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【摘要】在全球氣候變化與能源危機日益嚴重的背景下，可再生能源的研究與應用顯得尤為重要。熔鹽塔式太陽能光熱發(fā)電站是高效、清潔的太陽能利用方式之一，熔鹽吸熱器作為熔鹽塔式太陽能光熱發(fā)電站的重要設備，其可以將鏡場投射的太陽光轉(zhuǎn)換為其內(nèi)部流動的熔鹽熱能?；诖耍治鋈埯}塔式太陽能光熱發(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)化設計提供參考。

引言

在全球氣候變化與能源危機日益嚴重的背景下，可再生能源的研究與應用顯得尤為重要。太陽能作為高效、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。熔鹽塔式太陽能光熱發(fā)電站作為高效、清潔的太陽能利用方式之一，已引起社會的廣泛關注。截至2023年底，國內(nèi)在建和已建成的光熱發(fā)電站裝機容量近4 GW，其中80%以上為熔鹽塔式太陽能光熱發(fā)電站。熔鹽吸熱器作為熔鹽塔式太陽能光熱發(fā)電站的關鍵部件，其性能直接影響整個發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。因此，對熔鹽塔式太陽能發(fā)電站吸熱器的研究具有重要意義。

1熔鹽塔式太陽能光熱發(fā)電原理

熔鹽塔式太陽能光熱發(fā)電站，是一種將太陽輻射熱能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，主要由反射鏡場、塔式集熱器、儲熱系統(tǒng)、熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（汽輪機與發(fā)電機）及控制系統(tǒng)等構成。熔鹽塔式太陽能光熱發(fā)電站工作原理如圖1所示。熔鹽塔式太陽能光熱發(fā)電站利用定日鏡將太陽光反射并聚焦到吸熱塔頂部的熔鹽吸熱器上，通過熔鹽吸熱器吸收太陽熱能，將熔鹽加熱成高溫熔鹽并儲存在熱鹽罐中。高溫熔鹽經(jīng)過換熱器與水或蒸汽進行熱交換，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，最終驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(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。

圖1熔鹽塔式太陽能光熱發(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，吸熱面位于一個腔體內(nèi)，只能面向一側開孔。腔式吸熱器周圍的鏡場一般呈扇形分布，采光接收角度通常不超過120°，這樣的設計可以有效減少吸熱器與外界環(huán)境的對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。

外置式吸熱器結構簡單，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構、管屏、進出口罐、管道閥門、電伴熱、控制系統(tǒng)等構成，可以接受360°全向的聚光太陽輻射，這種設計有利于定日鏡場的布局設計和大規(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，這使塔頂風速對其對流熱損的影響增大。同時，由于外置式吸熱器對外界的視角系數(shù)較高，其輻射熱損也會明顯增大。這些因素可能導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構設計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，但其在吸熱面積和電站規(guī)模方面會受到一定限制。而外置式吸熱器的熱效率稍遜于腔式吸熱器，但因其結構簡單和可接受全方位聚光太陽輻射，在商業(yè)應用中占據(jù)主導地位，目前已成為應用最廣泛的塔式太陽能光熱發(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

定日鏡場將太陽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)對流換熱加熱管屏內(nèi)部流動的熔鹽。由于管屏固定不動，高能流密度的太陽輻射只能覆蓋朝外的管束表面，這導致管束前后及管壁內(nèi)外溫差較大，且溫度分布不均勻，對材料熱應力強度、吸熱器循環(huán)次數(shù)及性能特性影響較大。

因此，從吸熱器的主要設計參數(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計點時的輸出熱功率，與吸熱器的設計、材料、工藝及鏡場和動力島的設計等密切相關。吸熱器的額定功率可以根據(jù)動力島所需熱量和所配儲熱功率、吸熱器效率、太陽倍數(shù)來確定。熔鹽塔式太陽能光熱發(fā)電站設計時應考慮太陽倍數(shù)（大于1）。對于無儲熱的熔鹽塔式太陽能光熱發(fā)電站，太陽倍數(shù)一般設定在1.3~1.4；對于帶儲能系統(tǒng)的熔鹽塔式太陽能光熱發(fā)電站，太陽倍數(shù)一般大于2，且會根據(jù)不同的儲能時長增加。吸熱器額定功率計算公式如下：

式中：Qth，rec——吸熱器額定功率；ηrec，guess——吸熱器估計效率；Qth，pb——動力島額定功率；SM——太陽倍數(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算值：

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

在獲得吸熱面積計算值后，乘以面積系數(shù)，確定實際吸熱面積。根據(jù)已投運的塔式光熱發(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)風速和滿負荷條件下，熔鹽吸熱器的熱效率大約可以達到87%，而燦用效率約為55%，整個系統(tǒng)的能量利用率約為18%。這些效率指標是衡量吸熱器性能的重要指標，能夠反映吸熱器將太陽輻射能轉(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)效率都會逐漸降低。當入射能量低于設計值的50%時，效率的降低速率會明顯加快，這表明吸熱器在不同工作條件下的性能會有所差異。

對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、對流熱損及熱傳導熱損。其中，熱傳導熱損所占比例很小，在計算吸熱器效率時可忽略不計。吸熱器效率η的計算公式如下：

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的計算公式如下：

式中：β——反射率。對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，但在吸熱器長期運行中，表面涂層會受風沙或雨水磨蝕導致表面吸熱率降低，因此需進行定期維護或重新噴涂。

輻射熱損Qrad的計算公式如下：

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。

對流熱損Qconv包括沿吸熱器圓周方向上的強制對流熱損和沿高度方向的自然對流熱損，通常采用格拉曉夫數(shù)Gr與雷諾數(shù)Re來權衡二者的效應。當Gr/Re2≤0.1時，自然對流的影響可以忽略；當Gr/Re2＞10.0時，相較于自然對流，強制對流的影響可以忽略不計；當0.1＜Gr/Re2≤10.0時兩種對流傳熱的作用都應考慮，稱為混合對流。對流熱損的計算公式如下：

式中：h——混合對流換熱的換熱系數(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、良好的導熱性和抗腐蝕性。目前常見的材料包括不銹鋼、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，在吸熱器試運行3年后，部分管屏出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。②Inconel Alloy 625膜溫不超過600℃。③Incoloy800H膜溫不超過630℃。曾用在Solar one電站，膜溫雖然高，但機械性能較Inconel Alloy 625差。④Haynes 230盡管機械性能比Inconel Alloy 625稍差，但膜溫可達650℃，甚至高達680℃，但在680℃情形下，材料腐蝕速率會提高。目前此材料是應用于吸熱器的最好材料。

3.5吸熱器其他設計參數(shù)

吸熱器其他設計參數(shù)如下：①太陽能峰值能流。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)流動液體要處于湍流狀態(tài)，流體Re>4 000。③熱應力。根據(jù)選擇管屏材料的不同，模擬計算管屏及連接材料的熱應力不應超過極限拉應力的33%，滿足美國機械工程師學會規(guī)范要求。④最大膜溫。管屏材料不同，最大膜溫也不同，但對于熔鹽介質(zhì)，考慮對材料的腐蝕性及管材耐熱性，膜溫一般不超過650℃。⑤壓力降。壓力降一般與入口罐及泵功率相關，由流速、管道管徑和壁厚決定，推薦壓力降不超過20 MPa。⑥循環(huán)壽命要求一般不小于20 000次，運行壽命不小于100 000 h。循環(huán)壽命可根據(jù)啟動關機次數(shù)、正常運行次數(shù)、緊急散焦次數(shù)再考慮部分裕量確定。一般設計使用為壽命25年或35年。

總體來說，外置式熔鹽吸熱器性能影響因素較多，除加強保溫工作、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、選擇高導熱性和穩(wěn)定性的熔鹽、提高熱傳遞效率、改進吸熱器設計、降低流動阻力和熱阻、增加吸熱面積、提高管屏表面涂層吸熱率、提高鏡場聚光精度和能量密度、做好吸熱器的運行維護工作等方面著手，進一步提升吸熱器性能和熱效率。

4結語

塔式熔鹽吸熱器的性能受多種因素影響，包括入射能量、風速、熔鹽的流動與傳熱特性、吸熱器的形狀和類型等?？傮w來說，為了優(yōu)化吸熱器的性能，需要對這些因素進行深入研究和精確控制，通過不斷優(yōu)化和改進系統(tǒng)設計和關鍵部件性能，提高其發(fā)電效率和可靠性，為應對全球能源需求增長和環(huán)境問題提供有效的解決方案。

作者：柳瑤斌（中國電力工程顧問集團國際工程有限公司）