新型组合式热管接收器提高太阳能热发电效率

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：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效率。由于液态金属始终处于饱和态，使得接收器内的温度始终保持一致，从而使热应力达到最小。南京工业大学针对碟式太阳能热发电技术提出了一种组合式热管接收器。

接收器是碟式太阳能热发电系统的核心部件，它包括直接照射式和间接受热式。前者是将太阳光聚集后直接照在热机的换热管上；后者则通过某种中间媒介将太阳能传递到热机。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效率。

1.直接照射式

太阳光直接照射到换热管上是碟式太阳能发电系统最早使用的太阳能接收方式。图6-6中的直接照射式接收器是将斯特林发动机的换热管簇弯制组合成盘状，聚集后的太阳光直接照射到这个盘的表面（即每根换热管的表面），换热管内工作介质高速流过，吸收了太阳辐射的能量，达到较高的温度和压力，从而推动斯特林发动机运转。

图6-6 直接照射式接收器

由于斯特林换热管内高流速、高压力的He或H₂具有很高的换热能力，使得直接照射式接收器能够实现很高的接收热流密度（约为75104W/m²）。但是，由于太阳辐射强度具有明显的不稳定性，以及聚光镜本身可能存在一定的加工准确度问题，导致换热管上的热流密度呈现明显的不稳定与不均匀现象，从而使多缸斯特林发动机中各气缸温度和热量供给的平衡问题难以解决。

2.间接受热式

间接受热式接收器是根据液态金属相变换热性能机理，利用液态金属的蒸发和冷凝将热量传递至斯特林热机的接收器。间接受热式接收器具有较好的等温性，从而延长了热机加热头的寿命，同时提高了热机的效率。在对接收器进行设计时，可以对每个换热面进行单独的优化。这类接收器的设计工作温度一般为650～850℃，工作介质主要为液态碱金属钠、钾或钠钾合金（它们在高温条件下具有很低的饱和蒸汽压力和较高的汽化潜热）。间接受热式接收器包括池沸腾接收器、热管式接收器以及混合式热管接收器等。(https://www.chuimin.cn)

（1）池沸腾接收器

池沸腾接收器通过聚集到吸热面上的太阳能加热液态金属池，产生的蒸气冷凝于斯特林热机的换热管上，从而将热量传递给换热管内的工作介质，冷凝液由于重力作用又回流至液态金属池，即完成一个热质循环。池沸腾接收器结构简单，加工成本较低，适应性强，适合于在较大的倾角范围内运行，金属蒸气直接冷凝于热机换热管，效率较高，但要求工质的充装量较大，一旦发生泄漏将非常危险。液态金属传热特性特别是在交变热流密度条件下沸腾传热的特性，如沸腾不稳定性、热起动问题以及膜态沸腾和溢流传热引起的传热恶化等仍处于探索之中。

（2）热管接收器

采用毛细吸液芯结构将液态金属均布在加热表面的热管接收器引起了研究者们的重视。其中由美国Thermar core公司设计制造的热管接收器，设计容量为25～120kW可承受的热流密度为30×10⁴～55×10⁴（W/m²），受热面一般被加工成拱顶形，上面布有吸液芯，这样可以使液态金属均匀的分布于换热表面。吸液芯结构可有多种形式，如不锈钢丝网、金属毡等。分布于吸液芯内的液态金属吸收太阳能之后产生蒸气，蒸气通过热机换热管将热量传递给管内的工作介质，蒸气冷凝后的冷凝液由于重力作用又回流至换热管表面。由于液态金属始终处于饱和态，使得接收器内的温度始终保持一致，从而使热应力达到最小。研究表明，这种热管接收器相对于直接照射式接收器可以将碟式/斯特林系统的效率提高约20%。此外，德国航空航天中心（DLR）也设计了一种新型的热管接收器。该接收器设计容量为40kW，理论最高热流密度为54104W/m²。之后DLR在第一代热管接收器研究的基础上又设计制造了第二代热管接收器。南京工业大学针对碟式太阳能热发电技术提出了一种组合式热管接收器。该接收器采用普通柱状高温热管做传热单元，使得接收器的成本和加工难度都显著降低，而可靠性却大幅提高。

（3）混合式热管接收器

太阳能热发电系统若要连续而稳定的发电，必须考虑阳光不足时或夜间运行的能量补充问题，其解决方案有蓄热和燃烧两种。在碟式太阳能热发电系统中多采用燃料燃烧的方式来补充能量，即在原有的接收器上添加燃烧系统。混合式热管接收器就是由热管接收器改造而成的以气体燃料作为能量补充的接收器。DLR开发出的第二代混合式热管接收器，热管外筒直径为360mm，内筒直径为210mm，筒深为240mm，材料为Inconel625。吸液芯材料有两种选择，一种是In-conel600丝网，另一种则是由金属粉末高频等离子溅射制作的烧结芯。该接收器设计功率为45kW，设计工作温度为700～850℃。实验表明，使用该接收器的碟式系统，只利用太阳能时的热电效率为16%，而联合运行时的热电效率为15%。混合式热管接收器的开发有利于提高碟式太阳能热发电系统的适应性，实现连续供电，但是由于加入了燃烧系统，使得结构变得非常复杂，加工制造难度大大增加，同时成本大幅提高也是一个不容忽视的问题。

新型组合式热管接收器提高太阳能热发电效率

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