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01、光熱發(fā)電的新發(fā)展

自2016年9月國家發(fā)改委和國家能源局相繼公布了太陽能熱發(fā)電標桿上網(wǎng)電價政策（每千瓦時1.15元）及第一批太陽能熱發(fā)電示范項目名單，我國太陽能熱發(fā)電項目的商業(yè)化建設(shè)與運行拉開了序幕。2021年9月28日，海南基地青豫直流二期340萬千瓦外送項目、海西基地青豫直流二期190萬千瓦外送項目進行了中標候選人公示，其中包括了中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司（簡稱中國電建西北院）在內(nèi)的300MW光熱項目。太陽能熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)支撐。

02、吸熱器技術(shù)新突破

在塔式光熱電站中，吸熱器將高倍太陽能聚光轉(zhuǎn)化為高溫熱能，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。吸熱器的性能直接決定了吸熱介質(zhì)的出口溫度，進而影響到后續(xù)熱功轉(zhuǎn)換效率，因此吸熱器的長期穩(wěn)定運行是發(fā)電系統(tǒng)長效運行的關(guān)鍵。

根據(jù)傳熱方式的不同，吸熱器可分為容積式吸熱器與管式吸熱器兩大類。管式吸熱器中吸熱工質(zhì)的溫度要比管壁溫度低，吸熱工質(zhì)所能達到的最高溫度受管壁材料的限制。容積式吸熱器中，由于多孔介質(zhì)材料有較大的傳熱面積，故吸熱工質(zhì)的溫度往往能夠達到多孔介質(zhì)的溫度，最高可達1200℃。

圖1：管式吸熱器（左）與容積式吸熱器（右）的傳熱原理

（1）管式吸熱器

外露管式吸熱結(jié)構(gòu)簡單，可接收360°范圍內(nèi)的太陽輻射，有利于鏡場大規(guī)模布置，是目前應(yīng)用最廣泛的吸熱器形式。但外露管式吸熱器也存在不足之處，尤其是反射、輻射及對流散熱造成的能量損失較大，熱效率相對較低。

中國電建西北院依托青海共和50MW熔鹽塔式光熱電站，對外露管式吸熱器開展了系列研究。

通過對實際氣象條件下的動靜態(tài)仿真，分析了太陽法向直射輻照度擾動下吸熱器出口熔鹽溫度、表面最高溫度、散熱功率的過渡過程響應(yīng)時間對吸熱管軸向溫度梯度的影響，并利用外露管式吸熱器特性參數(shù)與太陽法向直射輻照度和熔鹽流量三者間的定量關(guān)系改進了運行中的熔鹽流量調(diào)整策略。

圖2：青海共和50MW熔鹽塔式光熱電站吸熱器及管屏

除了外露管式吸熱器，商業(yè)應(yīng)用的管式吸熱器還有二次反射塔管式吸熱器。該種吸熱器布置在二次反射鏡下部，吸收由一次反射鏡匯聚并經(jīng)過二次反射鏡折射的太陽能，吸熱器內(nèi)通過熔鹽帶走由鏡場匯聚的熱量。

圖3：二次反射塔光熱電站吸熱器及原理

（2）容積式吸熱器

容積式吸熱器中，管屏布置在空腔內(nèi)，散熱損失小，熱效率較高。但腔體式吸熱器的窗口朝向一側(cè)，只能接收一定范圍內(nèi)的太陽輻射，定日鏡場的布置受到一定限制。目前商業(yè)應(yīng)用的容積式吸熱器有多以空氣為吸熱介質(zhì)，如TSA、SOLAIR-3000、REFOS等。

圖4：容積式吸熱器示意圖

隨著超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)和設(shè)備的逐步成熟，容積式吸熱器憑借其高溫特性，再次成為國內(nèi)外光熱行業(yè)關(guān)注的焦點。美國桑迪亞國家實驗室（SNL）采用鋁土礦顆粒作為傳儲熱介質(zhì)，放入由耐火絕緣墻組成的空腔內(nèi)，形成開路腔式吸熱器。另外，德國航空航天中心DLR也在研發(fā)以1毫米的陶瓷粒子為吸熱介質(zhì)的腔式吸熱器。

03、結(jié)語

隨著吸熱介質(zhì)材料如金屬顆粒、陶瓷顆粒、液態(tài)金屬等耐高溫材料的逐步成熟，陶瓷泡沫、金屬泡沫等新材料在吸熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的應(yīng)用突破，高溫吸熱器已經(jīng)成為支撐塔式太陽能熱發(fā)電向高參數(shù)、高效率發(fā)展的重要技術(shù)支撐。

參考資料

[1]徐玫,彭懷午,牛東圣,王曉,肖斌,周治,段楊龍,張俊峰.外露管式熔鹽吸熱器動靜態(tài)特性研究[J].化工學報,2020,71(05):2049-2060.

[2]陳金利.太陽能空氣布雷頓循環(huán)關(guān)鍵部件試驗及系統(tǒng)動態(tài)模擬[D].浙江大學,2021.

[3]曾季川.塔式太陽能吸熱器熱效率評估方法研究[D].浙江大學,2021.

[4]徐有杰.塔式太陽能光熱發(fā)電熔鹽吸熱器運行特性與策略研究[D].浙江大學,2020.