Renewable Energy | 1 MWₜₕ石英管束式固体颗粒吸热器聚光吸热实验

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原文信息： Yu Yupu, Hu Feng, Bai Fengwu, Wang Zhifeng. On-sun testing of a 1 MWth quartz tube bundle solid particle solar receiver[J]. Renewable Energy, 2022, 193: 383-397. https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.05.036

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中文摘要

固体颗粒吸热器运行温度高，有利于降低太阳能热发电站的成本，因此受到了越来越多的关注。但目前固体颗粒吸热器具有或是结构复杂，或是热性能较差的缺点，亟需一种结构简单，成本较低而且热性能出色的固体颗粒吸热器。本文设计开发了一个1 MWₜₕ 石英管束固体颗粒吸热器，基于北京延庆的大汉塔开展了定日镜场聚光条件下的吸热器实验研究。截止写稿时间，吸热器在定日镜场聚光条件下的运行时间已经超过了100h。实验结果显示，这种吸热器结构对非均匀入射能流具有很强的抗性，即使云遮天气对吸热器结构造成的损坏也很小。在DNI为865 W/m²，上镜数量为59面，颗粒停留时间为351 s时，吸热器出口温度达到了872 ℃。吸热器的最大单位距离温升达到了324 ℃/m。

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英文摘要

Solid particle solar receivers (SPSRs) are receiving increasing attention for the high operation temperature, which offers the potential for reducing the cost of solar thermal power plants. The configurations of previous SPSRs suffer from the barriers of complicated structures and inferior thermal performances. There is an urgent demand to develop a SPSR lumped of a simple configuration, a lower cost and superior thermal performances. In this paper, a quartz tube bundle SPSR with a thermal power capacity of one megawatt was designed and developed. On-sun tests were conducted based on a solar power tower plant and the total on-sun operation time has exceeded 100 hours until the writing of the paper. The experimental results show that the receiver configuration has strong resistance to the non-uniform incident irradiances, even to the transient overcast sky condition. The maximum outlet temperature of 872℃ was obtained with 59 heliostats in operation, direct normal irradiance of 865W/m² and residual time of 351 seconds. The maximum temperature increase per length reached 324℃/m.

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主要结果

聚光实验平台基于北京延庆中科院电工所太阳能热发电站，如图 1所示，镜场由100面定日镜组成，每面镜子的有效反射面积为100 m ² 。如图片2所示为石英管束式固体颗粒吸热器，吸热器的安装高度为92 m。

图1. 北京大汉电站定日场与吸热塔示意图

图2. 石英管束式固体颗粒吸热器连接图(下)与实物图(下).

代表性实验结果如图3~图5所示。图5中第13次的实验结果显示固体颗粒出口温度达到了872 ℃，此时DNI为865 W/m²，所使用定日镜的数量为59面，颗粒停留时间为351 s。

图3 吸热器聚光吸热实验照片

图4 吸热口红外热像仪图

图5 吸热器22次聚光吸热实验结果汇总

图6为定日镜场运行数据，图 7为实验结束之后的吸热器照片，实验结束之后未发现吸热器有明显损坏，表明这种吸热器抗热震性高，对投入能流的变化不敏感。从图7还可以看出，实验前后吸热器的主要变化是石英玻璃管的颜色发生了改变，可能影响吸热器的热性能。颜色改变的原因是灰尘粘在了石英管内壁上，这一层灰尘的厚度很小，穿过灰尘的太阳辐射会被颗粒直接吸收，被灰尘吸收的太阳辐射会通过热的方式传递给固体颗粒，因此灰尘对吸热器热性能的影响主要在于灰尘对太阳辐射的反射作用。

图6 定日镜场运行数据

图7 实验结束之后固体颗粒吸热器照片

通过分光光度计测量了石英玻璃管颜色变化前后的光谱透过率τ和光谱反射率ρ，如图8所示，300~500nm波段的光谱反射率变化较小，并在641nm处增大到了最大值0.14。颜色改变之后石英管的太阳波段的光谱平均反射率为0.10，比颜色改变之前增大了0.04。石英玻璃管的反射率增大除了降低吸热器光学效率之外，还可以减少颗粒自身热辐射的穿透石英管的辐射热损。因此，减小的颗粒辐射热损可以补偿一部分增大的光学损失，石英管颜色改变对吸热器的综合影响效果需要更深入的分析，本文不再研究。采用酸洗的方法可以经济有效地清理石英管。此外，保持颗粒循环系统的清洁也有利于防止石英管颜色发生改变。

图 8 石英玻璃管颜色变化前后的光谱透过率和光谱反射率

如图9所示，颗粒停留时间越长，颗粒温升速率越低，表明颗粒停留时间延长之后升温速率越来越慢。这是由于颗粒停留时间长时，对应的输出颗粒温度一般更高，因此散热较大，使颗粒的升温速率降低。

图9 颗粒温升速率随颗粒停留时间的变化规律