摘 要： 介绍了槽式太阳能发电系统的应用与分类，槽式太阳能发电系统分为双回路系统、直接严蒸汽发电(Direct Steam Generation，DSG)系统，对两种系统流程进行了探讨。指出DSG系统主要技术瓶颈集中在接收器，对提高接收器内管(金属管)的热导率、改善接收器周向受热均匀程度、改善内管的润湿性和周向汽液分布的方法进行综述。

    关键词： 槽式太阳能发电系统； 直接产蒸汽发电； 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

能源在国民经济中具有特别重要的战略地位，为了解决能源问题，除大力开展节能、科学用能和化石燃料的清洁高效利用等研究外，还必须加速可再生能源的开发和利用。太阳能发电技术作为低成本的清洁能源技术，是支撑我国国民经济可持续发展的新能源技术之一。世界各国，特别是欧美等发达国家纷纷制定政策，规划推进太阳能利用。较为著名的有欧盟的20％规划，即到2020年可再生能源要占总能耗的20％，其中太阳能发电功率将达15GW，发电量达43 TW·h，2010-2020年的年增长率为31.1％。美国能源部于2008年4月制定了新的5年计划(2008-2012年)，代表了政府在太阳能利用方面的研究、开发、示范和推进的努力。

    我国在2006年科技部颁布实施的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》以及2007年发改委颁布的《可再生能源中长期发展规划》中，均将太阳能利用技术明确列为重点和优先发展的方向。在相关政策推动下，太阳能将在传统的制冷、供热、发电等领域焕发新的生机。太阳能发电是太阳能利用技术的重要方向，是最可能引起能源革命的技术，是实现大功率发电、替代常规能源的最为经济的手段之一。

    由于太阳能的能流密度较低，通常需要经过聚光以提高其能量品位并通过接收器将热量传递给工作介质。根据聚光集热器形式的不同，太阳能发电系统通常分为槽式(焦点处温度为60～300℃)^[1]、碟式(焦点处温度为l00～500℃)^[2]、塔式(焦点处温度为150～2 000℃)3种。其中槽式太阳能发电系统结构简单、造价较低，并可将多个聚光集热器经串、并联排列，构成较大规模的发电系统，因此较早实现了商业化应用。鲁兹(LUZ)公司于1985-1991年在美国加州建成的9座槽式太阳能发电站，总装机容量为354 MW，年发电量达l0.8×10⁸ kW·h。随后西班牙、日本、澳大利亚也相继建成了槽式太阳能发电站。随着技术不断发展，系统效率已由初始的ll.5％提高到l3.6％，单位发电功率造价由5 976美元/kW降至3 011美元/kw，发电成本由26.3美分／(kW·h)降至9.1美分／(kW·h)^[3]。本文对槽式太阳能发电直接产蒸汽发电(Direct Steam Generation，以下简称DSG)技术瓶颈及突破方法进行探讨。

2槽式太阳能发电系统的应用及分类

    槽式太阳能发电系统将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，收集较高温度的热能，加热工作介质，产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。系统包括：聚光集热器(由聚光器、接收器组成)、换热系统、工作介质循环动力设备、汽轮发电机等。聚光集热器的结构见图1。聚光器采用抛物面形，将太阳光反射汇聚到接收器上。接收器由表面镀有太阳选择性膜层的钢管(内管)及玻璃外套管组成，二者之间的空间为真空，以减少传热损失。

槽式太阳能发电系统分为双回路系统(见图2)、DSG(Direct Steam Generation，直接产蒸汽发电)系统(见图3)。

    由图2可知，在双回路系统中，一路为吸热回路，工作介质为导热油；另一路为水、蒸汽回路。聚光器将太阳光反射汇聚到接收器上，加热接收器内流动的导热油。换热系统由3台换热器组成，即预热器、蒸汽发生器、过热器，导热油经换热器将热量传递给水，产生过热蒸汽。过热蒸汽推动汽轮发电机发电，汽轮机排汽经凝汽器凝结成水，重新参与循环，凝汽器冷却水经换热后可用于供热。

   由图3可知，对于DSG系统，太阳光被聚光器反射汇聚到接收器上，透过玻璃外套管到达内管，被内管吸收，水流经内管吸热后依次产生饱和蒸汽、过热蒸汽。发电与汽轮机排汽凝结过程与双回路系统相同。

    DSG系统已成为槽式太阳能发电系统技术的新趋势，这是基于以下优点：DSG系统较双回路系统省去中间换热环节，从而提高了系统效率。具有成本优势，DSG系统不仅节省了油水换热设备，也无需建设导热油防火系统、储油罐等，可节约大量资金，降低造价。

3 DSG技术瓶颈及突破方法

3．1 技术瓶颈

    当前，国内外正在运行的槽式太阳能热发电系统普遍采用双回路系统，仅有少量采用DSG技术。DSG技术未获得大规模推广应用的关键技术瓶颈之一为缺乏高效稳定的聚光集热器，这是由于接收器内为典型的变热流量传热和汽液非均匀分布。由于太阳辐射强度随时间不断发生变化，汇聚在接收器上的热流量随之变化，因此接收器内传热过程为变热流量传热。另外，接收器一侧接收了聚光器汇聚的高密度太阳能，而另一侧只接收未经汇聚的少量太阳能，造成接收器周向热流量极不均匀，已有研究表明接收器两侧吸收的太阳能比约62：1^[4]，所导致的接收器周向温差可达80℃^[5]。由于接收器内发生相变传热，在重力作用下，汽、液在接收器内呈非均匀分布，尤其在分层流条件下，液体仅存在于接收器底部。非均匀流将导致接收器周向存在较大温差，由此引起的热应力易使得接收器发生弯曲形变，导致玻璃外套管破裂或使得接收器偏离聚焦线。因此，接收器这种变热流量传热及非均匀多相流分布已成为DSG技术的关键研究课题。

3．2突破方法

    接收器具有变热流量传热的特性，且是辐射、导热、对流相互耦合的复杂多相流传热^[6-7]，接收器周向温差引起的热应力已成为接收器失效和槽式太阳能发电系统效率下降的主要因素，已经引起国内外学者的高度关注。

    由于接收器的工作压力高达l0 MPa，综合考虑成本、效率、安全等因素，通常采用不锈钢管作为内管，但不锈钢的热导率较低，仅为15～18 W／(m·K)，而铜可达450 W／(m·K)，这易造成接收器周向热流量和汽液分布不均，甚至发生弯曲变形，最终导致玻璃外套管破裂、接收器偏离聚焦线。为了解决这一问题，V．Flores等人^[8]提出了一种双金属结构的接收器内管(见图4)，内层采用具有高热导率的铜以减小管内传热的周向温差，外层采用不锈钢以保证内管的工作强度，研究发现双金属结构的内管周向温差较不锈钢内管显著减小。W．Spirkl等人^[9]在聚光集热器中加入二次反射板，将聚光器汇聚的一部分太阳光反射到接收器的另一侧。加入二次反射板后，接收器周向接收的太阳能较均匀，但增加了太阳光的反射次数，降低了光效率。

 上述两种方法都在一定程度上减小了接收器的周向温差，但由于管内汽液两相的不均匀分布，汽液传热能力不同造成的周向温差依然存在，接收器仍存在发生弯曲变形的可能。因此，应重点改善管内汽液分布。

    M．E．Rojas等人^[10]设计了具有毛细结构吸热壁面的接收器内管，研究表明具有毛细结构内管具有较高的传热性能，这是由于毛细结构的吸液作用增加了内管内壁的润湿性，改变了接收器周向汽液分布，但他们采用的毛细管结构为单一尺度，无法协调液体吸入及蒸汽逸出之问的平衡。

    复合尺度毛细结构早期应用于毛细蒸发装置中，宣益民等人^[11]在毛细蒸发器研究中较早采用了双尺度毛细结构，即外层毛细芯采用热导率高、粒径较小的羟基镍粉烧结而成，形成的小尺度孔径可以增大毛细力吸液；内层采用热导率低、粒径较大的不锈钢粉末制成，以减小液体的流动阻力。他们发现提供毛细力和作为蒸发面的仅是毛细芯最外侧的小薄层，而毛细芯内层仅作为液体流动的通道。这种双尺度毛细结构用于接收器内管，将极大地增强内管的换热能力，减小液体在管内蒸发过程中流动阻力和增大其临界热流量，扩大接收器的工作温度范围。

    T．J．Semenic等人^[12]对采用3种不同粒径铜粉(平均粒径分别为60、300、600μm)烧结而成的单一尺度和复合尺度毛细结构进行了对比研究，发现复合尺度的毛细结构可强化传热。D．H．Min等人^[13]研究了复合尺度毛细结构表面对相变换热的影响，发现复合尺度毛细结构表面既有利于蒸汽的逸出，又有利于液体的吸人，会极大促进相变换热。杜建华等人^[14]对多孔表面进行了开槽研究，发现多孔表面开槽后改变了汽液两相区的逆流流动结构，有利于蒸汽从槽道中逸出，液体从多孔区流向受热面，毛细作用加强，临界热流量提高。复合尺度毛细结构用于接收器内管的突出优势可概括为：强化传热；提高蒸发传热的临界热流量；显著改善多相系统中汽液两相的周向分布，从而改善周向温度分布的均匀性，减小温差带来的热应力损坏。由此可见，复合尺度毛细结构用于接收器内管必将显著提高接收器的传热能力，毛细力的存在将改善管内汽液分布的均匀性，从而改善水平放置接收器的汽液分层现象和部分受热面缺液造成周向温差导致的热应力损坏，改善接收器的传热性能。

   综上所述，目前国内外对高性能接收器的研究均围绕强化传热及减小周向温差展开，主要集中在：采用复合金属材料内管以提高内管壁的热导率，减小内管周向温差；采用二次反射板使得集热管周向热流相对均匀；采用具有单一尺度毛细结构内壁面的内管，以改善管内的润湿性和周向汽液分布。

但已有关于复合尺度毛细结构强化多相流传热的研究工作大都在均匀热流量条件下进行，研究结果无法直接推广到DSG系统的接收器中应用，因此应在这方面加强研究。

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本文作者：安 翔^l，张 伟²

作者单位：1．天津中医药大学第一附属医院；2．华北电力大学可再生能源学院

作者简介：安翔(1978- )，男，天津人，工程师，硕士生，主要从事制冷与空调设备维护工作。

收稿日期：2012-03-26；修回日期：2012-04-08