塔式太阳能接收器研究进展

聚焦型太阳能热发电方式主要包括塔式、碟式、槽式及线性菲涅尔式等几种类型. 塔式太阳能热发电效率高，装机容量大，可以建造大型太阳能发电厂，电站规模可达200 MW以上[1]. 它通过围绕中央塔的定日镜群将太阳辐射反射汇聚到接收器上，接收器吸收通过汇聚的高能流密度太阳能加热管内工质，产生过热蒸汽进入发电子系统，实现太阳能到电能的转换. 从20世纪起，美国、日本、西班牙、意大利、以色列等国对塔式太阳能热发电系统及其部件进行了大量的研究. 我国对于塔式太阳能热接收器的研究仍处于起步阶段，许多关键技术仍需要逐一研究和解决.

1 系统概述

塔式太阳能发电系统由聚光子系统、集热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统5个部分组成. 其中，接收器属于集热子系统，是实现光热转换的核心部件.

塔式太阳能电站的聚光比一般在200～1 000[2]，远高于槽式和线性菲涅尔式，但小于碟式. 塔式太阳能电站定日镜数量较多，因此可实现高温和大功率发电，运行温度高达1 000～1 500 ℃，装机容量为30～400 MW[3]. 塔式太阳能发展至今经历了多个型式，接收器的类型愈加多样化，在接收器型式和工质的选择上都有了新的发展方向. 表1为按照各项目的启动运行时间列出的一系列典型塔式太阳能电站的重要运行参数.

2 塔式太阳能接收器

塔式太阳能接收器接收太阳能加热工质使其温度升高后进入汽轮机或燃气轮机做功，以此实现太阳能到机械能的转换. 接收器按照其传热工质可以分为混合空气接收器、熔盐接收器、蒸汽接收器、复合型接收器、粒子接收器等类型. 接收器按结构又可分为直接照射、间接照射接收器等. 工质的性能对于接收器的传热效果愈加凸显，其传热性能及储热性能也是提高接收器效率要考虑的要点. 因此，本文根据吸热工质对塔式太阳能接收器进行重新分类并分析其工作特性及优缺点. 目前接收器研究的重点为进一步降低接收器的成本以及提高接收器的可靠性和光热转换效率.

表1 典型塔式电站运行参数[4-7]
Table 1 Solar tower power plant receiver parameters

2.1 液态金属接收器

塔式太阳能接收器兴起于欧洲，在发展初期用液态金属作为传热工质. 液态金属能应用于较高的温度，在相对较低的压力下就可以在1 200 ℃的温度下运行，且金属材料密度大、导热性好、整体温度分布均匀. 由于液态钠在高温下与空气接触易燃易爆，因此其适用的接收器类型为间接照射式接收器. 液态钠的熔点为97.7 ℃，沸点为873 ℃，使其工作温度可在较高范围，接收器的热效率较高，可达90%～96%，而该电站建设预计经济耗损为200$/kW[3]. 20世纪90年代初，西班牙的SSPS型太阳能发电系统采用液态钠作为传热蓄热工质，其结构为腔式管状接收器. 该电站在运行中出现液态钠泄露问题，于1986年发生钠燃烧事故，由于当时没有防止液态钠燃烧的有效措施，故此后液态钠的使用逐渐减少. 现今塔式接收器不断往高参数方向发展，腔管式接收器中最常用的熔盐在高温下性质不稳定，而液态钠在高温环境下性质较为稳定，因此重新得到重视，为塔式太阳接收器提供新的发展方向. 液态钠作为传热工质在核电上已广泛应用，虽然仍存在易燃易爆的特点，但是经过对其燃烧特性的大量研究已开发出了钠灭火方法. 通过研究液态钠的燃烧特点，准确控制接收器内的环境，液态钠在未来的塔式太阳能接收器上有很大的应用空间[8].

2.2 水/水蒸气接收器

水/水蒸气接收器采用水/水蒸气作为吸热工质，水在接收器内受热蒸发变成水蒸气，水蒸气继续吸热成为高温高压的过热蒸汽，从而进入汽轮机使热能转换为电能. 其适用结构类型主要为管状接收器，流体温度基本在100～600 ℃，具体又可分为腔管式和外露式2种[9]. 由于水蒸气在不同压力和温度下会发生相变，不适用于直接照射式接收器. 蒸汽的传热特性和热容量皆优于空气，蒸汽作为一种易得到、易处理、易回收的工质在各类电站中广泛应用.

Solar One电站使用的为外露式管状接收器，接收器中的传热介质即为水/水蒸气，接收器出口处的工作介质温度为516 ℃，压力为10.5 MPa，发电功率为10 MW，其使用的蓄热介质便为导热油加6 800 t石块，因传热效果并不理想，后被改进为使用熔盐，即为后来的Solar Two电站. Solar Two电站在平均太阳辐射能流密度为430 kW/m2的条件下，接收器的工质温度为565 ℃，接收器的额定功率可达42.2 MW[10]，熔盐系统采用无压运行，对吸热管强度要求低，因此能承受更高的辐照量，吸热器可做得更紧凑. 外露式圆管接收器的优点为结构简单，成本低，定日镜可以围绕接收器360°布置，有利于定日镜场的布局设计.

日本的Sunshine电站等以及我国第一座兆瓦级塔式电站——大汉电站同样采用水/水蒸气作为传热工质，其发电功率为1.5 MW，可承受800 ℃的运行温度，蓄热工质为油和蒸汽，采用了腔式管状太阳能接收器(见图1)[11]. 腔式管状接收器由于吸热管布置在腔体内，使对流、辐射热损失减小，换热效率提高. 聚焦太阳辐射只能从单面采光口进入，定日镜场只能在约120°范围内布置，限制了太阳能大规模使用. 管状接收器的运行适用温度范围基本为600～650 ℃，热效率为80%左右，该电站的投资为140～200$/kW，但是不论是腔管式和外露式都存在吸热管温差很大、影响接收器寿命的问题. 其后，为提高蒸汽接收器的热效率，有效利用太阳能的热量，根据太阳辐射强度的不同，Kribus等[12]提出多级接收器的概念，在辐射强度高的地方布置高温接收器，辐射强度低的地方布置低温接收器，运行温度最高可达1 000 ℃，热效率可达80%以上. 该接收器型式虽然提高了热效率，但是结构非常复杂，不易维修. 该系统适用于1～100 MW级别的塔式电站，系统效率高，可减少定日镜场面积，因此可降低电站初期的投资.

图1 腔式管状接收器[11]
Fig.1 Schematic diagram of cavity tubular solar receiver

水/水蒸气接收器为比较初期的接收器类型，虽然结构不断改进，但是周向温差大的问题仍然没有得到解决，而蒸汽作为工质其传热性储能效果不佳，无法进一步提高接收器效率.

2.3 空气接收器

空气具有无污染、无腐蚀、不可燃、易得到、易处理等优点. 空气用作传热介质的缺点是低热容量和不太理想的传热特性，因此不宜采用管状结构，改用具有多孔结构、较大吸收表面的直接照射型接收器可以弥补空气本身的固有缺陷. 直接照射型接收器又可分为无压腔体式和有压腔体式. 空气接收器由多孔材料、金属网或陶瓷密网组成换热面，适用的吸热体材料有金属、碳化硅、陶瓷、铪和二硼化锆等[13].

空气接收器早期使用金属网作为吸热体. 现在的电站多往大容量高参数方向发展，由于金属密网存在耐高温性能差等问题，现在多使用陶瓷等材料代替金属密网. 陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、寿命长等优点，但是其缺点是制作工艺复杂，较难获得成块的陶瓷材料，且后期加工困难. Sciti等[14]研究发现锆系材料的吸热性能远高于碳化硅，Albanakis等[15]得出镍铬- 镍铁合金的传热效果和流体通过其产生的压降皆优于金属泡沫.

无压式空气接收器的优点为太阳光直接加热工质，工质温度高；其缺点为腔体内工质压力不高，工质流动过程中压差不大致使换热效果不佳，热利用率不高，且空气热容量低，储热性能不好，太阳辐射的不稳定性对工质的温度变化影响很大. 因此该类接收器所能承受的太阳能热流密度一般为500 kW/m2，不超过800 kW/m2，并且吸热体为金属密网时，工作温度不能超过800 ℃[16].

有压腔体式结构在无压腔体式接收器基础上加装了透明石英玻璃窗口，太阳光可以射入腔体内部，腔体内的空气可以保持一定压力，内外压差增大，流体扰动增强，减小了对流损失，提高换热效率. 该接收器出口空气的平均温度可达1 200 ℃，工作压力为1.7～2.0 MPa，入射太阳能辐射强度为3 600～5 300 kW/m2，总效率为70%～80%[16]. 有压腔体式接收器最核心的问题是需要保证玻璃窗口有良好的耐压耐高温性及透热性，对表面污染不敏感且不易附着，而该玻璃窗口的发展技术还不成熟，难以承受更高的温度和压力.

为了结合直接照射式接收器的优点以及否定对石英窗的需求，Holger[17]提出了混合加压空气接收器(hybrid pressurized air receiver，HPAR)的概念(见图2). HPAR作为一种新的空气接收器型式，其结构由3个区域组成，分别为集热器、空腔和二次热交换器(逆流热交换器). 环境空气在集热器中被太阳光加热，强制流动通过密集布置的吸热管，吸热管内的工质为加压空气，空气的温度可达1 050 ℃. 该吸热管即为一逆流热交换器，受热环境空气与换热面接触换热，则该吸热管不存在因太阳光辐照不均产生的温差，而且可以通过调节环境空气的流量来调节吸热管的表面温度. 经过换热后仍带有余热的环境空气可用来进行余热利用和热储存. 该接收器对流及辐射损失小，结构紧凑，接收器体积小. 无压腔体式接收器的流动不稳定性问题仍然存在，而且逆流换热不可避免地存在摩擦和耗损，导致能量的品质下降，热效率不高.

图2 混合加压空气接收器[17]
Fig.2 Schematic diagram of hybrid pressurized air receiver[17]

2.4 熔盐接收器

熔盐的传热性能及储热性能皆优于空气和水蒸气，适用于各种类型结构，目前使用最广的是腔式管状接收器，而效率最高的为有压腔体式结构. 熔盐的延展性好、导热性好致使工质间温差小，对外界温度的变化不敏感，可减小由温度骤变产生的热应力，与空气相比更适用于直接照射式接收器，但是熔盐的耐高温性能不好，温度高于600 ℃时会分解，影响其性能，因此熔盐接收器的工作温度不能超过600 ℃.

熔盐在腔管式接收器中的使用较为广泛，虽然熔盐的传热性与导热性比空气和水蒸气好，可是仍然避免不了腔管式接收器存在的温差问题. 为解决此问题，Hasuike等[18]提出了一种新的熔盐管状接收器型式(见图3). 该接收器在外露式管状接收器的基础上改进，并没有改变管束的排列方式，而是将吸热管由单管改成了套管. 熔盐工质由内管进入，先被管外的热熔盐预热，在内管的顶端流向外管从而被进一步加热再返回下集箱完成加热过程. 该接收器与原来的外露式管状接收器相比，管壁的最高温度降低了100 ℃，熔盐分解率降低，外管管壁温度的降低使其与外界的对流损失减少，接收器热效率比普通管状接收器提高了2%. 但是其结构复杂造价高，电站投资增加，不便于维修，运行稳定性下降，熔盐存在较严重的高温腐蚀及易凝固堵塞管道等问题，制约了该接收器的发展.

图3 熔盐管状接收器[18]
Fig.3 Schematic diagram of molten salt tubular solar receiver[18]

熔盐接收器应用较为广泛的还有圆锥形空腔接收器. 日本的Solar Hybrid Fuel Project即使用圆锥形腔熔盐接收器(见图4)[19]. 熔盐成分主要为硝酸钠与硝酸钾的混合物，熔盐的进口温度为350 ℃，出口温度为550 ℃，这种熔盐接收器的光热转换效率高达90%，其建设费用为140～200$/kW. 熔盐接收器除了压力高、能增加传热效果外，其拥有的空腔效应能有效减少辐射和反射损失. 空腔接收器内部太阳辐射量不均匀会造成各不同位置的吸热表面温差较大，从而产生热应力导致接收器故障. 该以熔盐为工质的有压腔体式接收器虽然工质参数和热效率都很高，可减少定日镜的数量，节约投资成本，但是其透光窗口的玻璃材质是限制其发展的瓶颈. 目前的塔式太阳能实际应用最广泛的是以熔盐为工质的腔式管状接收器. 熔盐的传热及储能特性优于空气及水蒸气，能有效提高腔式管状接收器的效率.

图4 熔盐接收器[19]
Fig.4 Schematic diagram of molten salt cavity solar receiver[19]

2.5 复合型接收器

复合型接收器由管式蒸发器和空气接收器复合而成(见图5)，既包括直接照射太阳能接收器也包括间接照射太阳能接收器，这个概念最初由Buck等[20]提出，其工质分别为水蒸气和空气. 空气和水蒸气的传热性质虽不如熔盐，但是比之熔盐更易处理易获得，而复合型接收器能结合该2种工质的特点，在节约工质成本的同时提高效率. Osuna等[21]将原本使用开放式容积接收器的PS10电站进行了技术改进，在外添加一系列管状接收器组合成复合接收器，水在管内被太阳辐射和管外的受热空气同时加热. 该复合接收器可提高过热段效率将近9.37%，管式接收器内工质出口温度可达500 ℃，接收器热效率可达87%. 复合型接收器在相同的热损失下热效率更高，比间接式圆管接收器效率高3.2%，可减少定日镜场面积，因此大大降低发电成本，拥有巨大的商业应用前景，且吸热管的温差比普通管式接收器小. 但是其接收器体积明显增大，制造更为困难，结构复杂不易维修，蒸汽存储问题仍需研究解决[22].

图5 复合接收器[22]
Fig.5 Schematic diagram of composite receiver[22]

2.6 粒子接收器

虽然目前各电站接收器最常用的介质为熔盐，但是熔盐的耐高温性不好，在高温下易分解. 因此高温接收器现在面临需要发展新的接收器结构、新的接收器材料、新的传热介质、新的传热过程等问题. 粒子接收器是一种新的接收器型式，其利用微小的固体颗粒作为传热和蓄热介质来接收定日镜反射过来的太阳能，可使接收器达到所需的高温高压状态，给了塔式接收器一个新的发展方向[23]. 粒子接收器内的固体颗粒能直接吸收定日镜反射的太阳能，从而达到很高的温度，通常在1 000 ℃以上，这些热量可以储存也可以与工质进行热交换. 接收器内的温度分布受到固体颗粒的大小及其曝光时间的影响，固体颗粒越小，曝光时间越久，温差越小，热流量越均衡. 固体颗粒在接收器内的流动可设计为固体颗粒幕墙式、离心式、管内流动、多道循环及间接照射式等几种型式[24].

2.6.1 幕墙式粒子接收器

让固体颗粒直接下落形成一个幕墙来接收太阳能辐射能的是直接照射式粒子接收器，即为幕墙式粒子接收器，是最基本的粒子接收器型式(见图6)[25]. 该接收器型式最早出现于20世纪80年代，对该接收器的研究集中在对粒子幕墙的水力学分析和接收器的几何构造，研究了受热面单侧布置、加热面对冲布置和加热面朝下布置等几种型式[26]. 2008年Siegel等[27]进行了第一次幕墙式粒子接收器的太阳测试，热效率可达50%，颗粒的最大温升为250 ℃. 在Bertochi等[25]试验的1 MW的粒子接收器电站实验中，粒子接收器中介质的出口温度能达到700 ℃以上，热效率为50%～80%，经济耗损为125$/kW.

图6 幕墙式粒子接收器[25]
Fig.6 Schematic diagram of falling particle receiver[25]

粒子接收器热效率及介质出口温度跟粒子的下降速度有十分密切的关系，粒子的质量流速越大，热效率越高，介质出口温度越低. 粒子流量增大，固体体积分数增加，颗粒帘幕透明度降低，从而提高了光热转换效率，但是粒子出口的平均温度降低. 为提高介质出口温度，需要增大介质在接收器受热区内的停留时间，让介质在接收器内进行多次循环，从而得到多道循环接收器[28]. 该接收器内设置了粒子流通通道，而不是让粒子垂直下落，从而增大了粒子在受热区内的停留时间. 多道循环接收器的热效率和介质出口温度与幕墙式相比大有提高，但是其结构更加复杂，该类型接收器热效率有待进一步提高.

2.6.2 阻塞式粒子接收器

另一种增大停留时间的方法为设置障碍以减缓粒子幕墙的下降速度. Ordóez等[29]提出了通过在后墙设置悬浮陶瓷结构来使颗粒减速. 沙特国王大学和乔治亚理工学院[30]研究了网状结构和多孔结构的性能，使用了互连的多孔结构(金属或陶瓷泡沫块)来减慢粒子的流动，其后还发展了多孔交错排列的网状结构. 2015年Ho等[31]设计了波浪形不锈钢错排网状结构. 接收器中心的颗粒温度能达到700 ℃以上，由于不均匀的辐照度分布，接收器外围的颗粒温升较小. 当平均辐照度为110 kW/m2，颗粒入口温度为440 ℃时，每下落1 m颗粒温度升高30 ℃，热效率为60%. 在211 kW/m2的平均辐照度下，颗粒下落1 m温升为60 ℃，热效率为65%[26]. 该接收器的阻塞流设计提高了粒子温度，并减少了通过孔径的风对颗粒损失的影响. 由于太阳能的集中辐照，使各种材料的网状结构都面临过热的问题，同时还存在粒子的磨损问题，接收器造价高，结构不稳定. 该接收器的研究目标为寻找新的材料及调整操作策略，以减轻网格变质问题[30].

图7 螺旋斜坡粒子接收器[32]
Fig.7 Schematic diagram of moving packed bed
particle receiver[32]

阻塞流动设计还可以采用螺旋斜坡(见图7)，颗粒在重力和机械感应振动的影响下沿着该斜坡流动[32]. 在模型和实验中发现，在5 kW/m2的模拟太阳光下照射30 min后，出口处的颗粒可以达到650 ℃，热效率大于60%，然而在该设计中要保持粒子的均匀流动是非常困难的. 颗粒在浓缩的阳光下被照射，然后溅入中空螺丝中用于随后的热交换. 这种颗粒接收器结构复杂且粒子流较难控制，难以在大型热力发电厂中直接应用，可被应用于热化学反应器中.

直接照射式粒子接收器目前的技术限制有粒子幕墙辐射不均匀、变质量流动速率、风的影响、粒子通过光圈的损失、颗粒发生器可靠性问题、高温下接收器墙体及腔体材料等.

2.6.3 回旋式粒子接收器

回旋式粒子接收器[33]原理是将颗粒进料到具有回旋通道的接收器中，在接收器上设有透光窗口，接收聚集的太阳光(见图8). 旋转接收器的离心力导致颗粒在受到汇聚后的高能流密度太阳光照射的同时沿着接收器的壁面旋转下落，太阳光由透光窗口射入加热贴在壁面上的颗粒. 在670 kW/m2的辐照强度下，粒子的出口平均温度达900 ℃，热效率为75%±4%. 该接收器吸热面积大、粒子流温度均匀温差小、热损失小，固体颗粒能更有效存储热量，但是其难以维持恒定质量流量的粒子使其在接受离心力作用时能均匀地附着在壁面上.

图8 回旋式粒子接收器[33]
Fig.8 Schematic diagram of rotary particle receiver[33]

2.6.4 间接照射式粒子接收器

2014年Martinek等[34]首次提出了一种间接加热粒子接收器(见图9)：颗粒在重力作用下沿着交错排列的太阳能集热管向下方流动，这些内表面吸收太阳能辐射热的管子在外表面上将热量传递给固体粒子完成间接传热，粒子的温度可达750 ℃. 该接收器存在2个限制：1) 当固体颗粒流脱离管子表面时将无法传热，无法保证热效率及固体颗粒温度. 2) 保证太阳光辐射能均匀且高渗透地进入管内. 该接收器不存在固体颗粒损失，接收器内热量损失少，但是粒子里流速及分布难以控制，导致集热管间温差大，容易损毁.

图9 间接照射式粒子接收器[34]
Fig.9 Schematic diagram of indirect particle receiver[34]

Benoit等[35]提出了一种间接照射式粒子接收器，其中颗粒被气流携带穿过吸热管，其使颗粒流化并增加从管壁到流动颗粒的热传递. 太阳光辐射强度为200～400 W/m2时，一根50 cm长的不锈钢管中颗粒温升可超过200 ℃. 辐射管的出口处的悬浮粒子温度高达750 ℃，粒子的质量通量为10～45 kg/(m2·s)，传热系数为420～1 100 W/(m2·K)，热效率为20%～40%. 该接收器粒子温升提高，但是光热转换效率较低，携带粒子的流场有待于优化，因粒子分布不均造成的温差很大，且结构复杂造价高，在目前的技术上使用价值不大.

3 结论

1) 本文对国内外现有的塔式太阳能接收器根据工质进行了重新分类和系统介绍，总结各接收器的系统参数、优缺点及其瓶颈，分析了接收器工质及结构对其性能的影响.

2) 随着机组容量的增大，系统参数逐渐提高，对接收器的适用工质、结构材料及性能要求越来越高. 水/水蒸气及空气由于传热性质不好，使用逐渐减少，熔盐的使用逐渐普及. 熔盐的传热性质优于水蒸气和空气，是现在接收器内最常用的工质，但是熔盐的耐高温性不佳，超过600 ℃会分解，难以适用于以后的高参数电站. 液态钠的耐高温性好，通过控制其适用环境有望重新得到使用. 近些年出现的固体粒子不论是传热性能和蓄热性能都较好，逐渐得到重视.

3) 熔盐适用的有压腔体式熔盐接收器效率高，但是其窗口的玻璃材料和熔盐的不耐高温性是限制它发展的瓶颈问题. 复合型接收器虽然效率高，但是结构复杂、造价高，温差及热应力问题依旧存在，仍需进一步研究来简化结构. 粒子接收器作为一种新的接收器类型，介质温度高且能有效储热，适用于将来的高参数电站，但是结构最为复杂，热效率有待提高，需要进一步研究材料及结构问题，目前难以适应大容量的实际电站. 在各大试验电站中最常用的太阳能接收器型式为腔管式熔盐接收器，但是腔管式接收器面临的温差大、热应力大的问题亟待解决. 只有发展新的接收器型式和改进现有接收器的缺陷这2个方面共同进行才能获得更为符合实际需要的接收器型式，有效提高塔式电站的效率.