摘 要： 介紹了槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的應用與分類，槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)分為雙回路系統(tǒng)、直接嚴蒸汽發(fā)電(Direct Steam Generation，DSG)系統(tǒng)，對兩種系統(tǒng)流程進行了探討。指出DSG系統(tǒng)主要技術瓶頸集中在接收器，對提高接收器內管(金屬管)的熱導率、改善接收器周向受熱均勻程度、改善內管的潤濕性和周向汽液分布的方法進行綜述。

    關鍵詞： 槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)； 直接產蒸汽發(fā)電； 聚光器； 接收器

    Abstract：The applications and classification of trough solar power system are introduced．The system can be divided into double-loop system and direct steam generation system， and the process flows of both the systems are discussed．It is indicated that the main technical bottleneck of the direct steam generatlon system lies in the solar receiver． Methods for enhancement of thermal conductivity of inner plpe， improvement of clrcumferential heating uniformity，the wettability of inner pipe and the circumferential gas-liquid distribution are reviewed．

Key words：trough solar power systern；direct steam generation；optical condenser：receiver

1概述

能源在國民經濟中具有特別重要的戰(zhàn)略地位，為了解決能源問題，除大力開展節(jié)能、科學用能和化石燃料的清潔高效利用等研究外，還必須加速可再生能源的開發(fā)和利用。太陽能發(fā)電技術作為低成本的清潔能源技術，是支撐我國國民經濟可持續(xù)發(fā)展的新能源技術之一。世界各國，特別是歐美等發(fā)達國家紛紛制定政策，規(guī)劃推進太陽能利用。較為著名的有歐盟的20％規(guī)劃，即到2020年可再生能源要占總能耗的20％，其中太陽能發(fā)電功率將達15GW，發(fā)電量達43 TW·h，2010-2020年的年增長率為31.1％。美國能源部于2008年4月制定了新的5年計劃(2008-2012年)，代表了政府在太陽能利用方面的研究、開發(fā)、示范和推進的努力。

    我國在2006年科技部頒布實施的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》以及2007年發(fā)改委頒布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中，均將太陽能利用技術明確列為重點和優(yōu)先發(fā)展的方向。在相關政策推動下，太陽能將在傳統(tǒng)的制冷、供熱、發(fā)電等領域煥發(fā)新的生機。太陽能發(fā)電是太陽能利用技術的重要方向，是最可能引起能源革命的技術，是實現大功率發(fā)電、替代常規(guī)能源的最為經濟的手段之一。

    由于太陽能的能流密度較低，通常需要經過聚光以提高其能量品位并通過接收器將熱量傳遞給工作介質。根據聚光集熱器形式的不同，太陽能發(fā)電系統(tǒng)通常分為槽式(焦點處溫度為60～300℃)^[1]、碟式(焦點處溫度為l00～500℃)^[2]、塔式(焦點處溫度為150～2 000℃)3種。其中槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)結構簡單、造價較低，并可將多個聚光集熱器經串、并聯(lián)排列，構成較大規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)，因此較早實現了商業(yè)化應用。魯茲(LUZ)公司于1985-1991年在美國加州建成的9座槽式太陽能發(fā)電站，總裝機容量為354 MW，年發(fā)電量達l0.8×10⁸ kW·h。隨后西班牙、日本、澳大利亞也相繼建成了槽式太陽能發(fā)電站。隨著技術不斷發(fā)展，系統(tǒng)效率已由初始的ll.5％提高到l3.6％，單位發(fā)電功率造價由5 976美元/kW降至3 011美元/kw，發(fā)電成本由26.3美分／(kW·h)降至9.1美分／(kW·h)^[3]。本文對槽式太陽能發(fā)電直接產蒸汽發(fā)電(Direct Steam Generation，以下簡稱DSG)技術瓶頸及突破方法進行探討。

2槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的應用及分類

    槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)將多個槽型拋物面聚光集熱器經過串并聯(lián)的排列，收集較高溫度的熱能，加熱工作介質，產生蒸汽，驅動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。系統(tǒng)包括：聚光集熱器(由聚光器、接收器組成)、換熱系統(tǒng)、工作介質循環(huán)動力設備、汽輪發(fā)電機等。聚光集熱器的結構見圖1。聚光器采用拋物面形，將太陽光反射匯聚到接收器上。接收器由表面鍍有太陽選擇性膜層的鋼管(內管)及玻璃外套管組成，二者之間的空間為真空，以減少傳熱損失。

槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)分為雙回路系統(tǒng)(見圖2)、DSG(Direct Steam Generation，直接產蒸汽發(fā)電)系統(tǒng)(見圖3)。

    由圖2可知，在雙回路系統(tǒng)中，一路為吸熱回路，工作介質為導熱油；另一路為水、蒸汽回路。聚光器將太陽光反射匯聚到接收器上，加熱接收器內流動的導熱油。換熱系統(tǒng)由3臺換熱器組成，即預熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器，導熱油經換熱器將熱量傳遞給水，產生過熱蒸汽。過熱蒸汽推動汽輪發(fā)電機發(fā)電，汽輪機排汽經凝汽器凝結成水，重新參與循環(huán)，凝汽器冷卻水經換熱后可用于供熱。

   由圖3可知，對于DSG系統(tǒng)，太陽光被聚光器反射匯聚到接收器上，透過玻璃外套管到達內管，被內管吸收，水流經內管吸熱后依次產生飽和蒸汽、過熱蒸汽。發(fā)電與汽輪機排汽凝結過程與雙回路系統(tǒng)相同。

    DSG系統(tǒng)已成為槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)技術的新趨勢，這是基于以下優(yōu)點：DSG系統(tǒng)較雙回路系統(tǒng)省去中間換熱環(huán)節(jié)，從而提高了系統(tǒng)效率。具有成本優(yōu)勢，DSG系統(tǒng)不僅節(jié)省了油水換熱設備，也無需建設導熱油防火系統(tǒng)、儲油罐等，可節(jié)約大量資金，降低造價。

3 DSG技術瓶頸及突破方法

3．1 技術瓶頸

    當前，國內外正在運行的槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)普遍采用雙回路系統(tǒng)，僅有少量采用DSG技術。DSG技術未獲得大規(guī)模推廣應用的關鍵技術瓶頸之一為缺乏高效穩(wěn)定的聚光集熱器，這是由于接收器內為典型的變熱流量傳熱和汽液非均勻分布。由于太陽輻射強度隨時間不斷發(fā)生變化，匯聚在接收器上的熱流量隨之變化，因此接收器內傳熱過程為變熱流量傳熱。另外，接收器一側接收了聚光器匯聚的高密度太陽能，而另一側只接收未經匯聚的少量太陽能，造成接收器周向熱流量極不均勻，已有研究表明接收器兩側吸收的太陽能比約62：1^[4]，所導致的接收器周向溫差可達80℃^[5]。由于接收器內發(fā)生相變傳熱，在重力作用下，汽、液在接收器內呈非均勻分布，尤其在分層流條件下，液體僅存在于接收器底部。非均勻流將導致接收器周向存在較大溫差，由此引起的熱應力易使得接收器發(fā)生彎曲形變，導致玻璃外套管破裂或使得接收器偏離聚焦線。因此，接收器這種變熱流量傳熱及非均勻多相流分布已成為DSG技術的關鍵研究課題。

3．2突破方法

    接收器具有變熱流量傳熱的特性，且是輻射、導熱、對流相互耦合的復雜多相流傳熱^[6-7]，接收器周向溫差引起的熱應力已成為接收器失效和槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)效率下降的主要因素，已經引起國內外學者的高度關注。

    由于接收器的工作壓力高達l0 MPa，綜合考慮成本、效率、安全等因素，通常采用不銹鋼管作為內管，但不銹鋼的熱導率較低，僅為15～18 W／(m·K)，而銅可達450 W／(m·K)，這易造成接收器周向熱流量和汽液分布不均，甚至發(fā)生彎曲變形，最終導致玻璃外套管破裂、接收器偏離聚焦線。為了解決這一問題，V．Flores等人^[8]提出了一種雙金屬結構的接收器內管(見圖4)，內層采用具有高熱導率的銅以減小管內傳熱的周向溫差，外層采用不銹鋼以保證內管的工作強度，研究發(fā)現雙金屬結構的內管周向溫差較不銹鋼內管顯著減小。W．Spirkl等人^[9]在聚光集熱器中加入二次反射板，將聚光器匯聚的一部分太陽光反射到接收器的另一側。加入二次反射板后，接收器周向接收的太陽能較均勻，但增加了太陽光的反射次數，降低了光效率。

 上述兩種方法都在一定程度上減小了接收器的周向溫差，但由于管內汽液兩相的不均勻分布，汽液傳熱能力不同造成的周向溫差依然存在，接收器仍存在發(fā)生彎曲變形的可能。因此，應重點改善管內汽液分布。

    M．E．Rojas等人^[10]設計了具有毛細結構吸熱壁面的接收器內管，研究表明具有毛細結構內管具有較高的傳熱性能，這是由于毛細結構的吸液作用增加了內管內壁的潤濕性，改變了接收器周向汽液分布，但他們采用的毛細管結構為單一尺度，無法協(xié)調液體吸入及蒸汽逸出之問的平衡。

    復合尺度毛細結構早期應用于毛細蒸發(fā)裝置中，宣益民等人^[11]在毛細蒸發(fā)器研究中較早采用了雙尺度毛細結構，即外層毛細芯采用熱導率高、粒徑較小的羥基鎳粉燒結而成，形成的小尺度孔徑可以增大毛細力吸液；內層采用熱導率低、粒徑較大的不銹鋼粉末制成，以減小液體的流動阻力。他們發(fā)現提供毛細力和作為蒸發(fā)面的僅是毛細芯最外側的小薄層，而毛細芯內層僅作為液體流動的通道。這種雙尺度毛細結構用于接收器內管，將極大地增強內管的換熱能力，減小液體在管內蒸發(fā)過程中流動阻力和增大其臨界熱流量，擴大接收器的工作溫度范圍。

    T．J．Semenic等人^[12]對采用3種不同粒徑銅粉(平均粒徑分別為60、300、600μm)燒結而成的單一尺度和復合尺度毛細結構進行了對比研究，發(fā)現復合尺度的毛細結構可強化傳熱。D．H．Min等人^[13]研究了復合尺度毛細結構表面對相變換熱的影響，發(fā)現復合尺度毛細結構表面既有利于蒸汽的逸出，又有利于液體的吸人，會極大促進相變換熱。杜建華等人^[14]對多孔表面進行了開槽研究，發(fā)現多孔表面開槽后改變了汽液兩相區(qū)的逆流流動結構，有利于蒸汽從槽道中逸出，液體從多孔區(qū)流向受熱面，毛細作用加強，臨界熱流量提高。復合尺度毛細結構用于接收器內管的突出優(yōu)勢可概括為：強化傳熱；提高蒸發(fā)傳熱的臨界熱流量；顯著改善多相系統(tǒng)中汽液兩相的周向分布，從而改善周向溫度分布的均勻性，減小溫差帶來的熱應力損壞。由此可見，復合尺度毛細結構用于接收器內管必將顯著提高接收器的傳熱能力，毛細力的存在將改善管內汽液分布的均勻性，從而改善水平放置接收器的汽液分層現象和部分受熱面缺液造成周向溫差導致的熱應力損壞，改善接收器的傳熱性能。

   綜上所述，目前國內外對高性能接收器的研究均圍繞強化傳熱及減小周向溫差展開，主要集中在：采用復合金屬材料內管以提高內管壁的熱導率，減小內管周向溫差；采用二次反射板使得集熱管周向熱流相對均勻；采用具有單一尺度毛細結構內壁面的內管，以改善管內的潤濕性和周向汽液分布。

但已有關于復合尺度毛細結構強化多相流傳熱的研究工作大都在均勻熱流量條件下進行，研究結果無法直接推廣到DSG系統(tǒng)的接收器中應用，因此應在這方面加強研究。

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本文作者：安 翔^l，張 偉²

作者單位：1．天津中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院；2．華北電力大學可再生能源學院

作者簡介：安翔(1978- )，男，天津人，工程師，碩士生，主要從事制冷與空調設備維護工作。

收稿日期：2012-03-26；修回日期：2012-04-08