中国电建西北院：塔式光热电站吸热器技术发展

01、光热发电的新发展

自2016年9月国家发改委和国家能源局相继公布了太阳能热发电标杆上网电价政策（每千瓦时1.15元）及第一批太阳能热发电示范项目名单，我国太阳能热发电项目的商业化建设与运行拉开了序幕。2021年9月28日，海南基地青豫直流二期340万千瓦外送项目、海西基地青豫直流二期190万千瓦外送项目进行了中标候选人公示，其中包括了中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司（简称中国电建西北院）在内的300MW光热项目。太阳能热发电技术已经成为构建以新能源为主体的新型电力系统的重要技术支撑。

02、吸热器技术新突破

在塔式光热电站中，吸热器将高倍太阳能聚光转化为高温热能，是整个系统的关键部件之一。吸热器的性能直接决定了吸热介质的出口温度，进而影响到后续热功转换效率，因此吸热器的长期稳定运行是发电系统长效运行的关键。

根据传热方式的不同，吸热器可分为容积式吸热器与管式吸热器两大类。管式吸热器中吸热工质的温度要比管壁温度低，吸热工质所能达到的最高温度受管壁材料的限制。容积式吸热器中，由于多孔介质材料有较大的传热面积，故吸热工质的温度往往能够达到多孔介质的温度，最高可达1200℃。

图1：管式吸热器（左）与容积式吸热器（右）的传热原理

（1）管式吸热器

外露管式吸热结构简单，可接收360°范围内的太阳辐射，有利于镜场大规模布置，是目前应用最广泛的吸热器形式。但外露管式吸热器也存在不足之处，尤其是反射、辐射及对流散热造成的能量损失较大，热效率相对较低。

中国电建西北院依托青海共和50MW熔盐塔式光热电站，对外露管式吸热器开展了系列研究。

通过对实际气象条件下的动静态仿真，分析了太阳法向直射辐照度扰动下吸热器出口熔盐温度、表面最高温度、散热功率的过渡过程响应时间对吸热管轴向温度梯度的影响，并利用外露管式吸热器特性参数与太阳法向直射辐照度和熔盐流量三者间的定量关系改进了运行中的熔盐流量调整策略。

图2：青海共和50MW熔盐塔式光热电站吸热器及管屏

除了外露管式吸热器，商业应用的管式吸热器还有二次反射塔管式吸热器。该种吸热器布置在二次反射镜下部，吸收由一次反射镜汇聚并经过二次反射镜折射的太阳能，吸热器内通过熔盐带走由镜场汇聚的热量。

图3：二次反射塔光热电站吸热器及原理

（2）容积式吸热器

容积式吸热器中，管屏布置在空腔内，散热损失小，热效率较高。但腔体式吸热器的窗口朝向一侧，只能接收一定范围内的太阳辐射，定日镜场的布置受到一定限制。目前商业应用的容积式吸热器有多以空气为吸热介质，如TSA、SOLAIR-3000、REFOS等。

图4：容积式吸热器示意图

随着超临界二氧化碳布雷顿循环技术和设备的逐步成熟，容积式吸热器凭借其高温特性，再次成为国内外光热行业关注的焦点。美国桑迪亚国家实验室（SNL）采用铝土矿颗粒作为传储热介质，放入由耐火绝缘墙组成的空腔内，形成开路腔式吸热器。另外，德国航空航天中心DLR也在研发以1毫米的陶瓷粒子为吸热介质的腔式吸热器。

03、结语

随着吸热介质材料如金属颗粒、陶瓷颗粒、液态金属等耐高温材料的逐步成熟，陶瓷泡沫、金属泡沫等新材料在吸热器结构优化领域的应用突破，高温吸热器已经成为支撑塔式太阳能热发电向高参数、高效率发展的重要技术支撑。

参考资料

[1]徐玫,彭怀午,牛东圣,王晓,肖斌,周治,段杨龙,张俊峰.外露管式熔盐吸热器动静态特性研究[J].化工学报,2020,71(05):2049-2060.

[2]陈金利.太阳能空气布雷顿循环关键部件试验及系统动态模拟[D].浙江大学,2021.

[3]曾季川.塔式太阳能吸热器热效率评估方法研究[D].浙江大学,2021.

[4]徐有杰.塔式太阳能光热发电熔盐吸热器运行特性与策略研究[D].浙江大学,2020.