电系统；它含有两个具体目标，即推进碟式太阳能热电系统的研究，以及进一 步发展、试验并改进槽型和塔式太阳能热电系统，尤其是进一步降低槽型热电系 统的运行和维护成本【博1 。 相比较而言，塔式热电系统的成熟程度不如槽型热电系统，碟式热电系统虽 然有比较优良的性能指标，但其结构复杂，维护费比前两种热电系统要高。 综合研究表明：几种太阳能发电形式的太阳能热电系统目前仍难以和传统热 电系统进行竞争，不过在特定地区已经开始商业化，从长远来看，它的发展趋势 是乐观的。 1 6 槽型抛物镜太阳能热电技术的发展状况 槽型抛物镜集热器分散布置式电站是“线”聚焦，聚光倍数只有几十，为中 温太阳能热发电：但其跟踪难度最低，跟踪控制代价最小；且吸收器为管状，使 得工作介质加热流动的同时，也是能量集中的过程；故其总体代价相对最小，经 济效益相对最高，这正是它之所以实现商业化的原因所在。塔式电站和碟式抛物 镜集热器分散布置式电站，虽然是“点”聚焦，聚光倍数可高达5 0 0 以上，可实 现高温太阳能发电；但由于前者的跟踪控制代价太高，而后者的能量集中代价太 大；因此在目前的技术水准下，都难以实现商业化。正因为如此，槽型抛物镜集 热器成为目前太阳能热发电及工业供热技术发展的方向。目前槽式太阳能热发电 技术的研究方向是为了进一步提高槽式电站的性能并降低新一代槽式电站的成 本。焦点是调整槽式集热器的结构，改进反射镜，改善热量的存储，进一步完善 动力循环系统等 1 9 1 。 槽式太阳能热发电【2 0 1 的集热区域通常是由若干组南北排列的单轴跟踪的槽 式太阳能集热器组成。每个集热器都有一个对应的槽式抛物形反射镜。为确保太 阳光始终聚焦到位于焦线处的线性吸收器，集热器需要随时跟踪太阳。吸收器中 的热流体介质在接收太阳辐射后被加热至高温，先经过一组热交换器再循环至吸 收器中。传送到热交换器中的热量，可用于产生高压的过热蒸汽，再把高压过热 蒸汽输送到蒸汽汽轮机中就可用于发电。来自汽轮机中多余的蒸汽可以在冷凝器 9 中国科学技术大学硕士学位论史( 2 0 0 7 ) 李进 中冷却，再由补水泵一起送回热交换器循环使用，其中冷凝器采用机械通风水冷 却塔冷却【”】。 在太阳辐射足够的条件下，现有的槽式太阳能发电站能够完全按照全额功率 输出电量而不需要任何辅助。在夏季，这些装置每天工作1 0 到1 2 小时，可以保 证全额功率输出。为了使装置在多云天气或夜间能够使用，这些电站被设计为 混合型太阳能电站。当太阳辐射不足的时候，采取火力发电来维持正常供电。 如图5 所示，槽式太阳能集热器装置( s c a ) 是由金属支架结构、槽式反射 镜、吸收器、还有跟踪系统( 传感器、驱动器和控制台) 几部分组成的】。 图5 槽式太阳能集热器蚴 l 金属支架结构 现在的金属支架结构倾斜了一定的角度，目的是为了直接产生蒸汽。一些相 关的新式的槽式集热器正在相关的研究当中。由于油价上涨以及能源危机等问 题，欧洲一些联盟公司开始较为深入地研究太阳能热发电技术。他们在l s 一3 基 础上提出了欧洲槽式 2 3 1 的概念，支架采用钢铁结构。同l s 一3 相比，重量可以减 少1 4 ，所以投资也要比l s 一3 系统少1 0 左右。改进的钢铁结构减少了支架组 成部分的数量，降低了结构的重量，采用更紧凑的结构来达到降低成本的目的。 p s a 公司在西班牙成功地建立了模型并进行了实验。杜克太阳能公司【2 4 墚用了 一种全铝结构的支架，参照l s 一2 的大小和运作参数设计了一个很小的太阳能电 1 0 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 李进 站。新设计在结构性能、重量、制作的简易程度、抗腐蚀性、生产成本上都优于 l s 一2 。 2 反射镜 l u z 公司的l s 一3 采用的玻璃镜面，是采用4 m m 厚的低铁玻璃做成的，该玻 璃对太阳光的透射率可以达到9 8 。玻璃在槽式磨具上被加热后变成槽形，背面 涂上银，表面再加一层保护膜。高品质的镜面允许超过9 8 5 的光线经过反 射后入射到线性吸收器中。反射镜的镜面在使用了1 5 年之后，经过清洗，可以 达到初始时的反射率。采用新的设计，镜子的破损率大为降低，但是还是无法完 全避免，原因在于当镜面处在迎风时，较易损坏。块反射镜的损坏可以导致吸 收器的损坏，并会导致其它反射镜的损坏。f s i 公司以s e g sv i i i 和太阳能 电站为基础，通过改变结构，把风的负荷大部分转移到金属支架上【2 引。 n r e l 公司从1 9 8 0 起开始研究聚合物反射镜。聚合物反射镜引起较大的关 注是由于它很轻的重量、易弯曲性以及较低的成本。然而到目前为止，没有哪种 材料同时满足花费少、性能高、使用寿命长这3 项商业运作的要求。 表2可替代反射镜材料2 7 l 表2 总结了目前各种反射镜材料的特点，出于稳定性的考虑，对于大型的 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 )李进 槽式太阳能电站来讲，采用厚玻璃作为反射镜仍然是首选。 3 吸收器 吸收器( h e a tc 0 1 1 e c t i o ne l e m e n t ) 是影响槽式电站效率的重要部件之一【2 ”。槽 形抛物镜集热器的吸收器的主要发展趋势为真空管吸收器和腔体式吸收器。 1 ) 真空管式吸收器 l u z 国际公司所建的太阳能热电系统均采用真空管吸收器【2 8 l 。图6 为真空管 吸收器的结构示意图。该类吸收器为一置于同心玻璃管内的金属圆管，其外表面 涂有光谱选择性涂层，夹层抽真空以最大限度地减少对流热损。真空管吸收器主 要和短焦抛物镜相配，以增大吸收表面，降低光照处的热流密度，从而降低热损； 真空管吸收器也可配用长焦抛物镜。它包括一个不锈钢管，其表面涂有含陶瓷的 合金材料1 2 6 1 。尽管效率很高，但是l u z 公司原始的吸收器有着较高的破损率【2 6 】 ( 接近每年4 一5 ) 。破损包括真空度的破坏、玻璃外套的损坏、以及选择性吸 收材料的氧化。无论哪种情况都会极大地影响吸收器的热性能。尽管这几种损坏 情况逐年减少，但是它们的影响仍然不可忽略。玻璃和金属的密封还是最主要的 问题，导致损坏的原因在于热流加热密封空间所致。s n l 采用有限元模型来分 析其密封区内部压力的变化情况【2 9 1 。分析的结果表明目前的玻璃和金属的密封 区必须与集中热流分开以减少玻璃的破裂。把热流集中区与封接区分开可以显著 减少h c e 的损坏。k j c 和s o l e l 公司已经针对密封区域改进了保护措施，以减少 失败【3 0 l 。 1 2 中国科学技术大学顾i 。学位论文( 2 0 0 7 ) 李进 排气孔玻璃外套与金属管之间的真空区域 金属吸收管 玻璃外套化学海绵过澹器 皮腔 图6 真空管吸收器示意图【2 8 】 一 真空管吸收器的优点为：金属管与玻璃管之间不存在对流热损；玻璃管外径 较小，并且透明，从而减少了对阳光的遮影；有选择性涂层的金属管壁对阳光的 吸收率很高，而且在其工作温度下的发射率却非常低。其缺点为：由于玻璃和金 属的热膨胀系数不一样，加之玻璃管与金属管之间存在温差，使真空封接工艺的 难度很大，容易脆裂；难以在室外环境下长期维持夹层内的真空度；在中温下光 谱选择性涂层容易老化和脱落，难以长期维持光谱选择性吸收表面的热稳定性； 无论是光谱选择性涂层还是真空技术均超出传统的材料和制造技术，因此需要特 殊的材料和制造工艺，这就提高了真空管吸收器的生产成本，降低了其市场竞争 力。 2 ) 腔体式吸收器 一个在技术和市场上均能成功的吸收器必须是高效和低成本的。为了解决这 个矛盾，d a v i d a b o y d 等人于1 9 7 6 年首次提出圆柱状黑腔太阳能吸收器【3 1 1 的概 念，并作了初步的分析和效率计算。它的结构为一圆柱形腔体，外表面裹以隔热 材料；由于腔体的黑体效应，使其能充分吸收聚焦后的阳光。腔体式吸收器主要 适用于长焦聚光器。 腔体式吸收器的优点为：吸热过程不是发生在最强聚焦区，而是在焦平面后 的腔内壁1 3 2 l ，与真空管吸收器相比具有较低的投射辐射能流密度，腔体壁温较 均匀，可减小与流体之间的温差，使开口的有效温度降低，最终使热损降低。经 中国科学技术大学硕士学位论文( 2 0 0 7 ) 李进 优化设计的腔体式吸收器，热性能比真空管吸收器稳定：既无需抽成真空，也无 需涂光谱选择性涂层。只需要传统的材料和制造工艺便可生产，使其成本降低并 便于维护，同时也使其热性能容易长期维持稳定。上述优点已使腔体式吸收器成 为槽型抛物镜集热器中有发展优势的方案之一。 意大利o a b a r r a 等人【3 3 l 在1 9 8 2 年设计并实验了台由腔体式吸收器和槽形 抛物镜构成的太阳能集热器。其抛物镜的采光面积为5 0 m 2 ，双排设置，每排长 度1 2 m ，开口宽度为2 2 8 m ，聚光带宽度为0 0 5 7 m ，聚光倍数为4 0 ，焦距为 1 2 7 m ，该装置用于为一家啤酒厂提供1 2 0 - 2 0 0 。c 范围的工业用热。经测试，即 使不在最佳工况下运行，腔体式吸收器的热性能也不错，而腔体式吸收器的制造 成本却低廉得多；这一点对发展太阳能热发电及工业供热技术，具有特别重要的 现实意义。 腔体式吸收器又可以分成管簇结构和环套结构【弘1 两种，管簇结构的腔体式吸 收器内部有若干个附在腔体内壁的圆形管，工质在圆形管道中流动。环套结构的 腔体式吸收器内部的流道由半径不同的两个圆围成。丑乔力等针对管簇结构腔体 式吸收器进行了稳态分析【3 钔，并做了一定的实验来验证管簇结构腔体式吸收器 的性能。目前国内对于环套结构的腔体式吸收器的研究较少，对于该吸收器的性 能还不完全了解，这正是作者的研究内容。 1 7 本文的研究内容 作者建立了一种环套结构腔体式吸收器，同真空管式吸收器相比，它的成本 较低，制作相对简单，有着较好的应用前景。本文阐述了环套结构腔体式吸收器 的工作机理，并通过热阻网络法建立了稳态分析模型，给出了各个部件的能量方 程，并针对它的各重要参数进行了优化分析，以获得较好的性能，具体内容如下。 1 ) 腔体式吸收器稳态分析模型 阐述了环套结构腔体式吸收器的工作机理以及各个部件的组成，并且利用热 阻网络法建立了腔体式吸收器的稳态分析模型，给出了各个部件的能量平衡方 程，迸行了数值模拟计算，研究了各部件的温度分布情况，并给出了吸收器效率 的表达式。 2 ) 系统参数的优化 1 4 中国科学技术大学硕士学位论空( 2 0 0 7 ) 李进 以数值模拟结果为基础，讨论了典型工况下各参数的变化对腔体式吸收器效 率及工质出口温度的影响，对重要参数如腔体开口圆心角、腔体内壁半径、流道 外壁半径等进行了较为合理的优化，比较了三种不同类型吸收器的热转换因子， 讨论了采用热镜窗后系统性能的变化，最后还分析了太阳辐照变化的情况下运行 方式对系统性能的影响，并就系统性能与l u z 公司太阳能电站作了分析比较。 中国科学技术大学硕上学位论文( 2 0 0 7 ) 李进 参考文献 【1 】b a u m ，v a ，p r o s p e c t sf o rt h ea p p l i c a t i o no fs o l a re n e r g y , a n ds o m er e s e a r c hr e s u l t si nt h e u s s r ，i np r o c o ft h ew o r l ds y m p o s i u mo na p p l i e ds o l a re n e r g y , s t a n f o r dr e s e a r c h i n s i t i t u t e ，m e n l op a r lc a ，1 9 5 6 【2 】j o h na d u f f l ea n dw i l l i a ma b e c k m a n ，s o l a re n e r g i n e e r i n go ft h e r m a lp r o c e s s e s ，s e c o n d e d i t i o n ，a w i l e y i n t e r s c i e n c ep u b l i c a t i o n ，n e w y o r k ，1 9 9 1 【3 】m c a s t r o ，j l p r e s aa n dj d i a z , c r ，s r e c e i v e ra n ds t o r a g es y s t e m se v a l u a t i o n s o l a r e n e r g y , v 0 1 4 7 ，n o 3 ：1 9 7 - 2 0 7 ，1 9 9 1 【4 】n f r a i d e n r a i c ha n dg j a l m e i d a , o p t i c a lp r o p e r t i e so f v - t r o u g hc o n c e n t r a t o r s s o l a re n e r g y , v 0 1 4 7 ，n o 3 ：1 4 7 1 5 5 ，1 9 9 1 【5 】l gr a d o s e v i c h ，f i n a lr e p o r to nt h ee x p e r i m e n t a lt e s ta n de v a l u a t i o np h a s eo f t h e1 0m w e s o l a r t h e r m a lc e n t r a lr e c e i v e r p i l o t p l a n t ，s a n d i a n a t i o n a ll a b o r a t o r i e s ，s a n d8 5 8 0 1 5 ，1 9 8 5 【6 】l gr a d o s e v i c ha n da c s k i n r o o d ，t h ep o w e rp r o d u c t i o no p e r a t i o no fs o l a ro n e ，t h e1 0 m ws o l a rt h e r m a lc e n t r a lr e c e i v e rp i l o tp l a n t a s m ej o u r n a lo fs o l a re n e r g ye n g i n e e r i n g 1 1 1 ，1 4 4 - 1 5 l ，1 9 8 9 【7 】7 g r e g o r yj k o l b ，d a n i e lj a l p e r ta n dc h a r l e swl o p e z , i n s i g h t sf r o mt h eo p e r a t i o no fs o l a r o n ea n dt h e i ri m p l i c a t i o nf o rf u t u r ec e n t r a lr e c e i v e rp l a n t s ，s o l a r e n e r g y , v 0 1 4 7 ， n o 1 ：3 9 - 4 7 ，1 9 9 1 【8 】a r i z o n ap u b l i cs e r v i c ec o m p a n y , a l t e m a t eu t i l i t yt e a m ，u t i l i t ys o l a rc e n t r a lr e c e i v e rs t u d y , r e p o r tn o d o e a l 3 8 7 4 1 2 ，p h o e n i x , a z 1 9 8 8 【9 】l g r a d o s e v i c h ，f i n a lr e p o r to ft h ep o w e rp r o d u c t i o np h a s eo ft h e1 0 m ws o l a rt h e r m a l c e n t r a lr e c e i v e rp i l o t p l a n t , r e p o r tn o s a n d 8 7 8 0 2 2 ，s a n d i a n a t i o n a l l a b o r a t o r i e s ， l i v e r m o r e ，c a ，1 9 8 8 【1 0 】s w a k a m a t t s u , n i k e d aa n dth o r i g o m e ，o p e r a t i o n a lr e s e r c ho f1 m w es o l a rt h e r m a l e l e c t r i cp o w e rp i l o tp l a n t s ，i n t e r s o l8 5 ，v 0 1 3 ：1 4 1 9 1 4 2 3 ，p e r g a m o np r e s s ，n e wy o r k , 1 9 8 6 【i1 j j b e z i a n，t h e m i ss o l a rp o w e rp l a n tf i r s te v a l u a t i o n r e s u l t s ，i n t e r s o l8 5 ，v 0 1 3 ：1 4 0 8 1 4 1 2 ，p e r g a m o np r e s s ，n e wy o r k , 1 9 8 6 【1 2 】h a r a t s ，y a n dd k e a m e y , a d v a n c e si np a r a b o l i ct r o u g ht e c h n o l o g yi nt h es e g sp l a n t s ， p a p e rp r e s e n t e da ta s m em e e t i n g ，s a nd i e g o ，1 9 9 4 1 6 中国科学技术大学硕l 学位论文( 2 0 0 7 ) 李进 【1 3 】l u z i n t e r n a t i o n a ll i m i t e d ，i n t e r n a t i o n a l m a r k e t i n g ，s e g ss o l a re l e c t r i c g e n e r a t i n g s y s t e m ，a no v e r v i e w ，l u zi n d u s t r i e si s r a e l ，1 9 9 0 【1 4 】a t h o m a s ，o p e r a t i o na n dp e r f o r m a n c eo f t h es o l a rs t e a mg e n e r a t i o ns y s t e mi n s t a l l e da t t h eg o v e r n m e n ts i l kf a c t o r y , m y s o r e ，e n e r g yc o n v e r s i o na n dm a n a g e m e n t , v 0 1 3 3 ，n o 3 ： 1 9 1 1 9 6 ，1 9 9 2 【1 5 】o p o p e l ，c o n c e n t r a t i n gp o w e r ：t h ep l a t a f o r m as o l a rd ea l m e r i a , s u nw o r l d ，v 0 1 1 8 ，n o 2 ：3 4 ，1 9 9 4 【1 6 】倪秋芽，太阳能热直接发电技术的进展，科技导报，第5 期：6 3 6 4 ，1 9 9 6 【1 7 】d a v i d m i l l s ，f r o m m y p o i n t o f v i e w ：p h o t o v o l t a i c s o r s o l a r t h e r m a l e l e c t r i c i t y , v 0 1 1 8 ，n o 2 ：5 - 6 ，1 9 9 4 【l8 ls o l a rp a c e sp r u g r a m ，s o l a rt h e r m a lp o w e ra n ds o l a