佟鍇，楊立軍，宋記鋒，杜小澤，楊勇平

聚光太陽能集熱場先進技術綜述

佟鍇1，楊立軍1，宋記鋒2，杜小澤1，楊勇平1

（1．華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京市 昌平區(qū) 102206；2．華北電力大學可再生能源學院，北京市 昌平區(qū) 102206）

聚光太陽能熱發(fā)電技術因其穩(wěn)定性、可控性，以及高裝機容量成為太陽能熱利用方式的重要形式。太陽能集熱場的集熱效率是影響聚光太陽能熱電站發(fā)電容量和光電效率的重要因素。針對近期太陽能集熱場提高光熱轉化性能的關鍵技術，從光學結構、集熱器結構以及流體工質3個方面進行綜述，總結了先進的集熱器優(yōu)化策略和性能提升技術，并指出相應優(yōu)化方法的局限性，在此基礎上對集熱場技術未來的發(fā)展提出展望。

聚光太陽能熱發(fā)電；太陽能集熱場；輻照能流分布；傳熱流體工質；納米顆粒

0 引言

隨著當今社會的發(fā)展，電能的需求也在急速增長。太陽能因其綠色環(huán)保、分布廣泛和可持續(xù)利用的特點成為極具競爭力的一種可再生能源。相對于其他太陽能發(fā)電技術而言，聚光太陽能發(fā)電技術具有裝機規(guī)模大、電能輸出穩(wěn)定和根據需求易于調度的特點。據估計在2030年之前，聚光太陽能電站的發(fā)電量將達到世界發(fā)電總量的7%；在2050年之前將達到25%[1]。聚光太陽能電站主要由集熱場、汽輪機和發(fā)電機組成，其中集熱場的功能為通過反射鏡將太陽光匯聚加熱流體工質，從而為汽輪機一側的蒸汽發(fā)生器提供熱源或直接提供蒸汽，集熱場是決定聚光電站光電轉化效率和發(fā)電容量的重要組成。如圖1所示，集熱場的類型主要分為槽式集熱場、碟式集熱場、塔式集熱場和線性菲涅爾式集熱場。由于線性菲涅爾式集熱場除反射鏡場的布置和控制技術外，與槽式集熱場的研究內容極其相似，因此本文主要對前3種集熱場技術進行探討。

1）拋物槽式太陽能集熱場的反射鏡場由平行排列拋物槽反射鏡陣列組成，通過該結構使單軸的反射鏡在一天中跟蹤太陽軌跡，為接收器提供持續(xù)的聚光輻照，幾何聚光比可達直射輻射的70~100倍。接收器主要由涂有吸收涂層的不銹鋼吸熱管和高硼硅玻璃制的外罩組成，吸熱管內填充有流體工質，其類型包括有機導熱油、水和熔融鹽等，其運行溫度可達400℃[2]。吸熱管與玻璃外罩之間一般抽成真空來減少熱量耗散。集熱場輸出的高溫導熱油可以在換熱器中加熱給水產生蒸汽，從而驅動汽輪機帶動發(fā)電機組輸出電能，整個過程的光電轉化效率約為15%[3]。

a—槽式集熱場；b—碟式集熱場；c—塔式集熱場；d—菲涅爾式集熱場

2）塔式太陽能集熱場主要由反射鏡場、位于鏡場中心的塔架和位于塔架頂部的集熱器組成。當前塔式太陽能集熱場的元器件設計并未制定嚴格的標準，定日鏡的尺寸并不固定，面積范圍可達1~178m2[4]；而根據鏡場的設計面積不同，接收器上輻照能流強度在200~1000kW/m2之間，可以提供較高的輸出溫度，因此塔式集熱場中的流體工質主要為熔融鹽、空氣以及水或水蒸氣等。較高的流體工質溫度使塔式太陽能電站的光電轉化效率約為20%~35%[4]，其效率的高低由諸多因素決定，如定日鏡場、集熱器的設計等。

3）碟式太陽能集熱場通過拋物碟型反射鏡將輻照匯聚在接收器上，同時輔以雙軸跟蹤系統(tǒng)進行太陽追跡。與槽式、塔式集熱場不同之處在于：由于碟式集熱場一個單元裝機容量較小(0.01~ 0.5MW)，斯特林電機或布萊頓電機常放置于集熱器處，適合發(fā)展分布式能源。在碟式集熱場中反射鏡開口半徑為4~10m，反射鏡表面積可達40~120m2，焦點處的平均聚光比約為2000，工質的出口溫度可達700~750℃，工作壓強約為 20MPa，其光電轉化效率在25%~30%之間[1]。

由此可見，盡管3種太陽能電站已經進入商業(yè)化階段，但光電轉化效率低下的問題仍然存在，所以集熱場側尚需改進，從而提高光熱效率和運行穩(wěn)定性，最終提升整個系統(tǒng)的光電轉化效率。本文主要從光學結構、集熱管結構以及流體工質3個方面介紹當今提高集熱場熱效率、降低集熱器損壞風險的先進技術，包括聚光輻照能流分布的檢測和仿真，集熱器換熱效率提高的策略，流體工質的選擇和改進等，并對未來集熱場技術的發(fā)展進行了展望。

1 光學結構優(yōu)化策略

太陽能集熱場光學結構主要包括反光鏡/定日鏡、跟蹤系統(tǒng)以及接收器3個部分，優(yōu)化方向主要包括太陽跟蹤技術、輻照能流分布的檢測與計算以及鏡面形貌的探測與校正技術。其主要目的是提高太陽能集熱場的光學效率，并維持其在高光學效率下運行的穩(wěn)定性。

1.1 槽式集熱場陣列雙軸跟蹤技術

槽式集熱場跟蹤系統(tǒng)根據運行方式分為東西軸向跟蹤、南北軸向跟蹤、平行地軸跟蹤以及雙軸跟蹤[1]。其特點包括：機械結構原理簡單，而對跟蹤系統(tǒng)機械結構的可靠性要求較高，百米級的集熱單元陣列導致驅動扭矩較大，以及旋轉角度范圍較大。由于結構簡單，其跟蹤誤差可控制在0.5°以內[5]，達到商業(yè)化的水平。由于單軸跟蹤的方案無法避免余弦效應，雙軸跟蹤系統(tǒng)的熱效率更高，相對于固定式可提高46.46%[6]，最高可達75%[7]，但雙軸跟蹤系統(tǒng)機械結構復雜，管路系統(tǒng)設計復雜，以及結構剛度較低的缺點限制了其大規(guī)?；膽?，而多用于小尺寸的實驗平臺；大型應用的場景主要集中在催化制氫以及海水淡化[8]，大型的槽式雙軸電站僅Helioman 3/32一例[2]。為在保持傳統(tǒng)大規(guī)模槽式集熱場優(yōu)勢的同時提高效率，降低余弦效應的影響，文獻[9]中基于LS3平臺首次提出了一種通過底部的滑軌使集熱器陣列可在一定的角度范圍(約30°)旋轉的結構，實現與雙軸跟蹤系統(tǒng)相似的效果，其陣列長度可達100~150m，具有大型化應用前景。文獻[10]中實際建設該實驗平臺，其一次能源效率和?效率分別可達74.74%和48.83%，光電轉化效率可達23.67%。該系統(tǒng)的缺陷在于滑軌的旋轉結構成本較高；對于底面的強度和平整度有較高的要求，同時土地利用率更低；跟蹤系統(tǒng)升級的性價比一般，根據文獻[11]的研究，該系統(tǒng)相對于南北軸向單軸跟蹤系統(tǒng)的年效率提升約為4%。

1.2 輻照能流分布檢測與仿真技術

對吸熱管壁面輻照能流的檢測和計算可以為集熱管正常運行的維護以及換熱性能的分析提供信息和依據。

1.2.1 槽式太陽能集熱場

槽式集熱場中，對于吸熱管壁面輻照能流分布的分析始于Jeter等[12]對該分布特性半解析 解，隨后研究者分析了邊緣角、對準誤差、跟蹤誤差、端頭效應以及太陽形狀模型等使集熱場偏離運行工況的參數對吸熱管壁面輻照能流分布的影響[13-15]。由于非理想狀態(tài)下光線傳輸的復雜性，光路追跡法成為主要的輻照模擬方法，主要分為有限單元光路追跡法(FEM)和蒙特卡羅光路追跡法(MCRT)。其策略是通過模擬海量的光路使接收器上的輻照能流分布收斂于穩(wěn)定值，通過標準化處理將所得分布轉化為所需的輻照能流分布。該方法的優(yōu)勢在于容易處理復雜工況和異形結構，其缺點在于需要對大量的光線進行追跡，耗費的計算時間和資源龐大。根據文獻[16]中的研究，采用MCRT時為保證足夠的精度，需要模擬5′107個以上的光線，而在文獻[17]中的研究，采用FEM方法得到的標準差為輻照強度的30%，該情況下需要對8′105個有限單元進行求解。因此降低光路追跡法計算時間，并拓展該簡化算法的適用性成為一個研究熱點。其基本原理是利用了在忽略端頭效應影響的情況下，吸熱管上輻照能流分布軸向保持一致的特性，將計算復雜度減少一維，在保證相同計算精度的條件下，計算速度提高了數百倍[18]，且該方法已經應用于非理想條件下的輻照能流分布預測方面的研究[19-20]。

1.2.2 碟式太陽能集熱場

由于碟式集熱場點聚焦的幾何結構特征，其接收器上的輻照能流分布的非均勻性更為顯著，由此引發(fā)的熱效率下降和熱應力上升威脅著集熱器的穩(wěn)定運行。研究者通過CCD相機對接收器入口平面處非均勻的輻照能流進行測試，其原理是通過測量朗伯靶反射的光強分布，對其接收的輻照能流分布進行間接測量[21-22]，其結果如 圖2(a)所示。與槽式集熱器相似，數值模擬方法也被應用于計算不同結構下集熱器上輻照能流分布。文獻[23]中采用光路追跡法對圓柱體、穹頂型、橢球體、球體以及椎體接收器壁面的輻照能流進行了模擬，其結果如圖2(b)所示。文獻[24]為了解決接收面上的輻照分布不均，在接收器上設計了二次混合聚光器。對于體型集熱器，文 獻[25]對半透明的多孔介質中的輻照分布進行數值模擬，其結果如圖2(c)所示。

圖2 碟式集熱場集熱器輻照能流分布

1.2.3 塔式太陽能集熱場

在塔式集熱場中，需要對接收器上的輻照能流分布進行分析，得到集熱器接受的輻照量，從而計算集熱器的年效率，驗證該系統(tǒng)的經濟性；此外，對集熱器上的非均勻輻照分布進行求解可以對集熱器進行溫度與熱應力分布的分析，并進行相應的結構優(yōu)化，從而降低熱應力對集熱器安全運行的威脅。雖然能流仿真的基本原理相似，但由于鏡場光學結構的復雜度遠高于槽式反射鏡，因此對塔式集熱場能流分析的算法更加復雜。對于塔式集熱場光學性能的分析主要分為2種：一是通過分析定日鏡朝向、遮擋作用、占地面積、設備成本等因素分析定日鏡場年效率；二是通 過光路追跡得到集熱器上具體的輻照能流分布情況和影響因素。文獻[26-27]中，采用光路追跡方法對腔式集熱器內非均勻的輻照能流進行分析，得到了跟蹤誤差與集熱效率的關系；文獻[28-29]對表面式接收器上的輻照能流進行分析，發(fā)現 其曲線近似高斯分布。文獻[30-31]對體積式集熱器上非均勻的輻照能流進行分析?，F階段對于 常規(guī)類型的定日鏡和吸熱器構成的集熱場，科 研機構已經編寫了可商用的工具軟件進行可行性研究以及熱效率分析，如表1所示。在這些工具軟件中，已經編寫了圖形用戶界面(graphical user interface，GUI)界面，使其更容易被研究者入手，同時設有與其他常用工具軟件或常用代 碼的接口，便于內部參數的設置和仿真結果的后處理。

表1 塔式太陽能集熱場輻照分析軟件

1.3 鏡面形貌技術

鏡面形貌的探測技術主要是針對由于長期的風載荷和重力載荷導致界面變形，進而導致集熱場效率下降的問題提出的，其主要包含3種方法：激光掃描法、疊柵偏折法和攝影測量法[32]。其中攝影測量法因為其適合大尺寸物體測量的特性，最適用于大型槽式反射鏡表面形貌的探測研究。該方法的基本原理為：通過位于鏡面上方空間位置已知的多個相機對被測物體上的標記物進行拍照，通過視覺關系換算出標記點的空間位置信息，從而擬合出鏡面特征[33]。根據所得的信息可以對鏡面形貌的探測評估集熱效率的衰減，從而做出相應的矯正維護方案。

對于碟式太陽能集熱場中的反射鏡，其理想的形貌應為整塊拋物碟型反射鏡[34]。文獻[35]中總結了碟式反射鏡效率的影響因素，包括鏡面材料、鏡面單元面型、碟式反光鏡尺寸、反射鏡面積、太陽輻照度、焦距、集熱器開口面積和反射鏡邊緣角等。然而在實際工程中，由于成本以及工藝方面的原因，研究者通過增加鏡子數量、減小鏡子面積、更改鏡面形狀的方法降低制造難度。根據鏡面面型一般分為平面鏡、球面鏡、旋轉拋物面鏡和拋物面鏡等；根據鏡面的排布方式分為單一鏡面式、多鏡面式以及菲涅爾式。表2中總結了現已建成的碟式集熱場及其反射鏡形式。由于碟式集熱場反射鏡系統(tǒng)的集熱結構比較簡單，跟蹤控制方式多為傳統(tǒng)雙軸跟蹤方式，而反射鏡結構大型化，因此相關報道多關于反射鏡的成形以及固定方式等工程問題。

表2 商業(yè)化碟式集熱場反光鏡類型

2 集熱器結構優(yōu)化技術

2.1 集熱管

如圖3所示，集熱管中主要包括3種傳熱方式：熱傳導、對流換熱和輻射換熱。為了維持較高的光熱轉換效率，需要提高導熱油與吸熱管內壁面的傳熱性能，同時抑制吸熱管外壁面對外部環(huán)境的熱耗散。從集熱管結構的改進出發(fā)提高 集熱管效率，改進其運行穩(wěn)定性成為近期的研究熱點。

圖3 集熱器傳熱過程機理圖

集熱管結構優(yōu)化策略如表3所示。其中，在管外壁面的翅片設置是提高光學效率的重要方法。文獻[43]在小尺寸吸熱管外壁面覆蓋了黑色翅片來提高接收管的吸收率，其光熱效率可達67%。波紋管是提高管內壁換熱性能的另一種重要方法。文獻[44]中研究者采用了對稱外波紋管結構，通過管壁面起伏加強了湍流強度，從而加強吸熱管內壁面與導熱油之間的換熱性能，最高可達48%，同時該結構的熱應力比傳統(tǒng)直管低26.8%。文獻[45]中采用數值方法研究了非均勻分布的對稱外波紋管的傳熱性能，得到了更優(yōu)化的波紋分布構型。此外，在集熱管中插入填充物從而提高集熱管換熱效率，采用實驗或者仿真的方法進行驗證和填充結構的優(yōu)化成為研究的熱點。文獻[46]中介紹了螺旋波紋管的換熱性能，并通過數值與實驗方法研究了殼-管換熱器結構。在吸熱管中插入1個螺旋葉片是其中一種提高集熱管換熱性能的重要方法，其原理也是加強吸熱管內的湍流效應，降低層流邊界層厚度，從而提高流體工質與吸熱管內壁面的換熱性能。文獻[47-49]中測試了若干種螺旋葉片，其實物圖如圖4所示，包括(a)直葉片、(b)螺旋葉片和(c)鋸齒葉片。文 獻[50]中在管壁面設置翅片，通過提高換熱面積的方法提高吸熱管內壁面的換熱性能。文獻[51]通過實驗研究了金屬泡沫填充物對吸熱管傳熱效率的影響，發(fā)現該方法對集熱效率的提升約為3%。然而管內填充物的作用并不一定是有利的，其主要缺點是會引起吸熱管壓損上升。

表3 集熱管結構優(yōu)化策略

文獻[52]中采用了?分析的方法發(fā)現當管道內雷諾數高于閾值時，采用螺旋葉片反而會使集熱管效率下降，使填充物喪失性價比。文獻[52]中研究者設置了縱向渦發(fā)生器使熱損降低了13%，但管道壓損翻了一倍。通過總結各項研究可以發(fā)現，優(yōu)化后吸熱管的熱損和壓損不僅和填充物有關，還與集熱管運行參數(如入口流量等因素)相關，通過優(yōu)化相應工況，或是針對相應需求采用合理的結構或是將結構改型，可以實現相應填充結構集熱效率提升的最大化。塔式太陽能集熱場中，管式集熱器以水/水蒸氣、熔融鹽等作為流體流體工質的策略已經得到商業(yè)化應用，并已經在文獻[3]中詳細總結，其工作原理與槽式集熱場相似，而其性能被管材料的導熱性能所局限。為解決該問題，對于管式集熱器管內換熱性能加強的方式方法與槽式集熱器中的方法和原理相似，包括波紋管[52]、設置換熱翅片等，本文將不再贅述。

2.2 集熱器形貌

與槽式集熱器不同的是點聚焦集熱器的管陣列分布的類型多種多樣，通過優(yōu)化吸熱管陣列分布、排布方式以及改變吸熱單元本身結構來提高集熱器效率成為管式集熱器研究的基本方向。

為了降低高溫引起的熱損，碟式集熱器多采用腔式結構設計。由于碟式聚光系統(tǒng)與塔式聚光系統(tǒng)的基本原理相似，都為點聚焦方式；且聚光比、工作溫度都相近，因此二者集熱器結構的設計和優(yōu)化理念也相似。文獻[59]中研究螺旋管集熱管成型形貌對光學和換熱效率的影響，如圓錐體、球體和柱體等，發(fā)現柱形的能流分布最為均勻，所以熱應力最小，如圖5(a)所示。文獻[60] 采用實驗和模擬的方法對以導熱油作為流體工質的圓柱體和棱柱體腔式集熱器進行了集熱效率的研究，發(fā)現二者的平均集熱效率分別為56.44%和54.14%。文獻[27]中對碟式集熱場中腔式集熱器進行了能量和?分析，發(fā)現在穩(wěn)定狀態(tài)下其熱效率約為60%；當出口溫度達到550℃時，其?效率峰值約為23%，且當進出口溫差增大時，?效率下降。

為提高光學效率，文獻[61]設計了一種片狀集熱器，如圖5(b)所示。該結構采用菱形管時，吸收率可達0.92。對于改變吸熱單元結構而言，微流道集熱器成為一個提高換熱面積的重要方法，如圖5(c)所示。該方法是通過在平板接收器中設置許多微小的流道來實現提高工質與吸熱器換熱面積的，同時包絡面結構減小了該集熱器與環(huán)境空氣的接觸面積，降低了由于對流換熱和輻照換熱引起的熱損。文獻[62]設計的微流道集熱器采用CO2作為工質，當輻照強度達到500kW/m2時，出口溫度可達700℃，集熱效率可達90%。

2.3 多孔型集熱器

對于腔式集熱器，在其內部填充多孔介質作為吸熱器成為一個通過改變吸熱單元結構提高換熱面積的重要方式。其原理是利用多孔介質較大的空氣接觸面積提升換熱性能，從而加熱流經多孔介質的空氣[63]。文獻[64]中對小容量的多孔集熱器(3kW)進行熱效率分析，流體工質為空氣時，其出口溫度可達553℃，熱效率可達77%；當流體工質為氦氣時，最高出口溫度為620℃，此時熱效率為78%。為了提高多孔介質上溫度分布的均勻性從而降低熱應力，多孔介質的結構也進行了相應的改進。文獻[65]中提出了一種雙層多孔介質，研究發(fā)現隨流體方向孔隙率下降的多孔介質結構可以降低進出口的溫差。文獻[66]中優(yōu)化了多孔介質孔隙率下降曲線，發(fā)現采用幾何平均(geometric-averaged，GA)分布的孔隙率比線性分布的孔隙率的多孔介質溫度分布更為均勻。

2.4 混合型集熱器

由于塔式集熱器運行溫度較高，其向大氣和天空的熱損也比較大，為了緩解這個問題，文 獻[67]設計了一種混合接收器結構，如圖6所示，其原理與省煤器相似，將多個管路仿照多孔介質的形式放置在腔式集熱器內，而腔式集熱器開口端直接與大氣相通，使開路氣流可以流經吸熱管路的表面被加熱，然后被用于驅動汽輪機或者預熱導熱流體管路，其熱效率提升達到20%。文 獻[68]采用數值計算的方法根據集熱器中的溫度場和速度場對管路結構進行優(yōu)化，同時建議在輻照入口處添加石英窗來提高熱空氣的出口溫度，降低集熱管的溫度梯度。該類型集熱器的缺點在于需要設計雙流體工質通路，系統(tǒng)更加復雜，成本更高。

圖6 混合型集熱器示意圖

3 流體工質

3.1 常用流體工質

太陽能集熱場中常用的流體工質包括導熱油、水/水蒸氣、熔融鹽以及納米流等。流體工質的選擇需要針對集熱系統(tǒng)的特點尤其是工作的溫度，從而提高整個系統(tǒng)的集熱效率。導熱油是目前最常用的流體工質，這是由于其使用壽命較長，熱穩(wěn)定性較好，飽和蒸氣壓較低。商業(yè)化的導熱油的型號包括VP-1，Syltherm 800，Marlotherm SH，Santotherm 59和herminol D12等。其中，Syltherm 800因其較廣的工作溫度范圍、較低的毒性和揮發(fā)性、較高的比熱容成為最為理想的導熱油。導熱油的缺點在于一旦泄漏，有機油脂會造成環(huán)境污染，有機物油有引起火災的風險，同時溫度過高會導致導熱油的分解，限制了其工作溫度。水/水蒸氣是最早被用于槽式太陽能集熱場的工質，可以直接轉化成水蒸氣被汽輪機利用(直接蒸汽發(fā)生器)，大大簡化了槽式電站結構，降低了成本。相對于導熱油而言，水蒸氣作為流體工質方案可以輸出更高溫度的流體(500℃以上)，同時泄漏不會造成火災和污染隱患。文獻[69]中通過?分析的方法對比了導熱油、水/水蒸氣、熔融鹽作為工質的槽式集熱場，發(fā)現采用水作為工質具有最高的效率。水作為工質的缺陷在于由于沸點較低，不適合作為儲熱物質；水/水蒸氣組成的兩相流對輸運和控制系統(tǒng)要求更高，導致系統(tǒng)復雜度上升；由于水蒸氣密度較低，導致管路壓降上升。熔融鹽作為流體工質，其優(yōu)勢為較高熱穩(wěn)定性使其可以滿足較高的工作溫度需求(550℃以上)，較高比熱容使其可作為儲熱物質，較低的蒸氣壓降低了管道壓降。而熔融鹽工質的缺點為較高的熔點(220~240℃)使其有凝固的風險[70]。

3.2 納米顆粒添加物

在流體中添加納米顆粒從而改善流體工質的傳熱特性成為當前的研究熱點，其原理為：通過添加納米顆?？梢栽黾訉崃黧w的導熱系數，降低邊界層的厚度。如表4所示，納米流中流體包括水、導熱油和熔融鹽，添加的納米顆粒主要包括氧化鋁、氧化銅納米顆粒以及碳納米管等。根據文獻[71]中的研究，通過提高納米流中顆粒物的濃度會使顆粒物與流體碰撞頻率增大，提升其粘度，同時會降低其熱容、提升其導熱系數。隨著顆粒物尺寸的增大，其布朗運動會減弱，從而引起納米流導熱系數的下降。納米流的缺點在于穩(wěn)定性較差，高濃度的納米顆粒在流動中可能發(fā)生沉降或積累；同時隨著濃度升高，納米流的粘度上升導致管路壓降上升，對輸油泵的功率提出更高的要求。對于納米流不穩(wěn)定的特征，利用設置填充物產生漩渦的方法可以與納米流相輔相成，不僅可以提升集熱管的熱效率，還可以使納米顆 粒在流體中的分布更加均勻。如文獻[72]中將摻有銀顆粒的納米流與螺旋葉片填充方案相結合，使集熱效率提高了5%；而文獻[73]中將摻有碳納米 管的納米流與螺旋葉片填充方案相結合，使集熱效率提升了4.4%。此外在透明吸熱管中添加混 有納米顆粒的高壓氣體作為流體工質成為另一種技術方案，與其他方法不同的是，該方案是通過輻照直接加熱鍍有吸收涂層的高濃度納米顆粒，而不是傳統(tǒng)的集熱管先通過輻照加熱集熱管，再通過對流換熱加熱流體工質，該方法的傳熱途徑更短，理論上可以獲得更高的熱效率，且氣體和顆粒物作為工質，可以適應更高的溫度需求，尤其是聚光比較高的場合，如碟式、塔式太陽能集熱場中。文獻[74]中將該方案應用于槽式集熱場中，采用CuO納米顆粒，出口溫度可達180℃，平均熱效率約為65%。

表4 流體工質納米顆粒添加物

3.3 顆粒物工質

對于流體工質而言，現階段顆粒物接收器成為新的研究熱點，其類型主要包括自由下落式、阻斷式、離心式和流化床式等；該技術的特點是顆粒物可以承受1000℃以上的高溫而不發(fā)生分解，在200℃以下也沒有凝固的風險。自由下落式接收器是通過輻照能流直接加熱從腔式集熱器頂部下落的顆粒物獲得熱能，通過頂部滑動閥門控制流量得到所需的出口溫度，如圖7(a)所示。文獻[75]中對1MW的連續(xù)循環(huán)顆粒集熱器進行了測試，其出口溫度可達700℃，光熱效率在50%~80%之間。文獻[76-77]中總結了風向、風速以及開口面積等因素對該類集熱器的影響。由于高開口面積會增加集熱器的散熱，但低開口面積會減少顆粒物接受輻照的時間，阻斷式集熱器就是在顆粒物下落路徑上添加阻擋物來延長輻照時間，如圖7(b)所示。阻擋物的結構多為多孔材料，包括金屬、陶瓷泡沫、不銹鋼交錯網等，將出口顆粒物溫度提升到900℃[78]；也包括螺旋滑軌等結構，采用該結構30min內可將顆粒物溫度加熱到650℃[83]。文獻[84]介紹了離心式接收器，如圖7(c)所示，其原理是通過旋轉的接收器產生的離心力使顆粒物沿接收器壁面運動，提高了接受輻照的時間，平均輻照強度為300~700kW/m2，出口溫度可達900℃，光熱效率達到75%。流化床式集熱器起源于Sandia實驗室19世紀七十年代的實驗，其原理是在垂直的透明管底部通入壓縮空氣和顆粒物混合物(硅砂、ZrO2、SiO2和耐火黏土等)，在管頂部接受輻照。對于平均輻照能流密度為500kW/m2的集熱器，其硅砂顆粒物的溫度可達1200K，而二氧化硅顆粒物的溫度可達1400K，熱效率在20%~40%之間[85]。此外，流化床式集熱器也可以采用間接加熱的方式，通過輻照加熱不銹鋼集熱管，集熱管再對顆粒物氣流進行加熱，文獻[86]中出口溫度可達750℃，管內壁的換熱系數在質量流量為10~45kg/(m2·s)的情況下可達420~1100W/(m2·K)。

圖7 自由下落顆粒物型集熱器示意圖

3.4 液態(tài)金屬工質

對于塔式、碟式集熱場，液態(tài)金屬也可被用作流體工質，主要包括金屬鈉、鉀，以及鉀鈉合金，其優(yōu)勢在于：1）液態(tài)金屬可以在高溫下運行，工作溫度可達650~850℃[87]；2）液態(tài)金屬較高的熱導率可以提高集熱管壁面與導熱流體之間的換熱效率；3）液態(tài)金屬較高的熱導率可以降低集熱器溫差，從而降低管道熱應力；4）液態(tài)金屬高溫下較低的飽和蒸氣壓和較高的汽化潛熱使其可用于相變集熱器的設計。

碟式集熱場中液態(tài)金屬相變集熱器主要包括熱管集熱器和池沸騰集熱器。熱管集熱器的原理是通過毛細吸液芯結構使液態(tài)金屬均勻包覆在集熱管上，液態(tài)金屬吸收太陽能熱后蒸發(fā)成為金屬蒸汽，蒸汽在換熱管上冷凝放熱，將熱量傳遞給管內的工作介質，冷凝后的蒸汽流回集熱管表面，相較于直接照射式集熱器，系統(tǒng)的效率可以提高20%[88]；池沸騰集熱器沒有毛細吸液芯結構，液態(tài)金屬聚集在金屬池內，吸收太陽能熱后產生金屬蒸汽，池沸騰集熱器結構簡單，加工成本較低，但存在沸騰不穩(wěn)定、惡化傳熱等問題。

4 結論

本文對槽式、塔式以及碟式3種典型集熱場從光學結構、集熱器結構、導熱工質3個方面進行了綜述，總結了現階段提升集熱效率和運行穩(wěn)定性的技術手段，主要分為以下幾點：1）百米級槽式太陽能集熱場陣列跟蹤系統(tǒng)結構雙軸化以降低余弦效應；2）光路追跡法被用于仿真異形結構集熱場輻照能流分布；3）集熱管中添加填充物增強管內湍流，提高對流換熱面積；4）在流體工質中添加納米顆粒物來提高流體工質的傳熱性能；5）實驗與CFD模擬成為集熱管特性研究的重要方法；6）多孔介質在吸熱器端廣泛運用。

現階段集熱場結構優(yōu)化方面的研究已經取得了豐碩的成果，但由這些優(yōu)化策略派生的問題尚未解決。未來聚光太陽能集熱場技術的發(fā)展方向包括：通過提高聚光輻照分布的均勻性來降低集熱器的熱應力；優(yōu)化集熱管填充物結構，在保證原有的集熱效率提升的基礎上降低管路壓損；對于點聚焦式集熱場，優(yōu)化集熱器結構以降低由對流、輻射引起的熱損；探究集熱器中顆粒物的傳熱與流體特性，建立合理的多相流模型。

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Review on Advanced Technology of Concentrated Solar Power Concentrators

TONG Kai1, YANG Lijun1, SONG Jifeng2, DU Xiaoze1, YANG Yongping1

(1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. School of Renewable Energy, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China)

Concentrated solar power generation technology is one of the most important approach of the solar thermal utilization due to its stability, controllability and high capacity. The photon-thermal conversion efficiency of the solar concentrator is the main factor that influence the power generation capacity and the photon- electric conversion efficiency of the concentrated solar thermal power station. In this paper, the recent key technologies of improving the optical-thermal conversion performance of the solar concentrators were summarized via three aspects, including optical structures, receiver structures and heat transfer fluid. The advanced optimization strategy and the performance improvements of the concentrators, as well as the limitation, were presented. On the basis referred, the perspective of the solar concentrator technologies was analyzed.

concentrated solar power generation; solar concentrator; irradiative flux distribution; heat transfer fluid; nanoparticle

10.12096/j.2096-4528.pgt.19095

國家自然科學基金項目(51776067)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51776067).

2019-06-04。

佟鍇(1992)，男，博士研究生，研究方向為槽式聚光太陽能發(fā)電技術、光催化技術等，tongkai@ncepu.edu.cn；

楊立軍(1970)，男，博士，教授，研究方向為火力發(fā)電廠空冷技術、太陽能熱發(fā)電技術，煙氣除塵技術和二氧化碳捕集技術等，yanglj@ncepu.edu.cn。

佟鍇

(責任編輯 楊陽)