塔式太阳能吸热器
Central Receiver

塔式太阳能热发电是把太阳光能转换成热能发电的装置,采用多个平面反射镜来会聚太阳光照射吸热器,会聚的太阳光使吸热器达到很高的温度,传热流体通过吸热器加热,传热流体再加热水成为水蒸气,水蒸气推动蒸汽轮机做功发电。

反射太阳光的平面反射镜称为定日镜。图1是一个塔式太阳能集热系统的示意图。

塔式太阳能热发电集热系统
图1  塔式太阳能热发电集热系统示意图

塔式吸热器的工作温度很高,体积大。根据采用的导热介质不同而不同,目前主要有外置式吸热器(外部受光)与腔式吸热器目前广泛应用的是外置式吸热器,本课件仅介绍外置式吸热器。

1. 管式吸热器

管排式吸热器将多个吸热管布置在吸热器外圆周,属于外置式吸热器,也称为表面式吸热器

1.1 管式吸热器基本原理

图2是管式吸热器示意图,若干吸热管排成圆筒状,每根管上端接集箱、下端接集箱,所有吸热管通过集箱并联,吸热管表面涂覆吸热材料。上联箱与下联箱外有保温层与外壳(图中未表示)。传热流体从下集箱进入通过吸热管从上集箱流出,会聚的阳光加热吸热管,传热流体也就被加热了。

塔式太阳能管式吸热器吸热器示意图
图2  管式吸热器吸热器示意图

图3是管式吸热器剖面示意图,橙色是传热流体,箭头表示传热流体的流向。

塔式太阳能管式吸热器传热流体流向
图3  管式吸热器传热流体流向

目前管式吸热器应用最广泛,实际结构要复杂些,下面介绍一个管式吸热器模型的基本结构。

1.2 管式吸热器结构与组成

吸热器由多个管屏围成圆筒形组成,模型吸热器有16个管屏。图4右图是单个管屏的结构。管屏由多个吸热管(为显示清晰本例仅11根)排在一起组成,吸热管下端联通到下集箱,直管上端联通到上集箱。下联箱有传热流体输入管口,上联箱有传热流体输出管口,11根吸热直管为并联。

图4左图是管屏的结构图。

管式吸热器的管屏
图4  管式吸热器的管屏

多根吸热管密集排列,为焊接加工等工艺要求,分为前面与背后两排安装到集箱上,见图5

吸热器管屏局部放大图
图5  吸热器管屏局部放大图

图6是16个管屏组成的吸热器,左图是俯视图,可看到16个管屏围成圆周,组成圆筒形,右图就是圆筒形的管式吸热器。

塔式太阳能热发电的管式吸热器
图6  塔式太阳能热发电的管式吸热器

图7是16个管屏的连接示意图,这是一张俯视图。4个管屏为一组,分为4组。
西北方4个管屏W1,W2,W3,W4为一组;东南方4个管屏E5,E6,E7,E8为一组;2组相连组成一个回路,管道为橙色。东北方4个管屏E1,E2,E3,E4为一组;西南方4个管屏W5,W6,W7,W8为一组;2组相连组成一个回路,管道为紫色。

管式吸热器管屏连接示意图(圆周排列)
图7  管式吸热器管屏连接示意图(圆周排列)

图8是一个回路8个管屏按直线排列连接的示意图

管式吸热器管屏连接示意图(直线排列)
图8  管式吸热器管屏连接示意图(直线排列)

以上仅是一个管式吸热器的例子。吸热器管屏的数量,排列组合方式都根据设计决定。管式吸热器采用的传热流体一般是熔融盐,热容量大,传热快,流动性好。

吸热器背面还要设置电伴热装置保温隔热层。电伴热装置保证集热系统开始运作时,传热流体能正常流动。

吸热器要配进口冷盐罐,用来存储一定容积的冷盐,确保吸热器熔盐有稳定的流量。吸热器还要配出口热盐罐,用来存储一定容积热盐,利用静压向热盐罐输送热盐。

2. 翅管式吸热器

图9展示翅管式吸热器的2个管屏,整个吸热器有4个管屏。管屏不用密集的排管,空出部分安装翅片(吸热板),翅片是导热良好的耐热金属,紧密焊接在吸热管上,吸热管与翅片涂覆吸热材料。会聚的阳光加热翅片与吸热管,管内的传热流体也就被加热了。

翅管式吸热器的2个管屏
图9  翅管式吸热器的2个管屏

图10是4个管屏组成的吸热器。4个管屏可串联,可并联,可串并结合。

塔式太阳能热发电的翅管式吸热器
图10  塔式太阳能热发电的翅管式吸热器

翅管式吸热器的优点是可做成倒圆台形,减小入射光的角度,并不会从管间露光线。在相同高度的吸热器,圆台形有较大的吸热面积,可减小入射光溢出的现象。

3. 其他形式

下面介绍的塔式太阳能热发电吸热器结构供参考。

3.1 螺旋盘管吸热器

对于简单的场合与流动性好的工作介质,也可用简单的结构,就是螺旋盘管,见下图。螺旋盘管加热路径长、无接头、机构简单,适合高压高速流动的工作介质。

塔式太阳能热发电的螺旋盘管吸热器
图11  塔式太阳能热发电的螺旋盘管吸热器
 
3.2  热管式吸热器

如同普通太阳能集热器一样,塔式接收器也可采用热管式的,下面是热管式接收器示意图。不同的是这是高温热管,热管下部分是吸热段,焊有翅片(吸热板),是接受阳光的区域;热管上部分是放热段,也焊有翅片,是把热量传送给工作介质的地方,翅片加大热管的传热面积,所有热管放热段均密封在联箱内。

塔式太阳能热发电的热管式吸热器
图12  塔式太阳能热发电的热管式吸热器

热管内用钠或钾或锂或相关合金等,利用其熔液的蒸发相变来传热。传热流体可直接用水。

4. 参考资料

在上面“1.2 管式吸热器结构与组成”介绍了基本结构,实际吸热器是一个庞大又复杂的设备,大型吸热器直径超20米,高达30米。吸热器要配进口冷盐罐与出口热盐罐,管屏与罐体都要安装在吸热器的框架上,熔盐进出管道、管屏间连管靠框架固定。管屏的电伴热装置与保温隔热层靠框架固定,辅助的泵与阀门,管道的压力测量与管屏温度测量需要安装许多传感器,各种电缆管线要敷设在框架上。在吸热器顶部还安装有维修用的吊臂。

美国通用电气公司GE的一篇资料里的宣传图片,见图13

图13  GE公司的大型吸热器剖视图

在这张剖视图中,可看到复杂的内部结构。

图14也是GE公司宣传图片。

图13  GE公司的聚光太阳能吸热器

左图是吸热器剖视图,右图是吸热器外观图。

 
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