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【摘要】在全球氣候變化與能源危機(jī)日益嚴(yán)重的背景下，可再生能源的研究與應(yīng)用顯得尤為重要。熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站是高效、清潔的太陽(yáng)能利用方式之一，熔鹽吸熱器作為熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站的重要設(shè)備，其可以將鏡場(chǎng)投射的太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為其內(nèi)部流動(dòng)的熔鹽熱能?；诖?，分析熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電原理，探討外置式熔鹽吸熱器特性，包括吸熱器額定功率、吸熱面積、吸熱器效率和管屏材料等，以期為吸熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

引言

在全球氣候變化與能源危機(jī)日益嚴(yán)重的背景下，可再生能源的研究與應(yīng)用顯得尤為重要。太陽(yáng)能作為高效、清潔的可再生能源，在新型能源電力系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站作為高效、清潔的太陽(yáng)能利用方式之一，已引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。截至2023年底，國(guó)內(nèi)在建和已建成的光熱發(fā)電站裝機(jī)容量近4 GW，其中80%以上為熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站。熔鹽吸熱器作為熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站的關(guān)鍵部件，其性能直接影響整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。因此，對(duì)熔鹽塔式太陽(yáng)能發(fā)電站吸熱器的研究具有重要意義。

1熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電原理

熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站，是一種將太陽(yáng)輻射熱能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，主要由反射鏡場(chǎng)、塔式集熱器、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)）及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站工作原理如圖1所示。熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站利用定日鏡將太陽(yáng)光反射并聚焦到吸熱塔頂部的熔鹽吸熱器上，通過(guò)熔鹽吸熱器吸收太陽(yáng)熱能，將熔鹽加熱成高溫熔鹽并儲(chǔ)存在熱鹽罐中。高溫熔鹽經(jīng)過(guò)換熱器與水或蒸汽進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，最終驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，熱交換后的低溫熔鹽回到冷鹽罐。該發(fā)電方式具有聚光溫度高、發(fā)電效率高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站工作原理

2吸熱器概述

吸熱器通常分為腔式吸熱器、外置式吸熱器、平板式吸熱器、流化床吸熱器等類型。目前主流的吸熱器為腔式吸熱器和外置式吸熱器。表1為全球已投運(yùn)塔式光熱發(fā)電站吸熱器的主要類型。

腔式吸熱器體積較小，吸熱面位于一個(gè)腔體內(nèi)，只能面向一側(cè)開(kāi)孔。腔式吸熱器周圍的鏡場(chǎng)一般呈扇形分布，采光接收角度通常不超過(guò)120°，這樣的設(shè)計(jì)可以有效減少吸熱器與外界環(huán)境的對(duì)流散熱損失及輻射換熱損失。但受制于采光面積，采用腔式吸熱器的塔式光熱發(fā)電站規(guī)模通常較小。

外置式吸熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般為圓柱形，適用于大型的光熱發(fā)電站。外置式吸熱器主要由鋼結(jié)構(gòu)、管屏、進(jìn)出口罐、管道閥門、電伴熱、控制系統(tǒng)等構(gòu)成，可以接受360°全向的聚光太陽(yáng)輻射，這種設(shè)計(jì)有利于定日鏡場(chǎng)的布局設(shè)計(jì)和大規(guī)模利用。但外置式吸熱器的吸熱表面完全暴露在環(huán)境中，這使塔頂風(fēng)速對(duì)其對(duì)流熱損的影響增大。同時(shí)，由于外置式吸熱器對(duì)外界的視角系數(shù)較高，其輻射熱損也會(huì)明顯增大。這些因素可能導(dǎo)致外置式吸熱器的吸熱效率低于腔式吸熱器。

腔式吸熱器與外置式吸熱器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱性能方面各有優(yōu)劣。腔式吸熱器在減少熱損和提高熱效率方面具有優(yōu)勢(shì)，但其在吸熱面積和電站規(guī)模方面會(huì)受到一定限制。而外置式吸熱器的熱效率稍遜于腔式吸熱器，但因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和可接受全方位聚光太陽(yáng)輻射，在商業(yè)應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位，目前已成為應(yīng)用最廣泛的塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站吸熱器。本文主要研究外置式熔鹽吸熱器的特性。

表1全球已投運(yùn)塔式光熱發(fā)電站吸熱器的主要類型

3外置式熔鹽吸熱器的特性

定日鏡場(chǎng)將太陽(yáng)輻射能投射到外置式熔鹽吸熱器管屏表面，匯集較高的能流密度，經(jīng)對(duì)流換熱加熱管屏內(nèi)部流動(dòng)的熔鹽。由于管屏固定不動(dòng)，高能流密度的太陽(yáng)輻射只能覆蓋朝外的管束表面，這導(dǎo)致管束前后及管壁內(nèi)外溫差較大，且溫度分布不均勻，對(duì)材料熱應(yīng)力強(qiáng)度、吸熱器循環(huán)次數(shù)及性能特性影響較大。

因此，從吸熱器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)方面分析其特性，包括吸熱器額定功率、吸熱面積、吸熱器效率、管屏材料、吸熱器尺寸、工作溫度壓力、介質(zhì)參數(shù)等，為優(yōu)化吸熱器性能提供參考。

3.1吸熱器額定功率

吸熱器的額定功率是指吸熱器在設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)的輸出熱功率，與吸熱器的設(shè)計(jì)、材料、工藝及鏡場(chǎng)和動(dòng)力島的設(shè)計(jì)等密切相關(guān)。吸熱器的額定功率可以根據(jù)動(dòng)力島所需熱量和所配儲(chǔ)熱功率、吸熱器效率、太陽(yáng)倍數(shù)來(lái)確定。熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮太陽(yáng)倍數(shù)（大于1）。對(duì)于無(wú)儲(chǔ)熱的熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站，太陽(yáng)倍數(shù)一般設(shè)定在1.3~1.4；對(duì)于帶儲(chǔ)能系統(tǒng)的熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站，太陽(yáng)倍數(shù)一般大于2，且會(huì)根據(jù)不同的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)增加。吸熱器額定功率計(jì)算公式如下：

式中：Qth，rec——吸熱器額定功率；ηrec，guess——吸熱器估計(jì)效率；Qth，pb——?jiǎng)恿u額定功率；SM——太陽(yáng)倍數(shù)。

3.2吸熱面積

吸熱面積通常是指吸熱器的表面積，其決定了吸熱器能從熱源中吸收多少熱量，直接影響吸熱效率。計(jì)算外置式熔鹽吸熱器的吸熱面積之前，需要明確吸熱器的管屏表面溫度、環(huán)境溫度、熱傳遞功率、流體流速、介質(zhì)特性、吸熱器材料和管屏涂層的選擇等。通過(guò)吸熱器材料確定吸熱器最大峰值能流密度。例如，316H不銹鋼材料的最大峰值能流為830 kW/m2，Incoloy800H最大峰值能流為1 000 kW/m2。通過(guò)峰值能流與平均能流的比值確定平均能流，外置式吸熱器峰值能流與平均能流的比值一般為1.78。利用吸熱器額定功率和材料平均能流得到吸熱器吸熱面積計(jì)算值：

式中：Acal，rec——吸熱面積計(jì)算值；qavg，flux——平均能流密度。

在獲得吸熱面積計(jì)算值后，乘以面積系數(shù)，確定實(shí)際吸熱面積。根據(jù)已投運(yùn)的塔式光熱發(fā)電站數(shù)據(jù)，一般熔鹽介質(zhì)的吸熱面積系數(shù)為1.73~2.72，水介質(zhì)的吸熱面積系數(shù)為1.12~1.83，空氣介質(zhì)的吸熱面積系數(shù)為3.37~6.00。

3.3吸熱器效率

在常規(guī)風(fēng)速和滿負(fù)荷條件下，熔鹽吸熱器的熱效率大約可以達(dá)到87%，而燦用效率約為55%，整個(gè)系統(tǒng)的能量利用率約為18%。這些效率指標(biāo)是衡量吸熱器性能的重要指標(biāo)，能夠反映吸熱器將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為熱能并傳遞給熔鹽的效率。隨著入射能量的減小，熔鹽吸熱器的熱效率、燦用效率和系統(tǒng)效率都會(huì)逐漸降低。當(dāng)入射能量低于設(shè)計(jì)值的50%時(shí)，效率的降低速率會(huì)明顯加快，這表明吸熱器在不同工作條件下的性能會(huì)有所差異。

對(duì)于高空布置的熔鹽吸熱器，吸熱器的熱損主要包括反射熱損、輻射熱損、對(duì)流熱損及熱傳導(dǎo)熱損。其中，熱傳導(dǎo)熱損所占比例很小，在計(jì)算吸熱器效率時(shí)可忽略不計(jì)。吸熱器效率η的計(jì)算公式如下：

式中：Qs——吸熱器外表面吸收的熱量；Qloss——吸熱器的熱損；A——有效受熱面積。

反射熱損Qref的計(jì)算公式如下：

式中：β——反射率。對(duì)于圓周式熔鹽吸熱器，反射率β=1-α，其中α為表面吸熱率。為提高吸熱器吸熱效率，受熱表面會(huì)噴涂高吸熱率涂層，將表面吸熱率提高至0.96甚至更高，但在吸熱器長(zhǎng)期運(yùn)行中，表面涂層會(huì)受風(fēng)沙或雨水磨蝕導(dǎo)致表面吸熱率降低，因此需進(jìn)行定期維護(hù)或重新噴涂。

輻射熱損Qrad的計(jì)算公式如下：

式中：ε——吸熱器表面發(fā)射率，表面發(fā)射率與表面吸熱率大小相同；σ——斯忒潘-玻耳茲曼常數(shù)；Ta與Te——管屏平均壁溫與環(huán)境溫度。

對(duì)流熱損Qconv包括沿吸熱器圓周方向上的強(qiáng)制對(duì)流熱損和沿高度方向的自然對(duì)流熱損，通常采用格拉曉夫數(shù)Gr與雷諾數(shù)Re來(lái)權(quán)衡二者的效應(yīng)。當(dāng)Gr/Re2≤0.1時(shí)，自然對(duì)流的影響可以忽略；當(dāng)Gr/Re2＞10.0時(shí)，相較于自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流的影響可以忽略不計(jì)；當(dāng)0.1＜Gr/Re2≤10.0時(shí)兩種對(duì)流傳熱的作用都應(yīng)考慮，稱為混合對(duì)流。對(duì)流熱損的計(jì)算公式如下：

式中：h——混合對(duì)流換熱的換熱系數(shù)。

3.4吸熱器管屏材料

吸熱器管屏的材料需要具有高耐溫性、良好的導(dǎo)熱性和抗腐蝕性。目前常見(jiàn)的材料包括不銹鋼、合金鋼等。不同吸熱器管屏材料的特性如下：①不銹鋼316曾用在Solar two電站，由于高溫熔鹽介質(zhì)的腐蝕，在吸熱器試運(yùn)行3年后，部分管屏出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。②Inconel Alloy 625膜溫不超過(guò)600℃。③Incoloy800H膜溫不超過(guò)630℃。曾用在Solar one電站，膜溫雖然高，但機(jī)械性能較Inconel Alloy 625差。④Haynes 230盡管機(jī)械性能比Inconel Alloy 625稍差，但膜溫可達(dá)650℃，甚至高達(dá)680℃，但在680℃情形下，材料腐蝕速率會(huì)提高。目前此材料是應(yīng)用于吸熱器的最好材料。

3.5吸熱器其他設(shè)計(jì)參數(shù)

吸熱器其他設(shè)計(jì)參數(shù)如下：①太陽(yáng)能峰值能流。為了防止管屏材料超溫，一般將熔鹽吸熱器峰值能流密度控制在1 200 kW/m2。②換熱管內(nèi)湍流狀態(tài)。為了保證換熱效果及不出現(xiàn)溫度分層超溫，吸熱器換熱管內(nèi)流動(dòng)液體要處于湍流狀態(tài)，流體Re>4 000。③熱應(yīng)力。根據(jù)選擇管屏材料的不同，模擬計(jì)算管屏及連接材料的熱應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)極限拉應(yīng)力的33%，滿足美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)規(guī)范要求。④最大膜溫。管屏材料不同，最大膜溫也不同，但對(duì)于熔鹽介質(zhì)，考慮對(duì)材料的腐蝕性及管材耐熱性，膜溫一般不超過(guò)650℃。⑤壓力降。壓力降一般與入口罐及泵功率相關(guān)，由流速、管道管徑和壁厚決定，推薦壓力降不超過(guò)20 MPa。⑥循環(huán)壽命要求一般不小于20 000次，運(yùn)行壽命不小于100 000 h。循環(huán)壽命可根據(jù)啟動(dòng)關(guān)機(jī)次數(shù)、正常運(yùn)行次數(shù)、緊急散焦次數(shù)再考慮部分裕量確定。一般設(shè)計(jì)使用為壽命25年或35年。

總體來(lái)說(shuō)，外置式熔鹽吸熱器性能影響因素較多，除加強(qiáng)保溫工作、減少熱損外，還可以從優(yōu)化傳熱工質(zhì)、找到最佳的熔鹽配比、選擇高導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性的熔鹽、提高熱傳遞效率、改進(jìn)吸熱器設(shè)計(jì)、降低流動(dòng)阻力和熱阻、增加吸熱面積、提高管屏表面涂層吸熱率、提高鏡場(chǎng)聚光精度和能量密度、做好吸熱器的運(yùn)行維護(hù)工作等方面著手，進(jìn)一步提升吸熱器性能和熱效率。

4結(jié)語(yǔ)

塔式熔鹽吸熱器的性能受多種因素影響，包括入射能量、風(fēng)速、熔鹽的流動(dòng)與傳熱特性、吸熱器的形狀和類型等?？傮w來(lái)說(shuō)，為了優(yōu)化吸熱器的性能，需要對(duì)這些因素進(jìn)行深入研究和精確控制，通過(guò)不斷優(yōu)化和改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件性能，提高其發(fā)電效率和可靠性，為應(yīng)對(duì)全球能源需求增長(zhǎng)和環(huán)境問(wèn)題提供有效的解決方案。

作者：柳瑤斌（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)國(guó)際工程有限公司）