吸熱器綜述講解課件

吸熱器研究進展報告

崔福慶，殷欣2009.07.30吸熱器研究進展報告崔福慶，殷欣一、背景介紹

一、背景介紹在太陽能利用系統(tǒng)中，吸熱器組件是實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)化的重要組件，其效率的高低對于系統(tǒng)的效率有著重要的影響。故在太陽能研究中，吸熱器的研究有著重要的意義。吸熱器平板式吸熱器低溫應用中、低溫應用中、高溫應用管式吸熱器腔體式吸熱器在太陽能利用系統(tǒng)中，吸熱器組件是實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)化的重要組件，其效3本課題的關注點：極高溫度、極高熱流密度下的輻射－導熱－對流耦合的復雜傳熱規(guī)律的研究吸熱器主要研究問題吸熱器內(nèi)部的傳熱過程及其強化吸熱器結構的優(yōu)化吸熱器所用新型材料的研究吸熱器新型形式的構建針對本課題的研究重點，主要對中高溫應用的碟式及塔式太陽能熱發(fā)電吸熱器進行了文獻調(diào)研。本課題的關注點：極高溫度、極高熱流密度下的輻射－導熱－對流耦4二、塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)二、塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)定日鏡系統(tǒng)吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的三大組成部分：定日鏡系統(tǒng)吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)定日鏡系統(tǒng)吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的三大6

塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究始于20世紀50年代，由于其巨大的商業(yè)應用前景，吸引了大量的科研人員對其進行研究，一大批塔式電站相繼投入試運行。大量的實驗和運行數(shù)據(jù)證明了塔式電站技術上的可行性，以及具有廣闊的商業(yè)發(fā)電應用前景。塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究始于20世紀50年代，由于其7SolarOne美國EURELIOS意大利CESA-1西班牙80年代塔式太陽能發(fā)電站示范工程SolarOneEURELIOSCESA-180年代塔式太890年代塔式太陽能發(fā)電站示范工程SolarTwo美國TSA西班牙（圖為TSA的吸熱器）90年代塔式太陽能發(fā)電站示范工程SolarTwoTSAww92000年后塔式太陽能發(fā)電站示范工程PS10西班牙（效果圖）SolarTres西班牙（效果圖）2000年后塔式太陽能發(fā)電站示范工程PS10SolarTr10三、塔式太陽能電站吸熱器三、塔式太陽能電站吸熱器

在各類吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)中，最具商業(yè)化潛力且研究得最多的是：

熔鹽系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、飽和蒸汽系統(tǒng)

在各類吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)中，最具商業(yè)化www12熔鹽吸熱器優(yōu)點：系統(tǒng)無壓運行，安全性提高；傳熱工質(zhì)在整個吸熱、傳熱循環(huán)中無相變，且熔鹽熱容大，吸熱器可承受較高的熱流密度，從而使吸熱器可做得更緊湊，減少制造成本，降低熱損；整個太陽能熱力系統(tǒng)的傳熱、蓄熱可共用同一工質(zhì)，使系統(tǒng)極大的簡化。缺點：熔鹽在高溫時有分解和腐蝕問題。采用熔鹽吸熱器的系統(tǒng)：SolarTwo試驗電站、建設中的SolarTres試驗電站熔鹽吸熱器優(yōu)點：系統(tǒng)無壓運行，安全性提高；傳熱工質(zhì)在整個吸熱13吸熱器熱流回路管外徑和壁厚：20.06mm,1.2mmPyromark

涂料SolarTwo硝酸鹽吸熱器材料：316H不銹鋼吸熱器高和直徑：6.1m,5.2m入口溫度設計為290℃，出口溫度設計為565℃;平均太陽輻射能流密度為430kW/m2時，額定吸收功率為42MW吸熱器熱流回路管外徑和壁厚：Pyromark涂料Solar14反射塔式熔融鹽吸熱器反射塔式熔融鹽吸熱器15空氣吸熱器優(yōu)點：1）從大氣來，到大氣去；取之不盡，用之不絕；不污染環(huán)境；2)沒有因相變帶來的麻煩；3)允許很高的工作溫度；4)易于運行和維護，啟動快，無須附加的保溫和冷啟動加熱系統(tǒng)。

缺點：存在流動不均勻及局部過熱與失效問題采用空氣吸熱器的系統(tǒng)：TSA、SOLAIR-3000、REFOS等以空氣為吸熱與傳熱介質(zhì)的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)容積式開路空氣吸熱器容積式閉路空氣吸熱器空氣吸熱器優(yōu)點：1）從大氣來，到大氣去；取之不盡，用之不絕；16容積式開路空氣吸熱器工作原理容積式開路空氣吸熱器工作原理www.themegaller17吸熱器結構傳質(zhì)過程吸熱單元SiC實際應用吸熱器結構傳質(zhì)過程吸熱單元SiC實際應用www.themeg18早期西班牙TSA吸熱器金屬密網(wǎng)吸熱金屬密網(wǎng)工作溫度為700℃空氣流經(jīng)金屬密網(wǎng)為層流，換熱較弱。且由于局部過高熱應力限制，工作熱流密度一般為500KW/m2早期西班牙TSA吸熱器金屬密網(wǎng)吸熱金屬密網(wǎng)工作溫度為70019容積式閉路空氣吸熱器特點：加裝透明石英玻璃窗口，提高工質(zhì)工作壓力；增加壓力帶來的湍流強化了換熱，減小系統(tǒng)熱應力，進一步提高了系統(tǒng)換熱效率。塔式高溫化學反應器容積式閉路空氣吸熱器特點：加裝透明石英玻璃窗口，提高工質(zhì)工作20REFOS吸熱器REFOS吸熱器21二級聚光器CPC工質(zhì)流道布置REFOS塔式吸熱組合效果圖二級聚光器CPC工質(zhì)流道布置www.themegallery22DIAPR有壓腔體式吸熱器研制單位：以色列

Weizmann研究所最高加熱空氣溫度：1300℃工作壓力：1.5-3MPa耐受輻射熱流密度：4-8MW/m2熱效率：最高可達80%DIAPR有壓腔體式吸熱器研制單位：以色列Weizmann23主要組件1.耐高溫陶瓷針肋2.耐高壓熔融石英玻璃3.二級聚光器系統(tǒng)主要組件1.耐高溫陶瓷針肋2.耐高壓熔融石英玻璃3.二級聚光24DIAPR的改進空氣氣流組織的優(yōu)化DIAPR的改進空氣氣流組織的優(yōu)化www.themegall25設計依據(jù)單級向多級發(fā)展初級預熱器管道設計依據(jù)單級向多級發(fā)展初級預熱器管道www.themegal26文獻中的數(shù)值模擬工作實物模型幾何尺寸物理模型文獻中的數(shù)值模擬工作實物模型幾何尺寸物理模型www.them27模擬所得速度場漩渦導致繞流空氣流過針肋區(qū)域模擬所得速度場漩渦導致繞流空氣流過針肋區(qū)域www.theme28模擬所得溫度場流體溫度分布空氣沿程被針肋加熱氣流入口處的高溫區(qū)沿程針肋溫度升高固體區(qū)域溫度分布針肋頂端的高溫區(qū)模擬所得溫度場流體溫度分布空氣沿程被針肋加熱氣流入口處的高溫29水蒸汽吸熱器優(yōu)點：水的熱導率高，無毒，無腐蝕，易于輸運，產(chǎn)生的高壓蒸汽可以直接推動氣輪機發(fā)電。技術難點：水蒸汽在高溫時有高壓問題；工作介質(zhì)在吸熱過程中存在兩相流問題；蒸汽的熱容很小，蒸汽段管路易發(fā)生過熱燒蝕。故在實際使用時系統(tǒng)溫度和壓力不能太高。采用水蒸汽吸熱器的系統(tǒng)：SolarOne和西班牙的CESA-1試驗電站，以及世界上第一座塔式太陽能商業(yè)電站，由西班牙Solucar公司建造、并于2007年初投入商業(yè)運行的11MW的PS10電站都采用了水蒸汽式吸熱器。北京電工所王志峰老師的DAHAN塔式電站也采用水蒸汽吸熱器。水蒸汽吸熱器優(yōu)點：水的熱導率高，無毒，無腐蝕，易于輸運，產(chǎn)生30復合吸熱器發(fā)揮空氣吸熱器和水蒸汽吸熱器的共有長處，將兩種吸熱形式結合起來的吸熱器稱為復合吸熱器。在這種復合吸熱器中，管式水蒸汽吸熱器主要用于產(chǎn)生蒸汽，空氣吸熱器產(chǎn)生的高溫氣體對蒸汽進行二次加熱，使蒸汽過熱并驅(qū)動汽輪機發(fā)電。復合吸熱器發(fā)揮空氣吸熱器和水蒸汽吸熱器的共有長處，將兩種吸熱31四、碟式太陽能電站吸熱器四、碟式太陽能電站吸熱器腔體吸熱器的形式JamesA與TerryG在其1985年在SOLARENERGY上發(fā)表的論文中分別研究了圓柱形、平頂錐形、橢圓形、球形以及復合平頂錐形等5種腔式吸熱器的熱性能，研究結果表明，吸熱器腔體的形狀對系統(tǒng)的能量分布有很大的影響，但對吸熱器的熱效率影響很小。腔體吸熱器的形式JamesA與TerryG在其198533韓國能源研究所詳細分析了平頂錐形和半球圓柱復合形的腔式吸熱器的熱性能，計算結果表明平頂錐形比半球圓柱混合形吸熱器的熱性能好。

中國科學院工程熱物理研究所的張春平等也對平頂錐形腔式吸熱器進行了熱性能分析和實驗研究，計算了在各種溫度下各項熱損失所占的比重及吸熱器的總效率，并實驗給出了加熱功率與腔式吸熱器的熱功率的關系，實驗表明，平頂錐形腔式吸熱器具有良好的熱性能。韓國能源研究所詳細分析了平頂錐形和半球圓柱復合形的腔式吸熱器34張春平所建的吸熱器物理模型熱損形式腔體內(nèi)表面對聚焦光的反射熱損失

腔體內(nèi)表面通過采光口的輻射熱損失腔體采光口的對流熱損失

腔體壁面的導熱損失張春平所建的吸熱器物理模型熱損形式腔體內(nèi)表面對聚焦光的反射熱35分析及提出的改進意見1.腔口直徑直接決定著反射熱損失的大??；提高壁面吸收率,以減小反射熱損失；開口面積等于腔體內(nèi)表面積時,反射熱損失最大。2.

壁溫對輻射熱損失影響最大，因此及時將輸入的太陽輻射能由工作介質(zhì)輸出,成為降低壁溫的關鍵。3.

內(nèi)壁平均溫度、腔口直徑、腔內(nèi)平均直徑等決定著對流熱損失的大小。盡可能小的腔口直徑、內(nèi)壁溫度以及合理的腔內(nèi)平均直徑式減少對流熱損失的關鍵，但又受制造條件、焦平面的能流分布及使用所需要腔口直徑等因素的影響，故要綜合考慮。分析及提出的改進意見1.腔口直徑直接決定著反射熱損失的大??；364.

需優(yōu)化腔體保溫材料厚度，在腔體外徑均大于臨界熱絕緣直徑的情況下,增加保溫材料厚度可減小導熱熱損失。5.

吸熱腔體的輻射熱損失、對流熱損失及導熱熱損失隨著腔體內(nèi)表面溫度升高而增大,其中輻射熱損失增幅最大,而反射熱損失與腔體內(nèi)表面溫度無關,只與腔體內(nèi)表面對太陽輻射的吸收率有關。吸熱腔體的熱效率隨著內(nèi)壁溫度升高而降低

。4.需優(yōu)化腔體保溫材料厚度，在腔體外徑均大于臨界熱絕緣直徑37N.SendhilKumar在他ComparisonofReceiversforSolar

DishCollectorSystem和NumericalInvestigationofNatural

ConvectionHeatLossinModifiedCavityReceiverfor

FuzzyFocalSolarDishConcentrator文章中以一個模糊聚焦碟式太陽能集熱系統(tǒng)為例，比較了三種形式的吸熱器性能。經(jīng)比較得出結論是改進型腔體吸熱器的效率最高，熱損最小。

N.SendhilKumar在他Comparisonof38CavitySemi-cavityModifiedcavity改良型腔體吸熱器為最佳選擇

CavitySemi-cavityModifiedcavi39Thankyou！Thankyou！吸熱器研究進展報告

崔福慶，殷欣2009.07.30吸熱器研究進展報告崔福慶，殷欣一、背景介紹

一、背景介紹在太陽能利用系統(tǒng)中，吸熱器組件是實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)化的重要組件，其效率的高低對于系統(tǒng)的效率有著重要的影響。故在太陽能研究中，吸熱器的研究有著重要的意義。吸熱器平板式吸熱器低溫應用中、低溫應用中、高溫應用管式吸熱器腔體式吸熱器在太陽能利用系統(tǒng)中，吸熱器組件是實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)化的重要組件，其效43本課題的關注點：極高溫度、極高熱流密度下的輻射－導熱－對流耦合的復雜傳熱規(guī)律的研究吸熱器主要研究問題吸熱器內(nèi)部的傳熱過程及其強化吸熱器結構的優(yōu)化吸熱器所用新型材料的研究吸熱器新型形式的構建針對本課題的研究重點，主要對中高溫應用的碟式及塔式太陽能熱發(fā)電吸熱器進行了文獻調(diào)研。本課題的關注點：極高溫度、極高熱流密度下的輻射－導熱－對流耦44二、塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)二、塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)定日鏡系統(tǒng)吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的三大組成部分：定日鏡系統(tǒng)吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)定日鏡系統(tǒng)吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的三大46

塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究始于20世紀50年代，由于其巨大的商業(yè)應用前景，吸引了大量的科研人員對其進行研究，一大批塔式電站相繼投入試運行。大量的實驗和運行數(shù)據(jù)證明了塔式電站技術上的可行性，以及具有廣闊的商業(yè)發(fā)電應用前景。塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究始于20世紀50年代，由于其47SolarOne美國EURELIOS意大利CESA-1西班牙80年代塔式太陽能發(fā)電站示范工程SolarOneEURELIOSCESA-180年代塔式太4890年代塔式太陽能發(fā)電站示范工程SolarTwo美國TSA西班牙（圖為TSA的吸熱器）90年代塔式太陽能發(fā)電站示范工程SolarTwoTSAww492000年后塔式太陽能發(fā)電站示范工程PS10西班牙（效果圖）SolarTres西班牙（效果圖）2000年后塔式太陽能發(fā)電站示范工程PS10SolarTr50三、塔式太陽能電站吸熱器三、塔式太陽能電站吸熱器

在各類吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)中，最具商業(yè)化潛力且研究得最多的是：

熔鹽系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、飽和蒸汽系統(tǒng)

在各類吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)中，最具商業(yè)化www52熔鹽吸熱器優(yōu)點：系統(tǒng)無壓運行，安全性提高；傳熱工質(zhì)在整個吸熱、傳熱循環(huán)中無相變，且熔鹽熱容大，吸熱器可承受較高的熱流密度，從而使吸熱器可做得更緊湊，減少制造成本，降低熱損；整個太陽能熱力系統(tǒng)的傳熱、蓄熱可共用同一工質(zhì)，使系統(tǒng)極大的簡化。缺點：熔鹽在高溫時有分解和腐蝕問題。采用熔鹽吸熱器的系統(tǒng)：SolarTwo試驗電站、建設中的SolarTres試驗電站熔鹽吸熱器優(yōu)點：系統(tǒng)無壓運行，安全性提高；傳熱工質(zhì)在整個吸熱53吸熱器熱流回路管外徑和壁厚：20.06mm,1.2mmPyromark

涂料SolarTwo硝酸鹽吸熱器材料：316H不銹鋼吸熱器高和直徑：6.1m,5.2m入口溫度設計為290℃，出口溫度設計為565℃;平均太陽輻射能流密度為430kW/m2時，額定吸收功率為42MW吸熱器熱流回路管外徑和壁厚：Pyromark涂料Solar54反射塔式熔融鹽吸熱器反射塔式熔融鹽吸熱器55空氣吸熱器優(yōu)點：1）從大氣來，到大氣去；取之不盡，用之不絕；不污染環(huán)境；2)沒有因相變帶來的麻煩；3)允許很高的工作溫度；4)易于運行和維護，啟動快，無須附加的保溫和冷啟動加熱系統(tǒng)。

缺點：存在流動不均勻及局部過熱與失效問題采用空氣吸熱器的系統(tǒng)：TSA、SOLAIR-3000、REFOS等以空氣為吸熱與傳熱介質(zhì)的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)容積式開路空氣吸熱器容積式閉路空氣吸熱器空氣吸熱器優(yōu)點：1）從大氣來，到大氣去；取之不盡，用之不絕；56容積式開路空氣吸熱器工作原理容積式開路空氣吸熱器工作原理www.themegaller57吸熱器結構傳質(zhì)過程吸熱單元SiC實際應用吸熱器結構傳質(zhì)過程吸熱單元SiC實際應用www.themeg58早期西班牙TSA吸熱器金屬密網(wǎng)吸熱金屬密網(wǎng)工作溫度為700℃空氣流經(jīng)金屬密網(wǎng)為層流，換熱較弱。且由于局部過高熱應力限制，工作熱流密度一般為500KW/m2早期西班牙TSA吸熱器金屬密網(wǎng)吸熱金屬密網(wǎng)工作溫度為70059容積式閉路空氣吸熱器特點：加裝透明石英玻璃窗口，提高工質(zhì)工作壓力；增加壓力帶來的湍流強化了換熱，減小系統(tǒng)熱應力，進一步提高了系統(tǒng)換熱效率。塔式高溫化學反應器容積式閉路空氣吸熱器特點：加裝透明石英玻璃窗口，提高工質(zhì)工作60REFOS吸熱器REFOS吸熱器61二級聚光器CPC工質(zhì)流道布置REFOS塔式吸熱組合效果圖二級聚光器CPC工質(zhì)流道布置www.themegallery62DIAPR有壓腔體式吸熱器研制單位：以色列

Weizmann研究所最高加熱空氣溫度：1300℃工作壓力：1.5-3MPa耐受輻射熱流密度：4-8MW/m2熱效率：最高可達80%DIAPR有壓腔體式吸熱器研制單位：以色列Weizmann63主要組件1.耐高溫陶瓷針肋2.耐高壓熔融石英玻璃3.二級聚光器系統(tǒng)主要組件1.耐高溫陶瓷針肋2.耐高壓熔融石英玻璃3.二級聚光64DIAPR的改進空氣氣流組織的優(yōu)化DIAPR的改進空氣氣流組織的優(yōu)化www.themegall65設計依據(jù)單級向多級發(fā)展初級預熱器管道設計依據(jù)單級向多級發(fā)展初級預熱器管道www.themegal66文獻中的數(shù)值模擬工作實物模型幾何尺寸物理模型文獻中的數(shù)值模擬工作實物模型幾何尺寸物理模型www.them67模擬所得速度場漩渦導致繞流空氣流過針肋區(qū)域模擬所得速度場漩渦導致繞流空氣流過針肋區(qū)域www.theme68模擬所得溫度場流體溫度分布空氣沿程被針肋加熱氣流入口處的高溫區(qū)沿程針肋溫度升高固體區(qū)域溫度分布針肋頂端的高溫區(qū)模擬所得溫度場流體溫度分布空氣沿程被針肋加熱氣流入口處的高溫69水蒸汽吸熱器優(yōu)點：水的熱導率高，無毒，無腐蝕，易于輸運，產(chǎn)生的高壓蒸汽可以直接推動氣輪機發(fā)電。技術難點：水蒸汽在高溫時有高壓問題；工作介質(zhì)在吸熱過程中存在兩相流問題；蒸汽的熱容很小，蒸汽段管路易發(fā)生過熱燒蝕。故在實際使用時系統(tǒng)溫度和壓力不能太高。采用水蒸汽吸熱器的系統(tǒng)：SolarOne和西班牙的CESA-1試驗電站，以及世界上第一座塔式太陽能商業(yè)電站，由西班牙Solucar公司建造、并于2007年初投入商業(yè)運行的11MW的PS10電站都采用了水蒸汽式吸熱器。北京電工所王志峰老師的DAHAN塔式電站也采用水蒸汽吸熱器。水蒸汽吸熱器優(yōu)點：水的熱導率高，無毒，無腐蝕，易于輸運，產(chǎn)生70復合吸熱器發(fā)揮空氣吸熱器和水蒸汽吸熱器的共有長處，將兩種吸熱形式結合起來的吸熱器稱為復合吸熱器。在這種復合吸熱器中，管式水蒸汽吸熱器主要用于產(chǎn)生蒸汽，空氣吸熱器產(chǎn)生的高溫氣體對蒸汽進行二次加熱，使蒸汽過熱并驅(qū)動汽輪機發(fā)電。復合吸熱器發(fā)揮空氣吸熱器和水蒸汽吸熱器的共有長處，將兩種吸熱71四、碟式太陽能電站吸熱器四、碟式太陽能電站吸熱器腔體吸熱器的形式JamesA與TerryG在其1985年在SOLARENERGY上發(fā)表的論文中分別研究了圓柱形、平頂錐形、橢圓形、球形以及復合平頂錐形等5種腔式吸熱器的熱性能，研究結果表明，吸熱器腔體的形狀對系統(tǒng)的能量分布有很大的影響，但對吸熱器的熱效率影響很小。腔體吸熱器的形式JamesA與TerryG在其198573韓國能源研究所詳細分析了平頂錐形和半球圓柱復合形的腔式吸熱器的熱性能，計算結果表明平頂錐形比半球圓柱混合形吸熱器的熱性能好。

中國科學院工程熱物理研究所的張春平等也對平頂錐形腔式吸熱器進行了熱性能分析和實驗研究，計算了在各種溫度下各項熱損失所占的比重及吸熱器的總效率，并實驗給出了加熱功率與腔式吸熱器的熱功率的關系，實驗表明，平頂錐形腔式吸熱器具有良好的熱性能。韓國能源研究所詳細分析了平頂錐形和半球圓柱復合形的腔式吸熱器74張春平所建的吸熱器物理模型熱損形式腔體內(nèi)表面對聚焦光的反射熱損失

腔體內(nèi)表面通過采光口的輻射熱損失腔體采光口的對流熱損失

腔體壁面的導熱損失張春平所建的吸熱器