间接照射式太阳能探测器的研究进展

间接照射式太阳能探测器的研究进展

一太阳能热发电技术在塔式太阳能热能源系统中，太阳能接收器是实现塔式太阳能热能源最重要的关键技术。直接转化为高效使用的高温能源，可直接用于发电所需的原料或动力源。它通过加热和回波来执行。目前,不少国家相继投资对该技术的研究,起步较早的欧、美及以色列等国在该技术上已经取得重大突破。国际上现有的塔式太阳能接收器主要分为间接照射接收器和直接照射接收器两大类。二塔式太阳能处理厂塔式太阳能接收器分为间接照射与直接照射两大类。1太阳能分离器间接照射太阳能接收器也称外露式太阳能接收器,其主要特点是接收器向载热工质的传热过程不发生在太阳照射面,工作时聚焦入射的太阳能先加热受热面,受热面升温后再通过壁面将热量向另一侧的工质传递。管状接收器(TubularReceiver)属于这一类型。如图1,管状接收器由若干竖直排列的管子组成,这些管子呈环形布置,形成一个圆筒体，管外壁涂以耐高温选择性吸收涂层，通过塔体周围定日镜聚焦形成的光斑直接照射在圆筒体外壁，以辐射方式使得圆筒体壁温升高；而载热工质从竖直管内部流过，在管内表面，热量以导热和对流的方式从壁面向工质传输，从而使载热工质获得热能成为可加以利用的高温热源。这种接收器可采用水、熔盐、空气等多种工质，流体温度一般在100～600℃间，压力≤120atm，能承受的太阳能能量密度为1000kW/m2。管状太阳能接收器的优点是它可以接收来自塔四周360°范围内定日镜反射、聚焦的太阳光,有利于定日镜镜场的布局设计和太阳能的大规模利用;但是,由于其吸热体外露于周围环境之中,存在着较大的热损失,因此接收器热效率相对较低。管状太阳能接收器的应用代表是美国的塔式热发电电站SolarOne和SolarTwo,两者均采用管状太阳能接收器,两者的主要区别在于流经接收器的载热工质不同,分别为水和熔盐。2空腔式阅读器直接照射太阳能接收器也称空腔式接收器,这类接收器的共同特点是接收器向工质传热与入射阳光加热受热面在同一表面发生,同时,空腔式接收器内表面具有几近黑体的特性,可有效吸收入射的太阳能,从而避免了选择性吸收涂层的问题。但采用这类接收器时,由于阳光只能从其窗口方向射入,定日镜场的布置受到一定的限制。空腔式接收器工作温度一般在500~1300℃之间,工作压力≤30atm。直接照射太阳能接收器主要包括无压腔体式接收器和有压腔体式接收器两种。(1)无压腔管式阅读器无压腔体式太阳能接收器对其吸收体有一定的光学及热力学要求,通常要求具有较高的吸热、消光、耐温性和较大比表面积、良好的导热性和渗透性。如图2,早期的腔体式太阳能接收器采用金属丝网作为吸收体,具有较大吸收表面的多空结构金属网吸收体装于聚焦光斑处或稍后的位置,从周围吸入的空气在通过被聚焦光照射的金属网时被加热至700℃。由于多采用空气作为传热介质,腔体式太阳能接收器具有环境好、无腐蚀性、不可燃、容易得到、易于处理等特点，其最主要优点是结构简单。但采用空气载热存在热容量低的缺点，一般来说其性能不会高于管状接收器。由于无压腔式接收器所吸入周围空气流经吸收体时近乎层流流动而不存在湍流，对流换热过程相对较弱，不稳定的太阳能容易使吸收体局部温度剧烈变化产生热应力，甚至超温破坏接收器，因此该类型接收器所承受的太阳能能量密度受到一定限制，通常为500kW/m2，最高不超过800kW/m2。近几年采用合金材料金属网或陶瓷片作为吸收体使其性能得到一定的提高。(2)有压腔体式接收器(PressuredVolumetricReceiver)如图3,有压腔体式接收器的结构与无压腔体式接收器的结构大体相似,区别在于压力腔体式接收器加装了一个透明石英玻璃窗口，一方面使聚焦太阳光可以射入接收器内部，另一方面可以使接收器内部保持一定的压力。提高压力后在一定程度上带来的湍流有效地增强了空气与吸收体间的换热，以此降低吸收体的热应力。有压腔体式接收器具有换热效率高的优点，代表着未来发展方向。但窗口玻璃要同时具有良好透光性和耐高温及耐压的要求,在一定程度上制约了它的发展。近来，以色列在该技术上有了较大的进展，如图4，其开发研制的有压腔体式接收器DIAPR(DirectlyIrradiatedAnnularPressurizedReceiver)采用圆锥型高压熔融石英玻璃窗口，内部主要构件为安插于陶瓷基底上的针状放射形吸收体，可将流经接收器的空气加热到1300℃，所能承受的平均辐射通量为5000～10000kW/m2、压力为15～30bar，热效率可达80％。三太阳能阅读器的研制国内从事太阳能塔式热发电研究的科研人员不多,研究高温太阳能接收器的则更少。中国科技大学、中科院电工所、工程热物理所等高等院校和科研院所对太阳能热发电技术作了一些应用性基础试验研究,也有学者在接收器方面作了理论研究,但鲜见相关中试阶段研究报导。近年来河海大学、南京春辉科技实业有限公司通过与以色列巍兹曼研究院合作研究获取了一定的接收器设计、试验及运行等相关技术经验;同时,该研究团队在有压腔体式太阳能接收器方面进行了探索性研究,已尝试制造出塔式太阳能接收器,如图5,目前处于试验阶段。该项技术的研究为我国高温太阳能接收器研制作了一定的技术储备,进一步研究有望实现高温太阳能接收器的国产化。目前在我国,太阳能接收器研究主要存在三方面的技术难点:(1)耐高温吸收体选材及制造工艺;(2)对于有压腔体式太阳能接收器,存在耐高温石英玻璃窗口的制造工艺难点;(3)气体停留时间及吸收体换热面积的确定。前两个难点的解决有赖于材料学科及制造业的发展,而第三个难点的克服则