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

    關(guān)鍵詞： 槽式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)； 直接產(chǎn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(xué)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(yáng)能發(fā)電技術(shù)作為低成本的清潔能源技術(shù)，是支撐我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的新能源技術(shù)之一。世界各國(guó)，特別是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定政策，規(guī)劃推進(jìn)太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電功率將達(dá)15GW，發(fā)電量達(dá)43 TW·h，2010-2020年的年增長(zhǎng)率為31.1％。美國(guó)能源部于2008年4月制定了新的5年計(jì)劃(2008-2012年)，代表了政府在太陽(yáng)能利用方面的研究、開發(fā)、示范和推進(jìn)的努力。

    我國(guó)在2006年科技部頒布實(shí)施的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)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(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中，均將太陽(yáng)能利用技術(shù)明確列為重點(diǎn)和優(yōu)先發(fā)展的方向。在相關(guān)政策推動(dòng)下，太陽(yáng)能將在傳統(tǒng)的制冷、供熱、發(fā)電等領(lǐng)域煥發(fā)新的生機(jī)。太陽(yáng)能發(fā)電是太陽(yáng)能利用技術(shù)的重要方向，是最可能引起能源革命的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)電、替代常規(guī)能源的最為經(jīng)濟(jì)的手段之一。

    由于太陽(yáng)能的能流密度較低，通常需要經(jīng)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(zhì)。根據(jù)聚光集熱器形式的不同，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)通常分為槽式(焦點(diǎn)處溫度為60～300℃)^[1]、碟式(焦點(diǎn)處溫度為l00～500℃)^[2]、塔式(焦點(diǎn)處溫度為150～2 000℃)3種。其中槽式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，并可將多個(gè)聚光集熱器經(jīng)串、并聯(lián)排列，構(gòu)成較大規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)，因此較早實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。魯茲(LUZ)公司于1985-1991年在美國(guó)加州建成的9座槽式太陽(yáng)能發(fā)電站，總裝機(jī)容量為354 MW，年發(fā)電量達(dá)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(yáng)能發(fā)電站。隨著技術(shù)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(jià)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(duì)槽式太陽(yáng)能發(fā)電直接產(chǎn)蒸汽發(fā)電(Direct Steam Generation，以下簡(jiǎn)稱DSG)技術(shù)瓶頸及突破方法進(jìn)行探討。

2槽式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用及分類

    槽式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)將多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串并聯(lián)的排列，收集較高溫度的熱能，加熱工作介質(zhì)，產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)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(zhì)循環(huán)動(dòng)力設(shè)備、汽輪發(fā)電機(jī)等。聚光集熱器的結(jié)構(gòu)見圖1。聚光器采用拋物面形，將太陽(yáng)光反射匯聚到接收器上。接收器由表面鍍有太陽(yáng)選擇性膜層的鋼管(內(nèi)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(yáng)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(chǎn)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(zhì)為導(dǎo)熱油；另一路為水、蒸汽回路。聚光器將太陽(yáng)光反射匯聚到接收器上，加熱接收器內(nèi)流動(dòng)的導(dǎo)熱油。換熱系統(tǒng)由3臺(tái)換熱器組成，即預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器，導(dǎo)熱油經(jīng)換熱器將熱量傳遞給水，產(chǎn)生過熱蒸汽。過熱蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電，汽輪機(jī)排汽經(jīng)凝汽器凝結(jié)成水，重新參與循環(huán)，凝汽器冷卻水經(jīng)換熱后可用于供熱。

   由圖3可知，對(duì)于DSG系統(tǒng)，太陽(yáng)光被聚光器反射匯聚到接收器上，透過玻璃外套管到達(dá)內(nèi)管，被內(nèi)管吸收，水流經(jīng)內(nèi)管吸熱后依次產(chǎn)生飽和蒸汽、過熱蒸汽。發(fā)電與汽輪機(jī)排汽凝結(jié)過程與雙回路系統(tǒng)相同。

    DSG系統(tǒng)已成為槽式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的新趨勢(shì)，這是基于以下優(yōu)點(diǎn)：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(shì)，DSG系統(tǒng)不僅節(jié)省了油水換熱設(shè)備，也無需建設(shè)導(dǎo)熱油防火系統(tǒng)、儲(chǔ)油罐等，可節(jié)約大量資金，降低造價(jià)。

3 DSG技術(shù)瓶頸及突破方法

3．1 技術(shù)瓶頸

    當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外正在運(yùn)行的槽式太陽(yáng)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(shù)。DSG技術(shù)未獲得大規(guī)模推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)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(nèi)為典型的變熱流量傳熱和汽液非均勻分布。由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨時(shí)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(nèi)傳熱過程為變熱流量傳熱。另外，接收器一側(cè)接收了聚光器匯聚的高密度太陽(yáng)能，而另一側(cè)只接收未經(jīng)匯聚的少量太陽(yáng)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(cè)吸收的太陽(yáng)能比約62：1^[4]，所導(dǎo)致的接收器周向溫差可達(dá)80℃^[5]。由于接收器內(nèi)發(fā)生相變傳熱，在重力作用下，汽、液在接收器內(nèi)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(dǎo)致接收器周向存在較大溫差，由此引起的熱應(yīng)力易使得接收器發(fā)生彎曲形變，導(dǎo)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(shù)的關(guān)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(dǎo)熱、對(duì)流相互耦合的復(fù)雜多相流傳熱^[6-7]，接收器周向溫差引起的熱應(yīng)力已成為接收器失效和槽式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)效率下降的主要因素，已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。

    由于接收器的工作壓力高達(dá)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(nèi)管，但不銹鋼的熱導(dǎo)率較低，僅為15～18 W／(m·K)，而銅可達(dá)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的接收器內(nèi)管(見圖4)，內(nèi)層采用具有高熱導(dǎo)率的銅以減小管內(nèi)傳熱的周向溫差，外層采用不銹鋼以保證內(nèi)管的工作強(qiáng)度，研究發(fā)現(xiàn)雙金屬結(jié)構(gòu)的內(nèi)管周向溫差較不銹鋼內(nèi)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(yáng)光反射到接收器的另一側(cè)。加入二次反射板后，接收器周向接收的太陽(yáng)能較均勻，但增加了太陽(yáng)光的反射次數(shù)，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(nèi)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(yīng)重點(diǎn)改善管內(nèi)汽液分布。

    M．E．Rojas等人^[10]設(shè)計(jì)了具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)吸熱壁面的接收器內(nèi)管，研究表明具有毛細(xì)結(jié)構(gòu)內(nèi)管具有較高的傳熱性能，這是由于毛細(xì)結(jié)構(gòu)的吸液作用增加了內(nèi)管內(nèi)壁的潤(rùn)濕性，改變了接收器周向汽液分布，但他們采用的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)為單一尺度，無法協(xié)調(diào)液體吸入及蒸汽逸出之問的平衡。

    復(fù)合尺度毛細(xì)結(jié)構(gòu)早期應(yīng)用于毛細(xì)蒸發(fā)裝置中，宣益民等人^[11]在毛細(xì)蒸發(fā)器研究中較早采用了雙尺度毛細(xì)結(jié)構(gòu)，即外層毛細(xì)芯采用熱導(dǎo)率高、粒徑較小的羥基鎳粉燒結(jié)而成，形成的小尺度孔徑可以增大毛細(xì)力吸液；內(nèi)層采用熱導(dǎo)率低、粒徑較大的不銹鋼粉末制成，以減小液體的流動(dòng)阻力。他們發(fā)現(xiàn)提供毛細(xì)力和作為蒸發(fā)面的僅是毛細(xì)芯最外側(cè)的小薄層，而毛細(xì)芯內(nèi)層僅作為液體流動(dòng)的通道。這種雙尺度毛細(xì)結(jié)構(gòu)用于接收器內(nèi)管，將極大地增強(qiáng)內(nèi)管的換熱能力，減小液體在管內(nèi)蒸發(fā)過程中流動(dòng)阻力和增大其臨界熱流量，擴(kuò)大接收器的工作溫度范圍。

    T．J．Semenic等人^[12]對(duì)采用3種不同粒徑銅粉(平均粒徑分別為60、300、600μm)燒結(jié)而成的單一尺度和復(fù)合尺度毛細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合尺度的毛細(xì)結(jié)構(gòu)可強(qiáng)化傳熱。D．H．Min等人^[13]研究了復(fù)合尺度毛細(xì)結(jié)構(gòu)表面對(duì)相變換熱的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合尺度毛細(xì)結(jié)構(gòu)表面既有利于蒸汽的逸出，又有利于液體的吸人，會(huì)極大促進(jìn)相變換熱。杜建華等人^[14]對(duì)多孔表面進(jìn)行了開槽研究，發(fā)現(xiàn)多孔表面開槽后改變了汽液兩相區(qū)的逆流流動(dòng)結(jié)構(gòu)，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(xì)作用加強(qiáng)，臨界熱流量提高。復(fù)合尺度毛細(xì)結(jié)構(gòu)用于接收器內(nèi)管的突出優(yōu)勢(shì)可概括為：強(qiáng)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(yīng)力損壞。由此可見，復(fù)合尺度毛細(xì)結(jié)構(gòu)用于接收器內(nèi)管必將顯著提高接收器的傳熱能力，毛細(xì)力的存在將改善管內(nèi)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(xiàn)象和部分受熱面缺液造成周向溫差導(dǎo)致的熱應(yīng)力損壞，改善接收器的傳熱性能。

   綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高性能接收器的研究均圍繞強(qiáng)化傳熱及減小周向溫差展開，主要集中在：采用復(fù)合金屬材料內(nèi)管以提高內(nèi)管壁的熱導(dǎo)率，減小內(nèi)管周向溫差；采用二次反射板使得集熱管周向熱流相對(duì)均勻；采用具有單一尺度毛細(xì)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面的內(nèi)管，以改善管內(nèi)的潤(rùn)濕性和周向汽液分布。

但已有關(guān)于復(fù)合尺度毛細(xì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化多相流傳熱的研究工作大都在均勻熱流量條件下進(jìn)行，研究結(jié)果無法直接推廣到DSG系統(tǒng)的接收器中應(yīng)用，因此應(yīng)在這方面加強(qiáng)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] ANGELINO G，INVERNIZZI C M．Carbon dioxide power cycles using liquid natural gas as heat sink[J]．Applied Thermal Engineering，2009(29)：2935-2941．

[2] IBRAHIM S M A．The forced circulation performance of a sun tracking parabolic concentrator collector[J]．Renewable Energy，1996(9)：568-571．

[3] 羅會(huì)龍，王如竹，代彥軍，等．太陽(yáng)能制冷低溫儲(chǔ)糧應(yīng)用效果初探[J]．中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2005，9(21)：400-402、442．

[4] 戰(zhàn)棟棟，張紅，莊駿．槽式太陽(yáng)能直接產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)接收器的研究進(jìn)展[J]．熱力發(fā)電，2009，29(3)，287-291．

[5] ALMANZA R，LENTZ A，JIMENEZ G．Receiver behavior in direct steam generation with parabolic troughs[J]．Solar Energy，1997，61(4)：275-278．

[6] 鄭浩，湯珂，金滔，等．有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)研究進(jìn)展 [J]．能源工程，2008(4)：5-11．

[7] WINTER C J，SIZMANN R L，VANT-HULL L L．Solar power plants-fundamentals，technology，systems，economics[M]．New York：Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH ＆ C0．K，1991：283-289．

[8] FLORES V，ALMANZA R．Behavior of the compound wall copper-steel receiver with stratified two-phase flow regimen in transient states when solar irradiance is arriving on one side of receiver[J]．Solar Energy，2004(1／2／3)：195-198．

[9] SPIRKL W，RIES H，MUSCHAWECK J，et al．Opti．mized compact secondary reflectors for parabolic troughswith tubular absorbers[J]．Solar Energy，1997(3)：153-158．

[10] ROJAS M E，DE ANDRES M C，GONZA 7LEZ L．Designing capillary systems to enhance heat transfer in LS3 parabolic trough collectors for direct steam generation

(DSG)[J]．Solar Energy，2008(1)：53-60．

[11] 宣益民，錢吉裕，李強(qiáng)．CPL復(fù)合毛細(xì)芯流動(dòng)性能及工質(zhì)特性分析[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24(6)：1007-1009．

[12]  SEMENIC T J，LIN Yingyu，CATTON I，et al．Use of biporous wicks to remove high heat fluxes[J]．Applied Thermal Engineerin9，2008(4)：278-283．

[13]  MIN D H，HWANG G S，USTA Y，et al．2-D and 3-D modulated porous coatings for enhanced pool boiling[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2009(11／12)：2607-2613．

[14] 杜建華，吳偉，胡雪蛟，等．帶開槽結(jié)構(gòu)的多孔表面沸騰換熱的雙孔隙模型[J]．清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，41(10)：78-81．

本文作者：安 翔^l，張 偉²

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

作者簡(jiǎn)介：安翔(1978- )，男，天津人，工程師，碩士生，主要從事制冷與空調(diào)設(shè)備維護(hù)工作。

收稿日期：2012-03-26；修回日期：2012-04-08