太阳能热发电原理及技术 9787512332980

Table of contents :
前言
目录
第一章 能源概述
第一节 能量与能源
第二节 能源的作用和地位
第三节 能源与环境
第四节 能源的可持续发展
第五节 可再生能源概述
参考文献
第二章 太阳和太阳能
第一节 有关太阳的基本知识
第二节 辐射光谱和太阳常数
第三节 太阳能资源
第四节 太阳能利用
参考文献
第三章 太阳能热发电系统现状与发展趋势
第一节 太阳能热发电技术现状
第二节 太阳能热发电设备与发展趋势
参考文献
第四章 太阳能热发电的热力学基础
第一节 热力学基本概念及基本定律
第二节 能量转换系统的热力学分析方法
第三节 应用于太阳能热发电技术的热力循环
第四节 太阳能热发电循环的热力学优化分析
参考文献
第五章 太阳能聚焦热发电系统的类型和组成
第一节 太阳能槽式热发电系统
第二节 太阳能塔式热发电系统
第三节 太阳能碟式热发电系统
第四节 集成式太阳能热发电系统
参考文献
第六章 太阳能聚焦热发电系统的聚光装置
第一节 太阳能聚光基本原理
第二节 太阳能槽式聚焦集热装置
第三节 塔式太阳能聚焦集热装置
第四节 太阳能碟式聚焦集热装置
参考文献
第七章 太阳能聚焦热发电系统的蒸汽发生器
第一节 概述
第二节 壳管式换热器的设计计算方法
第三节 壳管式换热器的选用
第四节 蒸汽发生器的热力计算
第五节 蒸汽发生器的压降计算
参考文献
第八章 太阳能聚焦热发电系统的运行和控制
第一节 概述
第二节 太阳能镜场跟踪控制
第三节 太阳能槽式聚焦热发电系统的运行和控制
第四节 塔式太阳能聚焦热发电系统的运行和控制
第五节 碟式太阳能聚焦热发电系统的运行和控制
参考文献
第九章 太阳能热气流发电技术
第一节 太阳能热气流发电概述
第二节 太阳能热气流发电系统的热力分析与设计
第三节 太阳能热气流发电系统的涡轮机
第四节 太阳能热气流发电系统的导流筒
第五节 太阳能热气流发电系统的集热棚
参考文献
第十章 太阳能热发电系统的蓄热
第一节 蓄热基本原理
第二节 蓄热材料
第三节 典型的太阳能聚焦热发电系统的蓄热系统
参考文献
第十一章 太阳能热发电系统的技术经济分析
第一节 技术经济分析的基本原理
第二节 太阳能聚焦热发电系统的技术经济分析
第三节 太阳能热气流发电系统的技术经济分析
参考文献

Citation preview

太阳能热发电 原理 及技术 黄素逸 黄晓明

黄树红 张燕平

况 中 向愈/ 以版 社

CHINA ELECTRIC POWER PRESS

许国良 李建兰

王晓墨 维茎 杨 涛弼者

内容提要

O

能源是国民经济的基础，在社会可持续发展中起 着举足轻重的作用。为了实现 低碳能源和低碳经济的目标，必须大力发展可再生能源，其中太阳能利用则起着举 足轻重的作用。本书全面介绍了有关太阳能热发电的原理和相关技术，包括太阳和 太阳能、太阳能热发电系统现状与发展趋势、太阳能热发电的热力学基础、太阳能 聚焦 热发电 系统的类型和组成、太阳能聚焦热发电系统的聚光装置、太阳能聚焦热 发电 系统的蒸汽发生器、太阳能聚焦热发电 系统的运行和控制、太阳能热气流发电 技术、太阳能热发电 系统的蓄热、太阳能热发电系统的技术经济分析等。书中包括 作者在太阳能热发电方面多年的研究成果。 本 书除可供有关科研人员和工程技术人员参考外，还可作为高等学校能 源动力 类专业的教学参 考书。

图书在版编目（CIP）数据 太阳能热发电原理及技术/黄素逸，黄树红编著 .—北京：中 国电力出版社，2012.7 ISBN 978-7-5123-3298-0

I.

M

田.

n.

能发电-研究

TM615

中国版本图书馆 CIP 数据核字（2012）第 158782 号

中国电力出版社出版、发行 //www.cepp.sgcc.com.cn） （北京市东城区北京站西街 19 号 100005 http： 北京盛通印刷股份有限公司印刷 各地新华书店经售 *

2012 年 8 月第一版

2012 年 8 月北京第一次印刷

787 毫米 X1092 毫米 16 开本 31 印张 706 千字 印数 0001—3000 册

定价 95.00 元

敬 告读者

本书 封底贴有防伪标签，刮开涂层可查询真伪 本书如有印装质量问题，我社发行部负责退换

版 权专有

翻 印必究

太阳能热发电原理及技术

能源 是国民 经济的 命脉，与人民 生活和 人类的 生存环境休戚 相关，在社会 可持续

发展中起 着举足 轻重的作用。 为了 实现低 碳能源 和低碳 经济的 目标，必 须大力 发展可 再生 能源，其中太 阳能利 用则起 着举足 轻重的 作用。

太阳 能热发 电技术 由于能 实现大 规模的 太阳能 利用，近几 年得到 了迅速 发展， 而

目前 国内尚 缺乏有 关太阳 能热发 电方面 的专门 书籍，为此 作者根 据多年 来在太 阳能热

发电方 面做的 工作，编写 此书，其 初衷是 促进我 国太阳 能利用 事业的 发展。 书中全 面介绍 了有关 太阳能 热发电 的原理 和相关 技术，书 中 包括作 者在太 阳能热

发电方 面多年 的研究 成果，如 蒸汽发 生器的 设计、蓄热 器的设 计等。 此外，有 关太阳

能热气 流发电 技术、太 阳能热 发电系 统的运 行和控 制都是 相关书 籍中很 少涉及 过的。 为适应 不同读 者群的 需要，本 书在取 材上力 求资料 新颖、 涉猎 面广，以 便为读 者提供 更 多有关 太阳能 热发电 的最新 信息。 同时，叙 述上力 求通俗 易懂。

本书是 作者研 究团队 的集体 成果。 其中，第 一章由 黄素逸 撰写，第 二章和 第七章

由 王晓墨 撰写，第三 章由黄 树红、李建兰 撰写，第 四章由 黄晓明 撰写，第五章 由张燕 平 撰写，第六章 由杨涛 撰写，第八 章由张 燕平、 黄树红 撰写，第 九章由 许国良 撰写，

第 十章由 李建兰 撰写，第十一 章由黄 素逸、 许 国良、 张燕平 撰写。 全 书由黄 素逸统

稿。由于作 者水平 所限，且太 阳能热 发电技 术发展 迅速，创新 不断，书 中若有 疏漏和

不妥 之处，恳请读 者批评 指正。 作者 衷心感 谢华中 科技大 学太阳 能热气 流发电 研究团 队为本 书提供 的宝贵 资料。

进入 21 世纪，由 于科学 技术的 发展，一个 清洁能 源时代 将随之 到来，世 界将变 得更加 美好。

作

者

2012 年 3 月于 华中科技大学

太阳能热发电原理及技术

二八

—

刖百

蹑 第一章

能 源概述

第一节

能量与能源

第二节 能源的作用和地位 第三节 能源与环境 第五节

可再生能源概述

29 56

第二章

太阳和太阳能

58

第一节

有关太阳的基本知识

58

第二节

辐射光谱和太阳常数

60

第三节

太阳能资源

67

第四节

太阳能利用

71

90

第三章

太阳能热发电 系统现状与发展趋势

91

91

第二节 太阳能热发电设备与发展趋势

112

参考文献

117

第四章

太阳能热发电的热力学基础

119

第一节 热力学基本概念及基本定律

119

第二节 能量转换系统的热力学分析方法

126 129

第三节 应用于太阳能热发电技术的热力循环 第四节 太阳能热发电循环的热力学优化分析 参考文献 蜂

13 23

第一节 太阳能热发电技术现状

除

8

能源的可持续发展

参考文献 柬

1

第四节

参考文献 修

1

第五章

太阳能聚焦热发电系统的类型和组成

157 172 174

第一节

太阳能槽式热发电系统

174

第二节

太阳能塔式热发电系统

186

第三节

太阳能碟式热发电系统

197

第四节

集成式太阳能热发电系统

204

213

参考文献 御 第六章

太阳能聚焦热发电系统的聚 光装置

第一节

太阳能聚光基本原理

第二节

太阳能槽式聚焦集热装置

第三节

塔式 太阳能聚焦集热装置

第四节

太阳能碟式聚焦集热装置

第七章

太阳能聚焦热发电系统的蒸汽发生器

第一节

概述

第二节 壳 管式换热器的设计计算方法 第三节 壳管式换热器的选用

诃

第四节

蒸汽发生器的热力计算

第五节

蒸汽发生 器的压降计算

参考文献 第八章

216 220 231 244

254

参考文献 战

216

太阳能聚焦热发电系统的运行和控制

257 257 262 266 270 278 291 292

第一节

概述

292

第二节

太阳能镜场跟踪控制

293

第三节 太阳能槽式聚 焦热发电系统的运行 和控制

300

塔式太阳能聚焦热发电系统的运行和控制

316

第五节 碟式太阳能聚焦热发电系统的运行 和控制

324

参考文献

334

第四节

第九章 太阳能热气流发电技术 第一节

太阳能热气流发电概述

第二节 太阳能热气流发电系统的热力分析与设计

338 338 343

第四节 太阳能热气流发电 系统的导流筒 第五节 太阳能热气流发电 系统的集热棚

358 366 393

参考文献

411

第三节

监 第十章

太阳能热气流发电 系统的涡轮机

太阳能热发电系统的蓄热

第一节 蓄热基本原理 第二节

蓄热材料

415 415

420

第三节 典型的太阳能聚焦热发电系统的蓄热系统

441

参考文献

456

修

第十一章

太阳能热发电 系统的技术经济分析

458

第一节

技术经济分析的基本原理

458

第二节

太阳能聚焦热发电 系统的技术经济分析

473

第三节

太阳能热气流发电 系统的技术经济分析

484

参考文献

487

一、能量

物质、能量和信息是构成客观世界的基础。科学史观认为，世界是由 物质构成的，没 有 物质，世界便虚无缥缈。运动是物质存在的形式，是物质固有的属性。没有运动的物质

正如没有物质的运动一样是不可思议的，能量则是物质运动的度量。由于物质存在各种不

同的运动形态，因此能量 也就具有不同 形式。信息则是客观事物和主观认 识相结 合的产 物，没有 信息，物质和能量既无从认识，也毫无用处。

宇宙间一切运动着的物体都有能量的存在和转化。人类一切活动都与能量及其使用紧

密相关。所谓能量，广义地说，就是“产生某种效果（变化）的能力”。 反过来说，产生某种

效果（变化）的过 程必然伴随着能量的消耗或转化。例如，要使物体沿某一方向移动一定的

距离后[M]，就需要消耗一定的功，若推动物体的力为户 [N] , 则所 消耗的功为w

=

声 • E [J] , 也就是说需要消耗 W = F^S 的能量才能产生上述效果。又 如要使质量为 m

[kg]的物体从静止状态加速到速度为d[m/s], 则要 消耗得 /nd [J] 的能量；加热质量为 司:kg] 的水，使其 温度由 9 升高到 4 ，则 耗能为 树（72一4），C 为水的 比热容 [J/（kg.℃）]；同样，移动T C] 电 荷跨越 电位差 U（V）时，也 要消耗 qU（J） 能量。

科学史观还认为，物质是某种既定的东西，既不能被创造也不能被消灭，因此作为物

质属性的能量也一样不能创造和消灭。能量和物质质量之间的关系是爱因斯坦于 1922 年 揭示的，即

E = me2

（IT）

式中：E 为物质 释放的 能量，J；m为 转变为 能量的 物质的 质量，kg；c 为 光速，3X 108m/so 式 （1-1） 表示的是一个可逆过程，其前提是质量和能量的总和在 任何能量的转 换过程中都必须保持不变。

在国际单位制中，能量的单位、功及热量的单位通常都用焦（J）表示，而单位时间内 所做的功或吸收（释放）的热量则称之为功率，单位为瓦（W）。因为在能量的转换和使用中 焦 和瓦的单位都 太小，因此更 多的是 用千焦（kJ）和千瓦（kW）, 或兆焦（MJ）或兆瓦 （MW）。在能源研究中还 会用到更大的单位，如 GW, TW 等。能源利用中常用的国际制

1

f

厂

太阳能热发电原理及技术

的词冠见表 1-1

O

能源 中常用的国际 制词冠

表 1-1 幕

词冠

国际代号

中文代号

幕

词冠

国际代号

中文代号

1018

艾可萨 （cxa）

E

爱

106

兆 (mega)

M

兆

1015

拍它 (peta)

P

拍

103

千 (kilo)

K

千

1012

太拉 (tera)

T

太

102

百 (hecto)

h

百

109

吉珈 (giga)

G

吉

10

十 (deca)

da

十

在工程应用和一些有关能源的文献中，还会见到其他一些单位，如卡、大卡、标准煤

当量、标准油当量、百万吨煤当量 （Mtce）、百万吨油当量 （Mtoe） 等。它们与国际单位 之间的关系是：1 卡 =4.186 焦；1 公斤标准煤当量 （kgce） =7000 大卡；1 公斤 标准油 当量 （kgoe） =10 000 大卡。据此即可对有关数据进行换算。

二、能量的形式 作为一个哲学上的概念，能量是一切物质运动、变化 和相互作用的度量。具体而言， 能量 反映了一个由 诸多物质构成的系统同外界交换功 和热的能力的大小。利用能量从实质

上讲就是利用自然界的某一自发变化的过程来推动另一人为的过程。例如水力发电就是利 用水会自发地从高处流往低处的这一自发过程，使水的势能转化为 动能，再推动水轮机转 动，水轮机又带动发电机，通过发电机将机械能转换为电能供人类利用。显然，能量利用 的优劣，利用效率的高低与具体过程密切相关，而且利用能量的结果必然和能量系统的始 末状态相联系。例如，水力发电系统通过消 耗一部分水能来获得电能，系统的始末状态

（如水位、流量等） 都发生了变化。 对能量的分类方法没有统一的标准，到目前为止，人类认识的能量有如下 6 种形式。

1. 机械能 机械能是与物体宏观机械运 动或空间状态 相关的能量，前 者称为 动能，后者称为势

能。它们都是人类最早认识的能量形式。具体而言，动能是指系统（或物体） 由于做机械

运动而具有的做功能力。如果质量为根 的物体的运动速度为 小 则该物体的动能 J 可以 用式 （1-2） 计算 ，即

Ek

=

卷?m? 乙

（1-2）

势能与物体的状态有关，除了受重力作用的物体因其位置高度不同而具有所谓重力势

能外，还有弹性势能，即物体由于弹性变形而具有的做功本领；以及所谓表面能，即不同

类物质或同类物质不同相的分界面上，由于表面张力的存在而具有的做功能力。重力势能

耳 可以用式 （1-3） 计算，即 耳 = mgH 式中：m为物体的质量；g 为重力加速度；H 为高度。 弹性势能 Et 的计算式为 =

2

0

丘之

（1-3）

(1-4)

第一章 能 源概述

式中：% 为物体的弹性 系数；Z 为物体的变形量。

表面能 E,可用下式计算：

Es= aS

（1-5）

式中：o为表 面张力 系数；S 为相界面的 面积。

2. 热能 热能是能量的一种基本形式，所有其他形式的能量都可以完全转换为热能，而且绝大 多数的一次能源都是首先经过热能形式而被利用的，因 此热能在能量利用中有重要意义。 构成物质的微观分子运 动的动能和势能的总和称为热能。这种能量的宏观表现是温度的高

低，它反映了分子运动的激烈程度。通 常热能 Eq 可 表述成 如下的形式，即

Eq = Tds

（1-6）

式中：丁为 温度；ds 为嫡增。 3. 电能 电能是和电子流 动与积累有关的一种能量，通 常是由电池中的化学能转换而来，或是

通过发电机由机械能转换得到；反之，电能也可以通过电 动机转换为机械能，从而显示出 电做功的本领。如果驱动电子流动的电 动势为 U, 电流强度为 /, 则其电能旦可表述为

Ee=UI

（1-7）

4. 辐射能 辐射能是物体以电磁波形式发射的能量。物体会因各种原因发出辐射能，其中从能量

利用的角度 而言，因热的原因而发出的辐射能 （又称热辐射能） 是最有意义的，例如地球

表面所接受的太阳能就是最重要的热辐射能。物体的辐射能 4 可由式 （1-8） 计算，即 及=

孙（斋）4

（1-8）

式中：f 为物体的发射率；。 。为黑体辐射系数；T 为物体的绝对温度。

5. 化学能 化学能是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量。按化学热力学 定义，物质或物系在化学反应过 程中以热能形式释放的内能成为化学能。人类利用最普遍 的化学能是燃烧碳和氢，而这两种元素正是煤、石油、天然气、薪柴等燃料中最主要的可

燃元素。燃料燃烧时的化学能通常用燃料的发热值表示。

单位质量 （对固体、液体燃料） 或体积（气体燃料） 完全燃烧，且燃烧产物冷却到燃 烧前的温度时所放出的热量称为燃料的发热量 （发热值或热值）， 单位为 kj/kg 或 kj/n?。 应用上又将发热量分为高位发热量和低位发热量。高位发热量是指燃料完全燃烧，且燃烧 产物中的水蒸气全部凝结成水时所放出的热量；低位发热量是燃料完全燃烧，而燃料产物 中的水蒸气仍以汽态存在时所放出的热量。显然，低位发热量在数值上等于高位发热量减

去水的汽化潜热。由 于燃烧设备，如锅炉中燃料燃烧时，燃料中原有的水分及氢燃烧后生 成的水均呈蒸汽状态随烟气排出，因此低位发热量接近实际可利用的燃料发热量，所以我

3

八

太阳能热发电原理及技术

国在热力计算中均以低位发热量作 为计算 依据。表 1-2 为各 种不同燃料低位发热 量的概

-

略值。 表 1-2

各种不同燃料低位发热量的 概略值

材 煤煤煤

炭炭块

液 体燃料

气 体 燃 料

木焦焦

加工的固体燃料（MJ/kg）

木 泥褐烟

天然固体燃料 （MJ/kg）

13.80 15.89 18.82 27.18

29.27 28.43 26.34

天然液 体燃料（MJ/kg）

石 油（原油）

41.82

加工成的液 体燃料（MJ/kg）

汽 油 液化石油气 油 煤 油 重 焦 油 苯 甲 苯 酒 精

45.99 50.18 45.15 43.91 37.22 40.56 40.14 26.76

天然气体燃料（MJ/n?）

天然气

37.63

焦 炉煤气 高 炉煤气 发生炉煤气 水煤气

18.82 3.76 5.85 10.45 37.65 125.45

加工成的气体燃料 （MJ/n?）

丁烷气

6. 核能 核能是蕴藏在原子核内部的物质结构能。轻质量原子核（笊、瓶等） 和重质量原子核

（铀等） 的核子之间的结合力比中等质量原子核的结合力小，这两类原子核 在一定 的条件

下可以通过核聚变和核裂变转 变为在自然界更稳定的中等质量原子核，同时释放出巨大的 结合能。这种结合能就是核能。由于原子核内部的运 动非常复杂，目前还不能给出核力的 完全描述。但在核裂变 和核聚 变反应中都有 所谓的 “质量亏 损”， 这种质量和能量 之间的 转换完全可以用式 （卜1） 来描述。

三、能源的分类 《大英百 能源可简单地理解 为含有能量的资源。对于能源 常常有不同的 表述。例如，

科全书》对能源一词的解释为 “能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类 采用适当的转换手段，给人类自己 提供所需的能量”。 在现代汉语词典中，对能源的注解 是 “能 够产生能量的物质，如燃料、水力、风力等”。总之不 论何种表述其内涵都是基本

相同的，即能源就是能量的来源，是提供能量的资源，这些 来源或资源，要 么来自 物质, 要 么来自 物质的运动，前者如煤炭、石油、天然 气等有 机燃料 （又称化石燃料）， 后者如

水流、风流、海浪、潮汐等。

4

-

.

第一章 能 源概述

岑著上

’
>^

L— 一

一

///////////

图 M9

〃

理想山脊上风速变化情况

37

八

太阳能热发电原理及技术

2・ 风力机 对环境 的影响

如果不考虑风能利用中由于所采用材料 （如钢铁、水泥等） 在生产过程中对环境的污 染，通常认为风能利用对环境是无污染的。但是，由于人们对环境的要求越来越高，及环

境保护的含 义越来 越广，因此在风能利用中也必须考虑风力机对环境的影响，这种影响反 映在以下几个方面。 （1）风力机的噪声。风力 机产生的噪声包括机械噪声和气动噪声，分析 表明，风轮直

径小于 20m 的风机，机械噪声是主 要的；当风轮直径更大时，气动噪声就成为主要的噪

声。噪声会对风力 机设置处的居民产生一定的影响，特别是对人口稠密地区 （例如荷 兰）， 噪声问题更加突出 ，因此应采取各 种技术措施来 减少风力机的噪声。 （2）对鸟类的伤害。风力 机的运行常常会对鸟类造成伤害，如鸟被叶片击落。大型风

力 场也影响附近 鸟类的 繁殖和栖息。虽然许多研究 表明上 述影响 不大，但 对一些 特殊地 区，例如鸟类大规模迁徙的路线上，应充分考虑对鸟类的影响，在选址上予以避开。

（3）对景观的影响。风力机或因其庞大，或因其数量多（大型风电场风力机可多达数

百台）， 势必对视觉景 观产生 影响。对人口稠密 和风景 秀丽区域更是如此，对这一问题,

处理得好，会产生正面影响，使风力机变 为一个景观；而处理不好，则会产生严重的负面 效应。因此，在风景区和文化古迹区，安装风力 机尤应慎重。 （4）对通信的干扰。风力机运行会对电磁波产生反射、散射和衍射，从 而对无线通信

产生某种干扰。在建设大型风力场时应考虑这一因素。

二、地热能 （一） 地球的内部构造

地球本身就是一座巨大的天然储热库。所谓地热能就是地球内部蕴藏的热能。有关地

球内部的知识是从地球表面的直接观察及钻井的岩样和火山喷发、地震等资料推断而得到 的。根据现在的认识，地球的构成是这 样的：在约 2800km 厚的铁一镁硅 酸盐地幔上有一

薄层 （厚约 30km）铝一硅酸盐地壳；地幔下面是液态铁一银 地核，其内还 含有一 个固态 的内核。在 6

70km 厚的表层地壳和地幔之间 有个分界面，通常称为莫霍不连续面。莫

霍界面会反射地震波。从地 表到深 100

200km 为刚性较大的岩石团。由于地球内圈和外

圈之间存在较大的温度梯度，因此其间有 黏性物质不断循环。

大洋壳层厚约 6

10km, 由玄武岩构成，大洋壳 层会延 伸到大陆壳层下面。大陆壳

层则是由密度较小的钠钾铝一硅 酸盐的花岗石组成，典型厚度约为 35km, 但是在 造山地 地壳 带其厚度 可能达 和地幔最简单的模型如图 1-20

所示。地壳好像一个 “筏” 放

在刚性岩石圈上，岩石圈又漂 浮在黏 性物质构成的 软流圈 上。由 于软流圈中的 对流作

用，会使大陆壳 “筏” 向各个 图 1-20

38

地壳 和地幔模型的示意图

方向 移动，从而会导致某一大

第一章

能 源概述

.
太阳能热发电原理及技术

中国主要地热资 源概况

表 1-17

已查明资源 地

区

面积 (km2)

可采量 ( X 1012kJ)

折合 标准煤 (X h)

京

174

1516

51. 72

天

津

385

3339. 8

113. 90

河

北

9240

83 638

2835. 66

4. 83

59

2. 02

北

辽 安

徽

4. 12

9. 5

0. 33

福

建

20. 89

190

6.49

江

西

4. 38

19. 1

0. 66

山

东

125. 70

396

10. 11

湖

北

9. 92

66. 5

2. 27

湖

南

13. 50

103. 3

3.52

广

东

8. 73

57.2

1.95

云

南

107. 73

4646. 1

90. 28

西

藏

35. 87

512.5

17. 48

陕

西

11.85

27. 6

0. 94

青

海

L00

15.8

0. 54

地质学上常把地热资源分为蒸汽型、热水型、干热岩型、地压型、岩浆型五大类。 (1) 蒸汽型。蒸汽型地热田是最理想的地热资源，它是指以温度 较高的 干蒸汽或过热

蒸汽形式存在的地下储热。形成这种地热田要有特殊的地质结构，即储热流体上部被大片 蒸汽覆盖，而蒸汽又 被不透水的岩层封闭包围。这种地热资源最容易开发，可直接送人汽 轮机组发电，可惜蒸汽型 地热田很少，仅占已探明地热资源的 0.5%。 (2) 热水型。它是指以热水形式存在的地热田，通常既包括温度低于当地气压下饱和

温度的热水 和温度高于沸点的有压力的热水，又 包括湿蒸汽。90℃以下称为低温热水田，

90

150℃称为中温热水田，150℃以 上称为 高温热 水田。中、低温热水田分 布广，储量

大，我国已发现的地热田大多属这种类型。 (3) 干热岩型。 干热岩是指地层深处普遍存在的没有水或蒸汽的热岩石，其温度范围

很广，在 150

650℃之间。 干热岩的储量十分丰富，比蒸汽、热水和地压型资源大得多。

目前，大多数国家都把这种资源作为地热开发的重点研究目标。

3km 的沉积岩中的高盐分热水，被不透水的页岩包 围。由于沉积物的不断形成和下沉，地层受到的压力越来 越大，可 达几十兆帕，温度处在 150 260℃范围内。地压型热田常与石油资源有关。地压水中溶有甲烷等碳氢化合物，形 (4) 地压型。它是埋藏在深为 2

成有价值的副产品。 (5) 岩浆型。它是指蕴 藏在地 层更深处处于 黏弹性 状态或完全熔融状态的高温熔岩。

火山喷发时，常把 这种岩 浆带至 地面。岩浆型资源据估计约占已探明地热 资源的

左右。

40

40%

.

，想

第一章 能 源概述

'
67

乙+10

9. 太阳能场出口（载热介质） 注 （"w）h 是太阳能载热流体对应于 1kg 锅炉循环水的热容。

160

+〃）/2

—（自

一

390

A? ）/（mc）h

熠

炳

（kj/kg） ［kJ/（kg.K）］

太阳能热发电的热力学基础

第四章

表 4-8 给出了图 4-45 中的示 例系统的关键参数。图 4-46 为循环的热效 率计算结果, 图 4-47 为系统和各部件斓效率计算结果。由上面计算结果可以 发现，200℃左右系统的热

效率和加效率都达到了最大值，说明再热回热朗肯循环适合用于中温 太阳能热发电技术。 集热器的炮损失是系统的 主要热损失，而由 于这一部分的加效率太低，系统的总加效率也

很低，最大值约为 25.12%。

0100

250

200

150

0100

蒸汽发生器内饱和温度,C

图 4-46

图 4-47

系统热效率与蒸汽发生器

150 200 蒸汽发生器内饱和温度,C

250

系统斓效率和蒸汽发生器饱和 温度之间的关系切

饱和温度之间的关系

一热机循环加效率 （不包括加热过程的斓损失）;

I—热机循环热效率；

一一

热机循环加效率 （包括加热过程的加损失）；

一■—蒸汽发生器热效率；

一^系统综合热效率

一―

—集热器的州效率；

系统综合加效率

文献对由欧盟提供资金资 助在西 班牙建设的集 成太阳能直接 产生蒸 汽热发 电技术 （INDITEP）进行了热力学 分析。INDITEP 的系统 流程及各设备 进出口 热力参 数见图

4-48。该系统使用了 70 台 ET-100 型号的槽式抛 物面集热器，每个集 热器由 8 个集 热器单 片6.5MPa

7^400℃ m=26 000kg/h

/7=0.56MPa

7=172℃

m=26 OOOkg/h

p=0.244MPa

27c

m=2000kg/h 片85Mpa

六 I26C /»=26 OOOkg/h

图 4-48

INDITEP 系统流程及各设备进出口热力参数

161

太阳能热发电原理及技术 温度门

元组成，单个集热器单元长 12.27m, 抛

物面聚光 器开口 宽度为 5・ 76m, 单个集 热器有效聚光 面积为 548. 35m2, 峰值光

学效率为 0.765。设计天气条件为：太阳 辐射 强度为 875W/m2；空气 温度为

20℃；太阳表面 温度为 5490℃。 系统温 嫡曲线见图 4-49, 循环各 点的热 力参数 图 4-49

表见表 4-9, 对系统循环热分析结果见表

INDITEP 系统温炳曲线

表 4-9

4-10, 加分析结果见表 4-11。

系统 朗肯循 环参数 循

环流程

目

项

1

2

3

4

5

6

p (MPa)

0.052

8.5

6.5

0.56

0.244

0.01

温度 7（℃）

52.1

126

400

127

127

46

比熠 h (kJ • kg)

386

535

3169

2790

2716

2416

比嫡 s [kJ/ (kg • K)]

1.143

1.584

6.495

6.868

7.063

8.150

比加 e (kj/kg)

54.08

73.63

1268.48

781.03

649.72

199.14

流量 m (kg/h)

26 000

26 000

26 000

26 000

2000

24 000

压力

汽轮机低压缸出口蒸汽干度为 0.93。

注

系统循环热分析计 算结果

表 4-10 目

项

Qn

(kW)

Quse

(kW)

Qoss (kW)

6a.loss (%)

内（％）

太阳辐射

33 584

33 584

0

0

接收器

33 584

25 692

7892

23.50

76.50

集热器

25 692

19 022

6670

19.86

74.04

汽轮机

19 022

5226

0

0

27.47

节流阀

41

0

41

0.12

0

冷凝器

14 831

0

14 831

44.16

0

水泵

1076

1076

0

0

100

注 Qin 为 进入的能值；Quse 为有效 利用/转换的能值；Qw 为能损；缸10ss 为热损占 太阳辐 射能的比例；k 为过程 热效率。抛 物面集热器的平均热效率为 56.64%；朗肯循环的平均热效率为 21.82%；整 个系统的热损失率为

87.64%；整 个系统的光电转换热效率为 12.36%。

162

-

注

太阳能热发电的热力学基础

系统循环烟分析计算结果

表 4-11 项

第四章

目

Em (kW)

Euse

(kW)

Eioss (kW)

坛 bss（%）

加 （％）

太阳辐射

31 868

31 868

0

0

100.00

接收器

31 868

24 379

7489

23.50

76.50

集热器

24 379

8629

15 750

49.42

35.40

汽轮机

8629

5226

2174

6.82

60.56

节流阀

73

0

73

0.23

0

冷凝器

1298

0

1298

4.07

0

水泵

1076

142

934

2.93

13.20

后口 为进人的加值；Euse 为有效 利用/转换的加值；Ebss 为 加损；足，3为 拥损占 太阳辐 射加的 比例；如 为过程

加效率。抛 物面集热器的平均灿效率为 27.08%, 朗肯循环的 平均加效率为 48.09%, 整个 系统的就损 失率为

86.98%, 整个系统的加效率为 13.02%。

综合系统的热分析和烟分析结果，可以得到以下几点结论： （1） 该系统加效率为 13.02%, 热效率为 12.36%, 其中朗肯循环的加效率高于其本身

热效率，集热器子系统加效率低于其本身热效率。 （2）接收器的光学性质、表面涂层能够承受的温度及水流过集热器的嫡增造成了斓损 失，导致集热器平均加效率远低于其热效率。水/水蒸气的热力参数决定了朗肯循环热力 参数，使朗肯循环的加效率高 于其热效率。冷凝 器带走了大量热量，直接降低了朗 肯循环 的热效率。 （3）要提高整个系统的加效率，必须提高集热 器的娴效率，这就要求接收器能 够工作

在较高的温度下，而目前这一提高受涂层材料的限制。提高集 热器的加效率的另一 个途径

是提高 流入集热器的水压，减少水流过集热器吸热升温造成的烟损失，这就对接收 器的结 构提出了要求，其可行性相比前者更高。因冷凝器带走的大量热量可作为空 调热源 或用于 提供生活用热水，实现太阳能热电冷三联产，从而达到能量的分级合理利用的效果，提升

能量利用水平。

三、基于有机朗肯循环的太阳能热发电系统的热力 学分析 文献 对镜场 面积为 2350m2 的典型太阳 能有机朗肯循环热发电 系统建 立了热力学分 析模型，并通过计算分析，按槽式集 热器不

同跟踪 方式、不同有机工质，以及循环水流

量等重要系统参数对循环热力性能的影响进 行了分析。 如图 4-50 所示，该系统由槽式 集热镜

场、辅助锅炉、过热器、蒸汽发 生器、汽轮 机、冷凝器和冷却塔、泵组成。吸热侧 （左

侧） 循环采用导热油作为工质，做功侧 （右

侧） 循环采用有机工质作为工质。槽式镜场

163

八

太阳能热发电原理及技术

由 10 个 LS2 型槽式集热器组成，集热镜场总面积为 2350m2。 辅助锅炉在太阳辐射强度

较低的时候启用，保证进入过热器中的导热油温可以使系统正常运行。 (一) 系 统各部件的计 算模型

1. 槽式 集热器 LS-2 型集 热器尺寸参数

表 4-12 槽式集热器长

参 数 取

L

槽式集热器宽

抛物槽焦距

吸热器外径

W (m)

/ (m)

D。(m)

5.0

1.49

0. 070

(m)

47. 1

值

吸热器内径

R

(m)

0. 065

表 4-12 列出槽式集热器的主要几何尺寸参数。集热器效率为 人 计算方法为

V=

牛 = KM [人 + 公7]+0竽 +0平

(4-96)

K = cos< ..........M.,

.........

续表 部

参

件

数

干净玻璃镜面 反射率

0.91

装 置最高点离地 面高度 （m）

11.9

装置最大宽度（m）

11.3

装 置质量 （包括集 热器、基架、支撑结构、玻璃 镜面、驱动机构以 及 PCU 撑架）（kg）

聚光集 热装置

7. 45

焦距（m）

0. 97

吸收因子

DNI 为 lOOOW/m?时的峰值 concentration

7500

(sun)

20

集热器孔径（cm） 发动机类型

Kockums4-95 4

气缸数 发 动机工作容积 （cc）

380

发动机转速 （r/min）

1800

工作流体

氨

功率控制方式

变压

3^/480V/Induct

发电机形式

图 5-39

6760 开 环控制

跟踪控制方案

能量转换单元 PCU

值

数

试验中的 SES 斯特林系统

(位于美国 California)

图 5-40

SES 系统的 Kockums 4-95 斯特林发动机

SES 系统在不断地监测下运行并 进行相关改进维修。运 行情况表明，在 1000h 的运 行中，系统的可用率超过 98%。系统从太阳能输人到电功率输出的瀑布图见图 5-41。图 中的数据是依据 California 的系统测量数据及制造厂提供的部件性能参数整理而得。

SES 系统总发电 功率随 太阳辐照度的 变化曲线见图 5-42。 随 着太阳 辐照度（DNI）从 ZOOW/rrf 增加到 lOOOW/irf, 系统总发电功率近似线性递增。聚光镜反射率为 90. 9%时，系统 总发电功率最高达到 26kW。当反射率降至 85% 和 69.2%时，系统总发电功率依次递减。

203

»

太阳能热发电原理及技术

部

100.0

90.0 80.0 70.0

224

60.

二二限新我理 20

6 2

律

301

#


50.

MX•

20.

8

6

电输功 发 机出率

电输功 发 机入率

动输功 发 机入率

收 输功1 吸 器入率

截 的射率 拦 面反功

面射率 镜反功

阳福功 太 能射率

图 5-41 SES 系统的能量流瀑布图

0

200

300

400

500

600

700

800

900 1000

太阳辐照度，W/m2

图 5-42 SES 系统总发电功率

随太阳辐照度的变化曲线

第四节

集成式太阳能热发电系统

一、集成式太阳能热发电系统简述

太阳能 作为一 种清洁能源，本 身具有 很多的优点，但 其自身 又存在诸多的 缺点。首 先，太 阳能具有不稳定性，受天 气变化以及季 节变化的影响 较大。单纯 的太阳能电厂 需要配备储能 装置，而储 能装置 的价格 又比较昂贵。其次，建立 单独的 太阳能电厂需 要的资金较多，目前，建立 独立的 太阳能电厂并 不适合 中国的国情。中 国化石 燃料发

电 量所占的比例很高，如果 用清洁 能源或 可再生能源完全取代 化石燃.料 在近期 一段时

间内是不可 能的，而 且新能 源与化 石能源 相比都具有不同程度 的不稳定性。所以，采 用不同能 源之间的集成发电，可以 使能源 “互 补”， 提高 发电效 率和系 统的稳定性，并

减 少有害气体的排放。 所以，集成系统的研究与应用既能够很好地解决中国现有的能源问题，又能够很好地

运用新能源，促进新能源的开发与利用。以太阳能与煤的集成为例：在现有的朗肯循环的

基础上增加太阳能的作用，这种做法并没有舍弃原有 的发电 系统，太阳能的加入是在原有 机组的基础上增加了太阳能集热器。这样就避免了建立单纯的太阳能电厂所需要的财力和

物力大量耗费，并且可以减少煤炭使用量，减少有害气体及温室气体排放。由此可见，集 成系统的应用更适 合中国现状，研究 和应用集成系统具有很大的意义。 以下将对太阳能光热利用与不同能源形式集成发电的情 况进行阐述，包括太阳能辅助 燃煤发电 系统、太阳能光热利用与地热集成发电系统等。

二、太阳能辅助燃煤发电系统 太阳能辅助燃煤 系统是将太阳能集热器与普通的燃煤电厂集成，利用太阳能加热水或

蒸汽，以减少相同数量电能生产时的耗煤量。

204

的

第五章

太阳能聚焦热发电系统的类型和组成

7

太阳能辅助燃煤电厂可在原有火力发电机组 基础上集成，也可在新建电厂中考虑集成 方案。将太阳能应用到燃煤机组中，不仅可以减少化石能源 消费，并且可以大大降低电厂

的建造成本。太阳能辅助燃煤系统中，太阳能聚光集热器可以用来加热给水，或者是与锅

炉的某一加热段并联来加热蒸汽。 （一） 太阳能辅助给 水回热 加热的 太阳能辅助燃 煤系统

现代火力发电 机组均采用汽轮机的抽汽用于加热 给水，提高进入锅炉的给水 温度，以 提高循环热效率。但回热抽汽存 在做功不足，因此使单位工质的做功量 减少，汽耗率增 加。若采用技术相对成熟且较经济的槽式太阳能聚光蓄热设备生产出相同品味的蒸汽，用

于替换某一段回热抽汽，将使汽轮机在同样的发电功率下少耗新蒸汽，从而减少工质在锅 炉中的吸热量，使单位发电的煤耗量降低，实现火力 发电机组节煤 减排的目标。

1. 集 成方案 现代火力 发电机组的回热系统一般配 置三台高压加热器、四台低压加热器及 一台除

氧器。为了保证给水稳定 的除氧效果，不 宜对除 氧器的 回热抽 汽进行替换，可 考虑对

三 台高压加热器或四台 低压加 热器中的某一段或几 段回热加热蒸 汽进行替换。以下将 以火 力发电 机组中的高压加热器 H3 的加热蒸 汽替换 为例，给出太阳能与 常规燃 煤发电 的集成方案。

对回热抽汽的替换有两种模式：一种是由给水泵或凝结水泵引出与回热抽汽相同流量 的水，进入太阳能场被加热成蒸 汽后，引入原有的回热加热器中替换 汽轮机的回热抽汽加

热给水，见图 5-43；另一种是 直接将 进入某级加热 器的给 水引入 太阳能 场进行加热，从 而替换该段抽汽，见图 5-44。

图 5-43

太阳能辅 助给水回热加热方案 （一）

图 5-43 中的集成方案中，由 给水泵 抽出的部分水 与经由 太阳能集热场 加热的 高温介

质（通常是导热油） 在换热器中进行热量交换，这部分水被加热成蒸汽后，引入原有回热

加热器 H3 中加热 给水，从而替换 了相应的回热抽汽。此方案也可改为 取消换热器，即采

用直接蒸汽加热型太阳能集 热场，将由 给水泵引出的部分水 直接送 入太阳能场进行加热 后，再引入加热器 H3 中加热给水。直接太阳能生产蒸汽系统的结构较采用导热油方式简

205

图 5-44

太阳能辅助给水回热加热方案 （二）

单，没有中间环节，太阳能的利用率高，但是具有较高 压力的高温度的水及蒸汽需要流经

大面 积的太阳能收集器，会产生漏汽及两相流问题等危险。所以，需要根据不同电厂的实 际情况进行选择。 图 5-44 的集成方案是将待进入 加热器 H3 中加热的给水全部引到换热器中，与经由

太阳能集热场加热的高温介质（通常是导热油） 在换热器中进行热量交换，给水温度提高 到既定参数后继续进入加热器 H2 中进行加热。此方案也可改成取消太阳能场换热器的直 接热水加热 系统，即将进入 H3 的给水直接引入太阳能集热场加热。 2. 太阳能 辅助燃 煤发电 的热经 济性分 析依据 以图 5-43 所示方案一为例，对太阳能辅助燃煤发电的热经济性进行分析如下。

按照等效热降分析理论，由 给水泵出口引出一部分工质

经太阳能场加热成焰值为

用的蒸汽，用于替换同等参数水平的回热抽 汽时，对火力发电厂热系统热经济性的影响包 括两个方面。一方面，对于接收太阳能场加热蒸汽的加热器来说，相当于蒸汽携带热量进 入 系统，由于熔值与流量正好与回热抽汽相当，因此太阳能场蒸汽恰好顶替回热抽汽，不

产生疏水的变化。返回汽轮机的蒸 汽做功 将全部直达凝 汽器，设 汽轮机 排汽焰 为心，则 份额为 外 的蒸汽返回汽轮机的做功量为

即

(5-2) = «j (/lj — 无Q 对于再热之前的回热抽汽的替换，还将引起循环吸热量变化 AQ, 设单位工 质的再热焰增 为 品，则 AQ = %%,因而装 置效率的相对增加为

劭计

— AQi

H + ^H.

(5-3)

式中：H 为新蒸汽等效热降；4 为汽轮机装置效率。 另一方面，对于给水泵来说，由其出 口引出 份额为 外 的水，相 当于带工质的热量出 系统，为了保持系统工质的平衡，进入凝汽器的化学补充水应相应增加 外，使得低压加热 带来的做功损失 AH? 为 器的凝结水增加 色 ， 4

= 外之丁逐

206

(5-4)

第五章 太阳能聚焦热发电系统的类型和组成

想 f—

・

・•

式中：亏、7 分别为各低压加热器 中水的焰升和加热器的抽汽效率。于是，装置效率的相 对降低为

3%

=

(5-5)

h-ah2

因此，综合以上两方面分析，替换某一段高压加热 器的回热抽汽带来的发动装 置效率

的相对增加为

X2

（5-6）

利用凝结水泵出口引出水进入 太阳能 场生产蒸汽，替换 低压加热器时的热经 济性分 析，可以参照上述方法进行，但由于流过低压加热器的凝结水量未发生变化，此时 0, 而且，也不存在循环吸热量的变化。

3. 典型 机组的 集成性 能分析 对于图 5-43 的集成方案，采用等效热降理论计算太阳能场对 7 台回热 加热器的加热 蒸汽分别进 行替换 时的热 经济性 改善情 况见表 5-7。 表 5-7 中同时 给出了 300、600、

1000MW 3 种大型燃煤发电机组集成的热经济性。计算中，3 台高压加热器替换蒸汽的生 产工质来 源为给水泵出口 ，对 4 台低压加热器替换蒸汽的生产工质来源 为凝结水泵出口。

其中，M 为装置效率相对提高，M 为单位发电节煤量。 由表 5-7 可见，利用太阳能场生产蒸汽替换各段回热抽汽的热经济性是有区别的。所 替换抽汽的压力越高，热经济性越好。因此，在现场应用时，应尽可能对高压抽汽进行替 换，以达到显著降低机组能耗、减少排放的目的。 典型机组替换回热抽汽的热经济性计算结果

表 5-7

防（％〉

M[g/(kW • h)]

替换抽汽编号

300MW 机组

600MW 机组

1000MW 机组

300MW 机组

600MW 机组

1000MW 机组

1 段抽汽

0.053 7

0.054 1

0.070 1

16.64

16.24

20.34

2 段抽汽

0.049 9

0.034 6

0.055 4

15.48

10.37

16.07

3 段抽汽

0.026

0.023 9

0.032 4

8.05

7.18

9.40

5 段抽汽

0.017 3

0.016 9

0.016

5.37

5.06

5.07

6 段抽汽

0.008 1

0.007 1

0.016 0

2.27

2.14

4.64

7 段抽汽

0.007 3

0.007 9

0.010 6

2.51

2.36

3.07

8 段抽汽

0.004 2

0.004 1

0.016 6

1.29

1.22

4.80

4. 应 用情况 太阳能辅助燃煤发电已引起世界各国的广泛关注，有众多研究人员对其展开了全面的 研究，申请的相应专利也较多，但据报道，投入实际运行的太阳能辅助燃煤发电厂只有一

家，即 2010 年 6 月在美国科罗拉多州投入运行的世界首款太阳能辅助燃煤电厂。该电厂 采用抛物槽太阳能集热器来收集太阳能加热锅炉的给水，代替回热抽气加热给水系统。 （二） 太阳 能辅助 锅炉受 热面加热工质的辅助 燃煤发电系统

在燃煤发电厂中，给水经回热加热系统加热后，将被送往锅炉中继续加热、蒸发及过

207

太阳能热发电原理及技术

热，生产出满足汽轮机进汽要求的蒸汽。若将太阳能集热器辅助锅炉加热工质，将减少锅 炉的燃料消耗并减小污染物排放。 太阳能辅助锅炉受热 面加热工质的 系统集成方案 ，是在末级高压加热器出口 至锅炉入 口之间引出一部分给水，经太阳能集热器加热。若受集热器性能限制，不能将工质加热至 锅炉出口过热蒸汽参数，对汽包锅炉，则可将工质加热至汽包压力下的饱和汽后从 汽包引 入回锅炉，对直流 锅炉，则可 将工质加热至 水冷壁 的某一级联箱中引入 锅炉，参见图 5-

45。若太阳能集热器性能达到 要求，可将 工质加热至过热蒸汽参数，则 集成方 案见图 546, 即太阳能集热场与锅 炉换热 面完全并联，部分给水由锅炉加热，部分给水由太阳能场

加热，两部分工质在过热器之后混合。

图 5-45

太阳能辅助锅炉受热面加热工质的 系统集成方案 (一)

图 5-46

太阳能辅助锅 炉受热面加热工质的系统集成方案 (二)

三、太阳能与燃气一蒸汽联合循环发电系统集成 (-) 太阳能整体联合循 环系统

太阳能整体联合循 环系统 (Integrated Solar Combined Cycle System, ISCCS) , 是在

燃气一蒸汽联合循环的基础上，投入太阳能集热系统取代蒸汽朗肯循环中的某一段来加热 工质的热发电 系统。中国是以煤 为主要燃料的国家，故关于此系统的研究并不多，但在国

外，ISCCS 系统发展比较好。ISCCS 系统与辅助燃煤系统一样，都 是太阳能作为 辅助能

208

濡

第五章

押V

《

太阳能聚焦热发电系统的类型和组成

源来帮助化石燃料进行发电的系统。

槽式太阳能与 整体联 合循环 系统集 成的系统示意图见图 5-47 o 从槽式 太阳能 场来的

热量被输送到太阳能过热器、太阳能预热器、太阳能再热器等几个装置。从凝汽器来的给 水，经除氧后被送至余热回收系统（即余热锅炉） 及太阳能集热器场中实现预热、蒸发及

过热，

图 5-47

槽式太阳能 与整体联合循环系统集成的 ISCCS 示意图

燃 气机排气与太阳热能共同完成给水的预加热以及蒸汽的过热。因此，与常规的联合 循环电厂相比，在 ISCC 电厂中，因 为有额 外的太阳能的 帮助，所以能够产 生压力 更大、

温度更高的蒸汽。与单纯的 太阳能 槽式集 热电厂 相比，蒸汽 参数也 有明显 提高。因此,

ISCC 电厂的效率要高 于单纯的太阳能槽式集热电厂和常规的联合循环电厂。 （二） 利用 太阳能预热空 气的集 成系统

在燃气一蒸汽联合循环系统中，压气机出来的空气进入太阳能集热场加热后再进入燃 烧室燃烧，可节省化石燃料的使用。在此系统中，一般选用塔式集热装置，可以将空气加

热到更高的温度。 塔式太阳能与整体联合循环系统集成的系统示意图见图 5-48。

位于西班牙南部的 PSA 太阳能研究所成功地实施了欧共体第五计划的 “SOLGATE” 工程。该工程采用塔式集热装置，串联有 3 个压力容 积的接收器，热容量为 0.3MW。压

缩空气分成 3 个 阶段被 太阳能 加热，最终被 加热到 810℃。 该 系统的 总发电 效率为

58.1%, 其中太阳能转换效率为 77%。 与太阳能与朗肯循环的集成相比，预热空气系统中，工质被加热到更高的温度，太阳 能部分的发电效率提高。工质做功能力增强，系统热效率增加，系统投资的回收期限也进

一步降低，但是接收器高 温运行对设备的材质要求比较高。

209

「

八

-

太阳能热发电原理及技术

图 5-48

空气储热罐塔式太阳能与整 体联合循环系统集成的系统示意图

（三） 利用 太阳能 重整燃 气的集 成系统

太阳能重整燃气循环中，太阳能作为高 温热源提供甲烷重整所需的热量，转化成化学 太 阳辐射

能，以更高的品质提高 系统的效率。图 5-49 为太阳能重 整燃气系统示意图。

-

图 5-49

太阳能重整燃气系统

该系统选用水与甲烷发生重整 反应。系统循环过程为：首先，系统流程分为两路，一 路是甲烷，重整前的甲烷在预热器中预热后进入混合装置；另一路是水，经过水处理的给

水与冷凝器过来的冷凝水混合，先后经过省煤器、蒸发器预热、蒸发，生成饱和气体后进

入混合装置。其中，预热由上级的合成气体来完成。预热后汇成一路进入过热器。最终进 入反 应器，在太阳能的作用下 重整。 生成合成气体 HzO、CO2 和 CO 预热下一级的反应 物后，经冷凝器进入燃烧室，然后通过布雷顿循环或者布雷顿一朗肯联合循环发电。 （四） 利用太 阳能实 现煤气化的集 成系统

在联合循环发电系统中，利用太阳能的热量 实现煤的气化过程，是化石燃料高效利用

210

照

第五章

太阳能聚焦热发电系统的类型和组成


Ce, 只有理想的聚光器有

般情况下，可 表示为如下关系式，即

Ce =

*

式中：我 为光学效率。

(6-16)

(三) 光 学效率

由于聚 光装置的聚光效果以及吸收装置的吸收、反射、透射特性，决定了并不是所有

投射到受光面的太阳辐射都能转变为热能，因此定义光学效率

为

(6-17) = 胸7 式中：P 为聚光器的镜面反 射率；m 为吸收器 透明罩的透过率与吸收器吸收率的乘积；7 为 吸收 器的光学采集因子。 %p

由式 (6-17) 可知，影响光学效率的因素有聚光设备的聚光比，反映为 反射聚光设备 的反 射率、散射率；吸收比，反映为吸收装置的吸收特性。

第二节

太阳能槽式聚焦集 热装置

槽式太阳能热发电技术是最早实现商业化运营的太阳能热发电 技术，相对于其他太 阳能热发电技术，它具有技术成熟、发电成本低和容易与化石燃料形成混合发电 系统的 优点。槽式太阳能聚光集热技术是槽式太阳能热发电系统的核心技术，是实现太阳能热 发电 系统的关键。槽式太阳能热发电系统通过抛物面槽式聚光镜面将太阳光汇聚 在焦线

上，在焦线上安装管状吸热器吸收聚焦后的太阳辐射能，集 热器轴线与焦线平行呈南北 向 布置。管内的流体被加热后，流经换热 器加热水产生蒸汽，借助 于蒸汽动力循环来发

电。 在槽式太阳能热发电系统中，汽轮机蒸汽循环发电系统是相对比较常规的技术，而聚 光器、吸收 器以及跟踪系统构成槽式太阳能热发电系统的聚 焦集热装置，即太阳岛部分,

是槽式太阳能热发电系统的关键技术。

一、太阳能槽式聚焦集 热原理 槽式太阳能热发电系统的的聚光集热装置由槽形抛物面聚光器和真空集热管构成，即 为线聚焦集热。

220

踹

，管

第六章

....

太阳能聚焦热发电系统的聚光装置

7

-

（一） 热性能 分析基本假设 图 6-7 所示为槽形抛物面聚光器线聚 焦集热的物理模型和热网。为 了便于分析，作如

下假设： 玻璃罩管温度 Tg 和集热管温度 Tp 在其横截面上 为均匀一致； 由于玻璃罩管 璃罩管与聚光器反射镜面之间的对

与集热管之间抽真空，因此其间的对流换热为 0;

属集热管的导热系数很大，其管壁热阻可以忽略不计。

流与辐射换热忽略不计；

图 6-7

槽式聚焦器聚焦集热的物理模型 和热网 热网

物理模型；

（二） 能量平衡微分 方程组

根据能量守恒原理，参照图 6-7

所示 的物理 模型，对玻璃 罩管、集热管和集热

工质分别有以下的能量平衡方程，即

PgCgAg

-

ol

一

Dg・°M(Tg,。一 Tg)

冗

— Fg,s7tDgtOe^0(T|,a 一 Hky)

冗&.也川（7^ — Tp）+《Ag

莹 = (m)eDp.oTc —

格4。

Dp.。％#(丁g.i — Tp)

兀

'乌

—

(6-18)

( Tp

a

— Tf) + kpAp a2Tp xz (6-19)

pG,A

祭 = 2"f(Tp

-

T" — 历Cp/

(6-20)

Tg,m =（Tg」+ Tg,°）/2 式中：Ic 为聚焦的太阳能辐射强度；Tg,m 为玻璃罩管的平均温度；Tg,i 和 Tg,。分别为玻璃罩

管内和外壁 温度，若忽略玻璃罩换热温降，则有 Tg,i = Tg,。，从而 Tg,m = Tg；Ta 为环境温 度；Tsky 为天空 温度；A 为横截 面积；D 为管径；上 为导热系数；九为对流换热系数；C 为 比热容 "为密度；Fg.s 为玻璃罩管对天空的角 系数，假定 Fg,s = l; 切为工质质量流量；下 标 g 、 P、f 分别表示玻璃罩管、集热管和集热工质。

221

r “ 太阳能热发电原理及技术 以上由式 (6-18)

Ute im

一，承 i

式 (6-20) 组成的一维 非稳态二阶偏 微分方 程组，没有解 析解。

若给定初始和边界 条件，以及各项换热系数的值，采 用数值方法可以求得 玻璃罩管温度

Tg,m、集热管温度1和集热工质温度 Tf 随时间与沿工质流动方向的温度分布值。一般来 说，这些温度分布对深入研究集热管各部位的热应力、结构设计和涂层老化等都具有重要 的应用价值。 (三) 集热 管的传 热分析

类似平板集热，分析集热管的瞬时集热性能。在热平衡条件下，其能量平衡方程为 乃L/b =

Qu +UlAc(Tp — Ta )

(6~21)

(m)e 为集热管的有效透过率一吸 式中： j 为聚光器镜面反 射率； 1 为太阳直射辐射强度；

收率乘积；bL 为聚光器光孔面积；，为光学采集因子；Qu、Ul 为集热管的有 用能量收益和 热损失 系数；Ac 为集热管的集热面积。 根据图 6-7 (b) 所示热网，由传热分析可以求出集热管对环境的热损失系数 Ul, 即

鼠

1

+

+

(6-22)

养 一 北」 其―。

Tp — Ta

若不考虑玻璃罩管的导热温降和环境温度与天空温度之间的差别，则有 丁威 = Tg,。= £,& = 0, 丁海 = R,于是式 (6-22) 简化为 无w

+

， + + Ta)(T^

式中：Tg、Tp 为玻璃罩 管和集热管的温度；

T^)

+ a()q(Tp + ^)(7^ + 驾)

、

(6-23)

为玻璃罩管和集热管的辐射率；Q 为玻璃

罩管和集热管之间的系统黑度；hw 为玻璃罩管与环境的对流换热系数。

对单根圆形玻璃罩管，管外受迫绕 流平均换热系数鼠，于是有

心=

旨Num

(6-24)

根据图 6-7 (b) 所示热网，求得从集热工质对环境的传热热导为

Dp,°ln(%/Dpj 5 = LIA.+ 兽詈 无fDg + 」 2怎 『 )

(6一25)

通常集热管为金属圆管，其传热温降很小，可以忽略不计。这样，式 (6-25) 等号右 边方括号中的第三项可以忽略，简化为

5=(/品)

(6-26)

与平板集热分析相同，引进集 热器效率因子 F, 与热转移因子 FR, 改写式 则集热管的有用能量收益 Qu 为

Qu = Fr Q

222

— UtAc(Tf.i — Q)]

(6-27)

想

FR

第六章

太阳能聚焦热发电系统的聚光装置

：?S：［1— exp（一 gr）］ 式=机信 +歌厂

=

（6-28） 629）

目前，采用线聚焦方式的槽式电系统的最高集热温度可以达到 400℃o

二、聚 光装置 根据槽式太阳能聚焦集热的基本原理 可知，实际的槽式太阳能聚焦集热装置由 抛物面

反 光镜、太阳能吸收器、跟踪控制系统和支撑机构组成，其中反射镜和太阳能吸收 器为该 系统的主要聚光装置，如图 6-8 所示。

图 6-8

槽式太阳能结构组成

槽式太阳能热发电系统中的聚光器是具有高精度和高反射率的抛物面反 射镜，用于收

集太阳能并将其聚焦 到吸收 器上。槽式 系统太 阳能吸 收器通 常采用玻璃金 属太阳能集热 管。这种集热管是一种高效、耐用的太阳能吸收器，其生产制造技术主要掌握在德国和以

色列等国的个别公司的手中，目前在中国还处 于开发阶段。槽式太阳能热发电系统中，聚 光器只能收集直射光线，必须利用跟踪装 置和相应的控制系统来调节聚光器和入射光线的 角度，以使系统在光照期间充分获得太阳辐射能量。 聚焦集热装 置应满足的要求为： 具有较高的反 射率； 有良好的聚光性能；

够的刚度；

良好的抗疲劳能力； 有良好的抗风能力；

良好的运动性能；

良好的抗腐蚀能力；

良好的保养、维护、运输性能。

（一） 反射镜

反射镜放置在一定结构支架上，在跟踪机构帮助下，使其反射的太阳光聚光到放置在 焦线上的太阳能吸收 器上。反射镜由反射材料、基材和保护膜构成。以基材为玻璃的玻璃 镜 为例，在槽式太阳能热发电中，常用的是以反 射率较高的银或铝为反光材料的抛物面玻

璃背面镜，银或铝反光层背面再喷涂一层或多层保护膜。因为要有一定的弯曲度，所以其

加工工艺较平面镜要复杂得多。 反 射镜有 两种：一种是表 面反射镜面，即在基材 （成型的金属或非金属） 床面蒸镀或

涂刷一层具有高反射率的材料，或将金属表面加工处理 而成，如薄铝板表 面阳极 氧化、不 锈钢板表面抛光或薄铁板表面镀铜后镀铐。这类反射镜 面直接与空气接触，因此必须再涂

223

… 太阳能热发电原理——及技术

雕

-UU

上一层保护膜以防止氧化，例如，在氧化铝上镀一层氧化硅或喷涂一层硅胶。这种表面反

射面的优点是消除了透射体的吸收损失，反射率较高；缺点是容易受磨损或灰尘作用而影

响反 射率。另一种是背 面反射镜面，是在基材 （透射体） 的背面涂上一层反射材料。这是 太阳能利用中经常采用的反射镜面。优点是本身可以擦洗，经久耐用；缺点是阳光必须经

过二次透射，即阳光透过透射材料，经背面反 射材料反射，再透过透射材 料反射回去。这

样增加了整个聚光系统的光学损失。 反射率是反射镜最重要的性能。反射率随反 射镜使用时间 增多而降低，主要原因是： 灰尘、废气、粉末等引起的污染；

线照射引起的老化；

形或应变等。为了防止出现这些问题，反射镜需具有以下特点： 有良好的耐候性；

轻且强度高；

力和自 重等引起的变

清扫或替换；

合理。 （二） 槽 式反射镜的光 学特性

槽式反射镜形成的太阳光光路如图 6-9 所示。 以抛物面 顶点为 原点，抛物面 中心线

为纵 轴建立 直角坐 标系，则抛 物线过 Q

（a，））， 设抛 物线方 程为了2 = 2刃，将抛

物线上已知点坐标带入，可 求得焦点到准

线的距离 p = */（2y）,设槽型抛物面聚光 图 6-9

槽式反射镜形成的太阳光光路

器开口平面宽度为 L, 高度为 人， 则焦点坐

（0, L2/（16/i））o 标为

抛物线的光学特性为：经焦点的光线与经抛 物线反 射后的 光线平行抛物线的对 称轴。 因此，保持入射光线与抛物线的轴线平行，则可将入 射光投 射到焦点处，即对应槽式抛物

面的焦线。

在这种聚光系统中，有一个重要的参数是口径比

间的比值，即

定 义为开口直径 B 与焦距/之

d=户。抛物面反射镜的聚光比主要决定于口径比，与吸收器的形状也有一

定的关系。 槽式抛物 面聚光器会出 现散焦现象，下面对

其进行简单分析。 如图 6-10 所示，A 面 为与抛 物面垂 直的平 面，B 面 为通过抛物线远点和焦点所 在直线的面，

入射光线在两 个平面 上的投 影为图 示两条 直线，

与3轴的夹角分别为 0、用 则当 o=0 时，光线能 够被抛物 面聚光到集热管上，否则 将偏离 聚光器 的焦线，这就是所谓的散焦现象。

。

当 从 0 开始增大时，三角现象也同时明显。 图 6-11 所示为几何聚 光比为 18.33 的聚 光器当 a

224

图 6-10

槽式反射镜散焦现象光路

能

第六章

太阳能聚焦热发电系统的聚光装置

7…

)

图 6-11 不同 a 下反光镜的散焦现象 (a) a=l°,

f=0; (b) 局部放大图；(c)

a=2°, 3=0；(d) 局部放大图；(e) a=3°,

6=0; (f) 局部放大图

(三) 槽式 反射镜的材料

1. 反 射材料

用做反 射材料的有金属板、箔和金属镀膜。有几种高度抛 光的金属具备良好的阳光反

射率。银是其中的一种，但它和空气中的硫化氢相遇后，很快失去光泽，因此它只能用在 玻璃镜的背面。铜和其他一些 金属具备良好的反射性能，但表 面会迅 速氧化变暗。不锈

钢、银、铭等金属经久耐用，表面明亮，但对阳光的反射率低。 铝是目前直接反射阳光的最佳最廉价的金属。铝可加工成各 种形状的板、箔、蒸镀膜

等，其反射率较高并且容易制取，所以 被广泛作为反 射材料使用。在高 度抛光以后，铝的 反射率高，表面立即形成三氧化二铝氧化层，但透入表面不深，所以仍是相当明亮的，对 反射的影响不大。铝的反 射率明显地取决于它的纯度 和抛光程度。对几种不同类型的铝板

进行试验的结果表明，反 射率在 60%

70% 之间。用做外层的铝箔大约能反射 65% 的阳

光。用电化学方法把铝表面进行阳极氧化处理，能大大改进其耐用性和反 射率，处理方法 是把铝放在磷酸盐或别的电解溶液槽内作为 阳极，并接上高强度的电流。 表 6-1 为几种常

用反 射材料的反射性能。 常用 反射材 料的反 射性能

表 6-1 序号

材

料名称

总反射比

漫 反射比

镜面 反射比

1

镀银膜

0.97

0.05

0.92

2

德国阳极 氧化铝

0.93

0.05

0.08

3

430 不锈钢

0.56

0.13

0.43

4

304 不锈钢

0.60

0.38

0.22

5

扎花铝(表 面有氧 化层)

0.82

0.69

0.13

225

»

太阳能热发电原理及技术

续表 序号

材

料名称

总反射比

漫 反射比

镜面反射比

6

扎花铝（表 面无氧化层）

0. 84

0. 77

0. 05

7

热漫 镀锌彩 涂钢板 33/百亮度 60

0. 72

0. 68

0. 04

8

不锈钢镀 膜玻璃（膜 面）

0. 45

9

蒸镀铝膜（新 鲜膜）

0. 95

0. 03

0. 92

10

普通铝板

0. 72

0. 52

.

2 基 材材料 基材可分为表面镜基材 和背面镜基材 两类。表面镜 基材有 塑料、钢板、铝 板等。当 金 属板作 为反射板时，它就兼作基材使用。背面镜 基材必须有很高的透射率，表 面需要

平滑和不容易老化、损伤，玻璃完全符合这些 条件，但 是玻璃 笨重，而且容易 破碎。透 明塑 料作为背面镜基材，虽然具有透光率高、质量轻 及不容破碎的优点，但是严重的缺

点是容易 老化，使透光率很快下降。提高塑料的抗化能力是 太阳能应用中 在材料 研究方 面的重 要课题之一。石英虽然是一种高级背面镜 基材，但 是价格昂贵，不适宜在 太阳能 应用中使用。 最理想的基材 应当是结实、密度小、耐蚀性好的材料。对于物理蒸发沉积来说，要求

材料必须具备的条件为：

基材通 常放在 133.322X10Tpa 的高真空中接收沉积，因

此在这样的高真空下，多孔性可以吸收水蒸气和气； 在整个沉积过 程中，基材本身处于

加热过程中，因此要求基材不产生变形，并且不分解； 基材要有一定硬度，以保证与镀 膜能充分结合。倘若膜比较硬，而基材比较软，则形成的镀膜容易剥落、损坏。

在基材与反 射材料之间往往有一层基底镀层，它的作用是，如果基材 表面较粗糙，则 加上基底镀层可使其平滑化；如果基材不耐物理沉积加工，则加上基底镀层可以起到保护 作用，可以提高基材 和反射性金属层的结合力。 3. 保护膜

表面镜的反射材料是在基材表面，直接与太阳光、雨水和空气接触，日久容易损坏或 变质，所以表面必须有一层保护膜。通常可用 SiO、Sil% 等无机物的镀膜或用透明塑料薄

膜作为保护膜，前者在空 气中时间长，容易氧化发生质变，其耐久性随镀膜条件的不同而 相差很大；后者在紫外线下容易老化。添加氟化物的塑料可以延长老化的过程。当用铝作

为反射材 料时，可用阳极氧化膜作为表面镜的保护膜。 用铝作为第一反 射面，Si,（% 或 Si。？作为保护层，拥有高的镜面反射率 （0.89） 和高

的环境稳定性，他们已 经被证明是很有希望的反射 材料。Si"CX 是一种不规则的结构，它

的构成成分为 Sio、Si（）2 和 队03, 主要构成是 Si2（）3 和 Si（）2 膜，显示出很好的化学特性 和保护作用。 为了获得高反 射率，铝必须有较高的沉积率，对于 SiO, 在高的氧气压力下，需有低 的沉积率（3A/s 或更低）； 对于 SK%, 建议沉积率为 3A/s。有保护层的铝膜聚光器的反

射特性主要依 靠铝、SiO 或 SiC）2 的蒸发 条件。铝膜的 厚度以 1000A 为宜，建 议使用

226

娥 ,

第六章

太阳能聚焦热发电系统的聚光装置 .

7

二)

2500A 厚的 义0/ 膜或约 3200A 厚的 SiO2 膜。 (四) 目 前流行的槽式 太阳能反射镜

1. 厚玻璃 抛物面 反射镜

LUZ 公司的 LS 系列槽式聚光器一直使用厚玻璃抛 物面反 射镜作 为系统的聚光设备， 与桁架结构形成整体聚光器，结构如图 6-12 所示。这种厚玻璃反射镜由 Flagsol 公司 (原 为 Pilkington Solar International) 提供，由 2.5 5mm 厚的 低铁浮 法玻璃 (float glass) 热成型制成，玻璃的太阳光透射率 (solar-weighted transmittance) 达 98% 以上。该玻璃 经过在精确的抛物面模具上用特制的烤炉加热，并 在银层上喷涂几层保护层，防止银过快 氧化。用于将反光镜固定在支撑机构上的陶瓷垫用特种胶固定在抛物 面反射镜上。该反射

镜的太阳光谱反射率 (solar weighted specular reflectance) 达 93.5%, 能将 98.5% 的反 射光聚焦到集热管上。 这种镜的支撑效果较好，能 够保持高的反

射率。使用 15 年以上还 能够清 洗到如 新产品

一样的反射率。通 过优化设计，其破碎率大大 降低。为降低聚光 区边缘 地带聚 光镜的 碎率，

Flagsol 公司在 SEGC h 和 SEGS IX 聚 光区边 缘地带换装 5mm 厚的抛 物面反 光镜，并开发 了新型反光镜固定件，将风载荷转化到 支撑钢

结构上。考虑到环境问题，反光镜的保 护层不 含铜和铅。 2. 替代型 抛物面 反射镜 基于厚玻璃反射镜昂贵的成本、复 杂的加

图 6-12

厚玻璃抛物面

反射镜的结构组成

工工艺及易破碎的 缺点，厚玻璃 抛物面反射镜

的替代品研究已经 进行了 20 多年。以 下是较 为有希 望的几 种厚玻 璃抛物 面反射镜的替 代品。

SAIC 超薄玻璃镜。SAIC 超薄玻璃镜是一种具有坚 硬保护 层的前 表面反 射镜， 由 SAIC 和 NREL 开发。其材 料通过 粒子束 辅助薄 膜沉积 (lon-Beam-Assisted Deposi¬ (1)

tion, IBAD) 方法沉积得到一层可 清洗、坚硬的 密集层 氧化铝保护层薄膜。该材 料可以 用聚合底层或钢底层在辐涂机上 制得。 NREL 还开发 了另外 两种硬 质保护层用于 前表面

反 射镜，其光学性能、耐久性及使用寿命与 LUZ 公司的 FSM 相似。 (2) 铝反射镜。德国

Alanod 公司使用抛光的铝基片、强化铝反 射层和一种氧化铝保

护表层开发出一种前表面铝发射镜。在现场应用中，该反射镜使用初期的太阳光谱发射率 为 93% 以上，具有耐磨、耐腐蚀的保护层，使用寿命达 10 年以上。同时，该公司还开发 了一种镀银的铝基反射镜，太阳光谱反射率可达 95%。 此外，正在研发中的反射镜替代品还有很多，如薄玻璃反 射镜、前表面反 射镜、层状

全聚合体反 射镜、多层银一聚合体反射镜等，由于反 射率、户外耐久性等原因，都没有实 现大规模的商业应用。表 6-2 对后反射镜及其替代品进行了总结。

227

太阳能热发电原理及技术 几 种反射镜的光学特性

表 6-2 名

称

太阳光加权平均 反射率

成本

（%）

（美元 /W）

94

厚玻璃镜

93

薄玻璃镜

96

耐候性

耐 水洗性

存在问题

40

非常好

好

成本高、易破碎

15—40

非常好

好

加工困难、易破碎

10

较差

差

抗紫外能力差

全聚合体镜

99

Reflectech 复合层镜

>93

FSM

95

超薄玻璃

95

10

较好

好

没有规模生产

Alanod 铝反射镜

>93

0. 17

（三） 流体空间的选择

要使换热器正常而有效地操作，就必须慎重地选择流动空间。 （1）温度 。高 温流体一般走管程，因为高 温会降低材料的许用应力，所以高温 流体走

管程可节省保温层并减少壳体厚度，有时为了便 于高温 流体的散热，也可使高温流体走壳 程，但为了保证操作人员的安全，需设置保温层。

（2）压力。较高压力的流体走管程，可减少壳体厚度。 （3）黏度。 （4）腐蚀性。腐蚀性较强的流体应走管程，以节省耐腐蚀材料。 （5）压力降。 （6）清洁性。较脏 和易结垢的流 体应走 管程，以便 于清洗 和控制结垢。如必须走壳

程，则应采取正方形排列，并采用可拆式 （浮头式、填料 函式、U 型管式） 换热器。 （7）流速。

（8）对流换热系数。

二、结构与结构参数的选择 （一） 换热管

换热管可采用光管、螺纹管、螺旋槽管等。在换热管选择中，应 考虑下列几个因素。 （1） 管径。管径愈小的换热器愈紧凑、愈便宜，且可以获得较好的对流换热系数与阻

力 系数的比值。但是，管径愈小的换热器的压降将愈大，在满足允许压力降的情况下，一

般推荐选用如 9 管子。对于易结垢的流体，为方便清洗，采用外径为 625 管子。对 于有气 一液两相流的工艺流体，一般 选用较大的管径。例如再沸器、锅炉，换 热管多采用632、

051 的管径。 （2）管长。无相变换热时，管 子较长则传热 系数也增加。在相同的传热 面积情况下,

采用长管则流动截面积小，流速大，管程数少，从而可 减少流体在换热器中的回弯次数, 因而压力降也较小；而且采用长管时，每平方米传热面的比价也低。但是，管子过 长会给 制造带来困难。因此，一般选用管长为 4

8

对于传热面积大或无相变的换热器可选用

9m 的管长。 （3）管子的排列和管心距。管子在管板上的排列形式主要有正方形排列 和三角形排列

267

2

太阳能热发电原理及技术 一

膈

—

I

两种形式。三角形排列有利于壳程流体达到湍流且排管数也多。正方形排列有利于壳程的

清洗。为了弥补各自的缺点，就产生了转过一定角度的正方形排列 （即转置 正方形 排列） 和留有清洗通道的三角形排列。管间距是两相邻管子中心的距离。管间距愈小则设备愈紧

凑，但将引起管板增厚、清洁不便、壳程压降增大。为此，一般选用范围为

4 （或 为管外径）。 （二） 管程数和壳 程形式

管程数有 1

8 程几种，常用的为 1、2 或 4 管程。管程数增加，管内流速增大，对流

换热系数也增加。但管内流速要受到管程压力降等的限制，在工业生 产中常用的流速为：

水 和相类似的流体流速一般取 1

2.5m/so 对 大型冷 凝器的 冷却水 流速可 增加到 3m/so

气体和蒸汽的流 速可在 8 30m/s 的范围内选取。 壳 程大致可分为如下几种形式 ： （1） 单壳程换热器［见图 7-12

可 在壳程内放入各种形式的折流板，主要是增

大流体的流速，强化传热。这是最常用的一种换热器，在单组分冷凝的真空 操作时可将接

管移到壳体的中心。 （2） 放入纵向隔板的双壳程换热器 ［见图 7-12

可以提高壳程 流速，改 善热的

效应，比两个换热器串联要便宜。 （3） 分流式换热器 ［见图 7-12

它适用于大 流量且 压降要 求低的情况，当中的

隔板在作为冷凝器时可采用有孔板。

它适用于低压降且当一种流体比另一 种流体

（4） 双分流式换热器 ［见图 7-12

温度变化很小的情况，以及适用于温差很大或者管程对流换热系数很大的情况。

图 7-12 单壳程换热器；

壳程的形式

双壳程换热器；

分流式换热器；

双分流式换热器

（三） 壳程折流板

除非考虑压降、管子振动或管子支撑和强化传热问题，要求采用弓形折流板、盘环形

折流板、折流杆或是弓形缺口处无管子的结构外，一般都采用圆缺形折流板 （又称弓形折 流板）。

折流板可以改 变壳程 流体的方向，使其垂直于管束流动，并提高流速，从而增加流体

流动的湍流程度，获得较好的传热效果。 当壳程进行蒸发、冷凝操作或者管程对流换热系数很低时，壳程折流板的效果就不很 明显，主要起管子支承作用，有时可以不要折流板；对于带有不凝性气体的冷凝操作，采

用不等距的折流板可改善传热效果。

268

联

第七章

太阳能聚焦热发电系统的蒸汽发生器 .•

1. 折流板 的形式 折流板的形式可分为圆缺形 （弓形） 折 流板、盘 环形折流板、孔式折 流板和折流圈 （又称折流杆）。

圆缺形折流板；圆 缺形折流板可分为横缺形、竖缺形和阻液形三种，如图 7-13 所示。

图 7-13 横 缺形折流板；

圆缺形折流板形式 竖 缺形折流板；

阻液形折流板

横缺形折流板适用于无相变的对流传热，防止壳程流体平行于管束流动，减少壳程底

部液体的沉积。当壳 程用于冷凝操作时，横缺形折流板的底部应开排液孔，孔的大小决定 于液量的多少。但住 往由于排液孔的不适 当而产生液泛 和气相旁流，因此在壳程进行冷凝 操作时，一般采用竖缺形折流板。阻液式折流板由于下部有一个液封区，因此可以用于带

有冷却的冷凝操作。 圆缺形折流板的缺口高 度可为 直径的 10%

40%, 现在 通用的高度为 直径的 25%。

实际上 在相同的压力降下，圆缺 高度为 直径的 20% 的折流 板将获得最好的传热效率。换

热器 流量很大时，为了得到较好的错流并避免流体诱发振动，常常取掉缺口处的管子，称 为弓形区不 布管。

盘环形折流板：盘环形 折流板 （见图

允许通过的流量大，压降小，但 传热效

率不如圆缺形折流板，因此这种折流板多用于要求压降小的情况。 孔式折流板：孔式折流板 （见图 7-15） 使流体穿过折流板孔和管 子之间的缝隙 流动, 以增加传热效率。这种折流板的压力降大，仅适用于较 清洁的流体。

图 7-14

盘环形折流板

图 7-15

孔式折流板

折流圈 （又称折流杆）： 折流圈是一种杆式折流结构。它使流体纵向穿过折流杆与换

热管之间的缝隙。这种换热器要求流量大，压力降小且传热效果好，无相变和有相变的场

合均适用。

2. 折流板间距 折流板的间距影响到壳程 流体的 流向和流速，从而影响到传热效率。最小的折流板间

269

1

太阳能热发电原理及技术

距为壳体直径的 1/3 1/2, 且不应小于 5m

由于折流板有支撑管子的作用，因 此钢管 无支撑板的最大折流板间距为 171或 （4为管外径，单位为 如果必须增 大折流 3

板间距，则应另设支撑板。若管材 是铜、铝或者它们的合金材 料时，无支撑的最大间距应

为 150成 7、 （四） 防冲板

当非腐蚀性液体在壳 程入口 管处的 动能多2>2300kg/ 腐蚀性液体j2> 740kg/ 且进入的流体为 气体和饱和水 蒸气或者气一液混合 物时，这些 流体将 对入口处的管子进行 冲击，引起振动和腐蚀。为了保护这部分管子应设置防 冲板。

第四节

蒸汽发生 器的热 力计算

一、概述 太阳能聚焦热发电系统中的蒸汽发生器大多采用壳管式换热器，依据高温流体介质的

不同，可分为熔融盐一水换热器、油一水换热器、水一水换热器等形式。本节只研究高温 流体在管内流动、水在管外蒸发的立式壳管式换热器的热力计算。 由 传热方程式得 0 =以

m

由热平衡方程 = a1J1（4 — /1 ）= 加2cp2（6 — Z2） 当工质按顺流或逆流方式工作时，传热温差可由传热方程式 和热平衡方程式导出 (7-19)

这一公式是在假定工质的流量、比热容及沿传热面的传热系数均保持不变的情 况下导 出的。但是这样假定只是近 似地符合实际 情况。因此，按式 计算出的 也只是 近 似值。 如果 由

甘照

1. 7,则可以把计算区段两端温差的算术平均值作为传热温差，即 =

2( A^max +

min )

(7-20)

在蒸汽发生器设计计算中，往往要求比较准确地算出传热系数。 0

这样就必须分析下列过程：管内外流体和管壁的换热；管壁的导热; 污垢层的导热。 如图 7-16 所示，根据圆筒壁传热原理，可以得出传热系数为

= 以d i / 1(

图 7-16

单层圆管壁的

传热过程

式中：艮 为污垢热阻。

— %)

就

第七章

:

太阳能聚焦热发电系统的蒸汽发生器

I

通常以对应于 h 较小一侧的管径为计算 直径。

由上述分析可知，设计计算的主要内容就是计算传热温差；确定各项热阻，从而求出 传热系数；最后根据所传递的热量求取传热面积。 考虑到由 于管子支撑板的存在使传热面不能被有效地利用、参数的误差 和公式的计算 误差等因素，对由热力计算得出的传热面积应适当增大。通常可增加 8%

10%。

在计算中，还要引入净热量系数 ^来考虑设备向周围空间散热的热损失。净热量系数 定义为 冷流体所得到的热量 Q2 与热流体所放出的热量 Q 的比值，即

二、管内侧高温流体的换热计算 管内高温 流体对管壁的放热多属于管内紊流放热。各研究者对这一过程已作过很多分

析和试验研究，所提出的公式大同小异。管内流体处于旺盛的紊流状态时，换热计算可采 用下面 推荐的 Dittus-Boelter 准则关系式为 （7-21） Nu = 0・023&°・8pp （Re = I。’ i. 2X105） 流体的定性温度为平均温度 其中特征尺寸为管径/ 特征速度取管内流体的平均流速 a=（a+4）/2; 当流体被加热 （九＞6） 时，n=0. 4；而流体被冷却 （心v有） 时，k=0・3。

适用范围：平直管，管长与直径之比

温差9=% 一a 较小，所谓小温差是指对于

气体 350℃；对于水反=20 30℃；对于油类流体 存10℃；普朗特数 尸v=0 7 120。 当流体与管壁之间的温差较大时，因管截面上流体温度 变化比较大，流体的物性受温 度的影响会发生改变。尤其是流体黏性因 温度而变化会导致管截面上流体速度的分布也发 生相应的 变化，而它的改变进 而会影

响流体与管壁之间的热量 传递和交换。 流体截面 速度分 布受温 度分布 影响的

示意可从图 7-17 中观察到。 因此，在大 温差情 况下计 算换热

时，准则 式右边 要乘以 物性修 正项。 图 777 管内流动换热条件下温度对速度分布的影响 液体被 加热， 对于液体乘以（四 m =0.11；液体被冷却，刀 =0.25（物性量的下标表示 取值的定性温 度）。 对 于气体则乘以

气体被加热，麓 =0.55；气体被冷却，k =0.0 （此处温度用大写字符是表示取 绝对温标下的数值）。

三、管外侧水的换热计算 蒸汽发生器管外侧的换热，在不同的区段有不同的换热特性。如在预热段和过热段为 单相介质的对流换热。若管内侧介质温度较高，而管外侧压力又较低 （对应的饱和温度也 较低）， 在预热段可能出现表面沸腾。在蒸发段则为饱和沸腾换热。

一般情况下，往往把预热段并入蒸发段进行计算。而对于单独的预热器和过热器，应 单独进行计算。对于某些循环流程，当给水已经过预热，在进入蒸发器前水温已接近饱和 温度时，也可不计预热段。下面对各区段的放热特性及计算方法作简要介绍。

271

—

" 太阳能热发电原理及技术 (一 ) 预热段与过热段的对 流放热

当工质在管外纵向冲刷传热管束时，换热系数可按式 (7-21) 计算。对于管外纵向冲 刷情况，应以流道的当量直径代替公式中的管子内径。当工质在管外流动，而预热段和过 热段又装有用以固定管束和提高放热强度的支撑板时，换热系数可按装有支撑板的管一壳 式热交换器壳侧的换热公式计算；也可按横向冲刷管束时的换热公式计算，但应考虑冲击 角度的影响。现将常用的贝 尔公式计算过 程进行介绍。

贝尔提出，装有圆缺形 支撑板的热交换器壳侧的对流换热系数等 于横向流动时的换热

系数乘以考虑了旁流和各种泄漏影响的修正 系数，即 2

其中

而

汐8

(7-22)

s= 0・45 信 )+0.l[l — exp(— 30 豹]

(7-24)

式中：在 为放热系数；％ 为 流体比热容；户、4 为流体黏度；a为流体导热系数。

其余符号将在下面分别说明。物性参数除外按壁温求值外，其余均按 流体的平均温 度求值。

使用贝 尔公式 (7-22) 可按如下步骤进行计算。 (1) 计算雷诺数 Re。

Re = 0^

(7-25)

a=号

(7-26)

其中

式中：G 为在热交换器中心线上或距中心线最近的一排 管子处横向流的质量 速度；W 为

壳侧流量；二 为在热交换器中心线上或距中心 线最近的一排管子处横向流 的最小流通截 面积；4 为管子外径。 7-18 查出壳侧放热因数九 图上纵坐标 j中的 a 为纯横向 (m2 h ℃)o 曲线上标的数值和符号分别为相 对节距 (管子

(2) 对于理想管束，可由图

流动时的放热系数，kcal/

--

节距与管子外径之比) 和管子的排列形式。 (3) 计算 Fbp。

Fbp

=

J

(7-27)

式中：Sd 为在热交换器中心线上的或距中心线最近的一排管 子与壳 体的间隙的流通截面 积。如图 7-19 所示，假定支撑 板间距 为群，距热交换器中心线最 近的一 排管子 根数为 名,

管子节距为 R, 该处的壳体弦长为 Dg, 则 l)Pt — 丽 M—

[Dg — (小 Sd = 豆 272

~

BP

(7-28)

第七章

席

图 7-18

太阳能聚焦热发电系统的蒸汽发生器 -

Y

-

管束中横向流动的放热系数

图 7-19

热交换器示意图

(4) 计算由 于流体 流过壳 体与管束的间隙而引入的修正系数

A

N

当 NX9时

? = exp 其中

bp(1

一靖

NA0，

(7-29)

e=1

(7-30)

式中：a为常数，当 ReVlOO 时，a=1.5；当 Ke〉100 时，a=1.35。N3 为壳体与管束间

旁路挡板的对数。 M 为相邻两块 支撑板端之间横向流的收缩次数，对于正方形顺排或三 角形叉排，M 等于相邻两块 支撑板端之间的管子排数；对于正方形叉排，N。等于相邻两

块支撑板端之间管子排数减 1。管 子的排 列形式示于图 7-20。 对于在 支撑板端部的管排,

273

太阳能热发电原理及技术

所计排数等于在 支撑板内的管 子弧长与管子周长之比值。例如图 7-21 的情况，相邻两块

支撑板端之间的管子排数为

Nc = 2 +

2（^^）

（7一31）

（5） 计算厂

(7-32)

式中：Hw 为在支撑板两 个圆缺部分内的传热 面积，m2；凡 为 壳侧总的传热 面积，m2； 为在支撑板圆缺部分内的管子根数；M 为 传热面管子总根数。对于在支撑板端部的管 子，应按其圆周比分开并折算人

N.中。例如图 7-21 的

情况，在支撑板圆缺部分内有两根管子，在支撑 板端部 有 3 根管子，则

N.= 2 + 3（xobO 嘉） ）

（7-33）

（6） 计算由于流 体流过 支撑板圆缺部分而引 入的修

正系数0 中=

图 7-21

M 的计算图

/

q

\0.03

1一厂十0.524产 32

臂）

（7-34）

Sw

苧

（7-35）

一〃w2

=

式中：Sw 为支撑板圆缺部分的流通截面积，m2；系数 K1 自表 7-2 查取；R 为壳体内径, m；八2 为在支撑板圆缺部分内的管子根数。对于在 支撑板端部的管子，应 按其截 面积比 分开并折算入八2 中。 表 7・2

K

支撑板圆缺高度 Hb K值

值

0. 25Ds

0. 30Ds

0. 35R

0. 40区

0. 45Ds

0. 154

0. 198

0. 245

0. 293

0.343

针对如图 7-19 所示的情况，有 盛 /

q

v

0.03

当偏）

=L

= 2+

3（急 一雪）

（7-36）

可由图 7-22 查出。

（7） 计算流体在热交换器壳侧整个流道上的收缩次数

N:。

N； =（Nb + 1）M +（Nb + 2）Nw

（7-37）

式中：Nb 为支撑板数；Nw 为在支撑 板圆缺 部分内横向流 的收缩次数，即 在圆缺部分内 管子排数。 针对如图 7-21 所示的情况，有

M = 1+ 磊 274

（7-38）

第七章 太阳能聚焦热发电系统的蒸汽发生器

tfif

•+

但是，对于靠近壳体的管排，如果其中 的管子数少于在热交换器中心线上的或 距中心线最近的管排中的管子数的1/2, 那么这 些靠近 壳体的 管排则 不计入 《中。 （8） 计算管子排数修正系数

X。 0. 18

当 Ke07

(j)

心，为

25"l9 52外咒3 m¥42「伊心口9

卜

。7

-•15XE+0X

-.1271：। OX

~.I4?ET)X

(k)

~.964E+07 -•250E・20

部分熔点在 60 80℃ 间结晶水合 盐的主要热物性数据

~

物

名

相变温度(℃)

Fe(NO3)2 • 6H2O

60

Na2B4O7 • lOHzC)

68. 1

相变潜热 (kj/kg)

431

八

太阳能热发电原理及技术 续表 物

相变温度（七）

名

相变潜热（kj/kg）

Na3P04 • 12H2O

69

一

Na2P2O7 • I0H2O

70

184

265.7 Ba(OH)2 • 8H 2()

78

267 280

。

A1K(SC)i)2 • 12H2O

58. 7%Mg(N()3)2 • 6H2O+41.3%MgCl2 • 6H 2

53%Mg(N(%)2

6H2O+47%A1(NO3)2 • 9H2O

14 % LiN()3 + 86 % Mg( NO3 ) 2

6H2O

80

―

59

132.2

61

148

72

>180

（二） 无机盐 无机盐主要是利用固体状态下不同种晶型的变化而进行吸热和放热的，大多数无机盐

固一液相变时，具有 相变潜热大、相变温度 较高的优点，因此可以应用于高温蓄热。 （1） 氟化物类。氟化物是非含水盐，主要为某些碱 及碱土金属氟化物、某些其他金属

的难溶氟化物等，熔点高，熔融潜热大，属高温 型蓄热 材料。 为调 整其相 变温度 及蓄热

量，氟化物作为蓄热剂时多为几种 氟化物 配合形 成低共熔物，它可 用于回 收工厂 高温余

热等。 （2） 氯化物类。氯化物种类繁多，包括碱及金属氯 化物、某些其他稀有金属的氯化物

等，主要有氯化钾、氯化钠、氯化镁、氯化铁和氯化钻等，价格便宜，熔点很高，一般在

700℃以上，熔融潜热大，但是腐蚀性强，属高温型蓄热材料。 （3） 硝酸 盐类。主要有 NaN（z、 KNO3、LINO3 等，蓄热 量大，相 变温度 一般在

300℃附近，优点是价格低、腐蚀性小及在 500℃以下不会 分解，缺点是熔解热 较小、热 导率低，因此在使用时容易产生局部过热，属于中高温型蓄热材料。 （4） 碳酸盐类。主要 为碳酸碱金属盐类，如碳 酸钾、碳酸钠等，具有蓄热 量大、腐

蚀性小、密度大、相变温 度很高 （一 般在 800℃以 上）、 价格 便宜等 优点。但是 碳酸盐 的熔点较高 而且液 态碳酸 盐的黏 度大，部分碳酸 盐容易 分解，从 而限制 了碳酸 盐的广

泛 应用。 （5） 金属氧化物类。 Na?。、 V2O5、BO3 等，相变温 度分布 广泛，且蓄热量大，可

根据高温蓄热系统应用场合选择使用。

作为高温应用的相变蓄热，可通过将不同的盐 进行配比得到 100

890℃ 温度 范围内

使用的混合盐。与单纯盐相比，混合盐具有熔融时体积变化小、传热好等优点。与其他类 相变材料相比，混合盐具有融熔温度的可调节性 优点。许多熔 盐混合物都适 合用于 蓄热。

例如氯化钠一澳化钠混合物对钢的腐蚀性不大；氯化钙一氯化钠混合物的熔点较低，并有

几种防腐剂可以防止腐蚀，使装置能运行几千小时以上；氧化钠一氟化钠的熔点较低，腐

蚀性也较小；氟化钠虽然价格较高，但是在混合盐内加入少量 氟化钠作为添加剂就可降低 腐蚀性。熔盐混合物具有较好的应用前景，但是需要克服熔盐黏度高、热导率低、高温下

432

太阳能热发电系统的蓄热

第十章

腐蚀性增大及 固体部 分与液 体部分分层等问题。部分盐类 高温相 变材料 的热物 性如表

10-21所示。 表 1221 种

类

碳酸盐

部分盐类高温相变 材料的热物性 转变温度 （℃）

熔化热 （kJ/kg）

密度 (kg/m3)

Li2c03

720

604.9

2110

Na2cCh

854

275.7

2533

k2co3

897

235.8

2290

Sr (NO3)2

645

209. 4

——

"575

268.0

2310

f859

125. 6

——

Tr583

180. 0

2190

fl070

217.7

——

Tr241

62.8

2690

f844

171.7

——

FeCh

304

230. 3

——

ZrCl4

437

255.4

—

LiCl

607

468.9

2070

MnCl2

650

297.3

FeCl2

677

339. 1

—— ——

PdCI2

678

230.3

—

MgCl2

714

452. 2

2320

C0CI2

724

330. 8

——

KC1

770

360. 1

1990

NaCl

800

477. 3

2160

CeCl2

822

217.7

——

LaCh

857

221.9

——

NiCl2

1030

594. 6

——

BeFz

543

582.0

——

LiF

848

1042. 7

2640

KF

856

443.8

—

MnFz

856

473. 1

——

ZnF2

872

322. 4

——

CuF

908

343. 3

——

NaF

995

803. 9

2800

A*

1040

402.0

—

CoF2

1127

464.8

——

MgF2

1263

937.9

——

材

料

Li2 sO4 硝酸盐

K2SO4 Na2SO4

氯化盐

氟化盐

433

… 太阳能热发电原理及技术 续表 种

类

滨化盐

转变温度 （七）

熔化热 （KJ/kg）

密度 （kg/n?）

NH4 Br

542

213.5

—

LiBr

550

213. 5

—

KBr

735

213. 5

―

NaBr

750

255.4

―

材

硼化盐

料

（三） 金属 与合金 金属与合金作为相变蓄热材料，具有 相变潜热大、储热温度高、热稳定性好、热导率

大（是其他相变储能材料的几十倍或几百倍）、 相变时过冷 度小、相偏析小、性价比良好等

特点。例如，高温相变储能材料 Al-Si 合金的一些热物理性能 参数：熔点为 852K, 熔融

潜热为 515kJ/kg, 固相比热容为 L49kJ/（kg K）, 液相导热系数为 70W/（m K）, 固相

导热系数为 180W/（m K）, 固相 密度为 2250kg/m3（Si 的质量分数不同，数值将不 同）。 因此，金属与合金能实现快速的蓄、放热，且相应的蓄热设备的体积也小。

可用于蓄热的金属与合金必须毒性低、价廉。可用做相变蓄热材料的金属有 Al、Cu、

Mg、Si、 Zn 等，它们的相变 温度一般介于 600 1900K 之间。铝因其熔化热大、导热性 高、蒸汽压力低，是一 种很好的储能材料。此外，Mg-Zn, Al-Mg, Al-Cu, Mg-Cu 等二 元合金和 Al-Si-Mg, Al-Si-Cu 等三元合金的熔 化热十 分高，也可作 为储能 材料。但金属 相变材料在相变过程中有液相产生，具有一定的流动性，因此必须有容器盛装。容 器材料 对金属相变材料来说必须是惰性的，且容器必须密封，以防泄漏影响环境，造成对人员的

伤害。这一缺点很大程度地束缚了金属在实际中的应用。特别是像铝合金这样的材料，几

900℃熔融铝合金 溶液的腐蚀，工作温度低于 620℃的情况下， 铝合金 与铜、镁、锌及锡等金属 形成熔点较低的共晶 体系。实验表明，5mm 厚的 铜板在

乎所有金属都耐不住 700

6200c 铝硅合金液中仅几个小时即被熔穿。因此，选用储能容器材料不能含 有以上几种元 素。其他类型的金属及其合金也存在高温腐蚀严重的问题。部分金属合金的性能参数如表

10-22

表 10-24 所示。

部分金 属及合 金相变材料的热物性 1 表。22 金属 及合金

434

熔点

熔化热

A1

660

400

SiMg(Si-Mg2Si)

1219

357

Al-Si

852

519

A1-Cu(AI-A12Cu)

821

351

Al-Cu-Si

822

422

Mg-Ca ( Mg-Mg2 Ca )

790

246

Al-Cu-Mg

779

360

Al-AkCuMgCu

823

303

Mg-Cu-Zn

725

254

第十章

太阳能热发电系统的蓄热 续表

熔点

金属 及合金

Al-Mg(Al-Al3Mg)

724

310

Al-Mg-Zn

716

310

Mg-Zn( Mg-Mg2 Zn)

613

480

表 10-23 种

熔化热

部分高温相变材料的热物性

类

料

材

熔化热

转化温度

密度(kg/n?)

450

330.8

2340

572

167.5

2390

V2O5

670

360.1

5800

MOO3

795

364.3

4690

820

67.0

——

PbO

875

117.2

9530

Na2()

920

753.7

971

Trl030

201.0

6240

F1115

163.3

——

CuzO

1230

393.6

——

Al

660

396.7

2700

Mg

639

368.5

1730

Li

181

424.4

534

Cu

1083

77

8900

Fe

1535

246.5

7874

1453

296.1

8850

Tr249

113.0

2050

F400

154.9

——

LiOH

471

921.1

1430

Ca(()H)2

835

389.4

——

民5

氧化物

Ge()2

金属

Ni

KOH 氢 氧化物

部分金属合金性能参数

表 10-24 合金（质量 分数）

熔点（七）

潜热(J/g)

46.3%Mg 53.7%Zn

340

185

96%Zn 4%A1

381

138

497

285

506

365

68.5%A1 5.0%Si 26.5%Cu

525

364

66.92%Al~33.08%Cu

548

372

83.14%A1 11.7%Si 5.16%Mg

555

485

34.65%Mg

65.35%A1

60.8%AI 33.2%Cu

6.0%Mg

435

»

太阳能热发电原理及技术 续表 合金（质量分数）

熔点（七）

潜热(J/g)

87. 76%A1 12. 24%Si

557

498

571

406

471

471

46. 3%A1 4. 6%Si

49. l%Cu

86. 4%A1 9. 4%Si

4.

2%Sb

（四） 有 机材料

有机相变材料包括石蜡类、脂肪酸类和醇类等。

石蜡主要是直链烷烧的混合物，可用通式

表示。石蜡可以 分为食用蜡、全精

制石蜡、半精制石蜡、粗石蜡和皂用蜡等类，随着直链上碳原子数量的增加，石蜡熔点也

不断上升。短链烷泾熔点较低，随着碳链的增长，熔点开始增长较快，而后逐渐减慢，再

增长时熔点将趋于一致。 石蜡来源广泛，但纯石蜡的价格较高，通常采用工业级石蜡作为相变蓄热材料，工业 级石蜡是很多碳氢化合物的混合体，因此没有固定的熔点而是一个熔化温度范围。作为相

变 材料，石蜡具有蓄热密度适中、熔点范围大、相变潜热较高、无过冷及析出现象、物理 和化学性质稳定、无毒、熔化时蒸气压低、无相 变分离 现象、无腐蚀、价格 便宜等优点，

但是导热系数小、密度小、相变体积变化大、蓄热能力差等缺点也很明显，因此一般需要 在石蜡中埋入高 导热的金属填充物、金属基结构、石墨以提高热导率，或 采用翅 片管、铝 刨片等增加换热面积来改善其传热性能。

脂酸类也是一种有机储热相变 材料，其分子 通式为 酸、棕桐酸和硬 脂酸等以及它 们的混 合物，熔融 温度在 30

主 要有羊蜡酸、月桂

60℃ 之间，蓄热密 度介于

脂肪酸的性能特点与石蜡 相似，相 变潜热与石蜡 和水合无机盐 相当，具

153

有很好的熔化/凝固特性，且过冷 度小。相对 于水合盐类和石蜡类来说，脂 酸类最 大的优

点是大部分脂酸类都可以从动植物中提取，原料具有可 再生和环保的特点，其相变温度适 于在供暖设备中应用，是近年来研究得较多的有机类相变蓄热材料。 多元醇具有较宽的固一固相变温度范围、相变潜热大 （与固一液相变为同一数量级）、

过冷度小、相变时无液相产生、体积变化小、无毒、无腐蚀等优点。多元醇一般都具有固 定的相变温度及相变热，为了得到较宽的相变温度范围，可以 将两种或三种多元醇按不同

比例混合形成共融体，通过改变不同的组分和含量比就可以对相变温度进行调节，获得所

需要的相变温度。 利用聚烯烧类有 机蓄热材料的潜热，一般不产生过冷或相分离现象，可 长期稳定地进

行吸一放热过程，但多数产品的熔解 温度在 100℃以上。

高分子相变蓄热材料是指一些高分子交联树脂。高分子相变蓄热材料的相变温度 比较 适宜，而且使用寿命长 、性能稳定、无过冷 和层析现象、材料的力学性能较好、便于加工

成形。但是这种材料种类少、相变潜热小、导热性能较差，目前主要 应用于保暖纤维中， 尚 未用于大规模工业化生产。

表 10-25 列出了部分有机材料的热物性数据。

436

第十章

太阳能热发电系统的蓄热

y

部分相变温度为 60 80℃ 有机材料的主要热物性数据

表 10-25 物名

相变温度 （七）

Paraffin wax

64

Polyglycol E6000

66

Paraffin C12 C50

66

相变潜热

173.6

266.0 190.0 68

189.0

Biphenyl

71

119.2

Propionamide

79

168.2

Naphthalene

80

147.7

64

185.4

61

203.4

63

187.0

69

202.5

60 61

186.5

70

203.0

Palmitic acid

Stearic acid

（五） 复合相 变材料

复合材料是指有两种或两种以上不同化学性质的组分所组成的材料。复合相变蓄热材

料 主要指由相变材料和支撑材 料复合而成，相变材料是工作物质，利用其固一液相变来进

行蓄热，支撑材料 （载体基质） 的 作用是保持材 料的不 流动性 和可加工性。在发 生相变 时，由于载体基质的支撑作用，虽然工作物质由固态转变为液态，但复合蓄热材料 整体上 仍能保持其固体的形状和材料性能，因此，复合相变蓄热材料具有无需容器盛装、可以直 接加工成型、不会发生过冷现象、使用安全方便、热效率高等优点。但是也存在相变材料 和支撑 材料易分离，蓄热密度较小，材料的硬度、强度、柔韧性等性能较低的缺点。

目前的支撑材料主要有膨胀 石墨、陶瓷、膨润土、微胶囊等。膨胀石墨是由石墨微晶 构成的疏松多孔的蠕虫状 物质，具有 良好的导热性以及良 好的吸附性。陶 瓷材料 有耐高 温、抗氧化、耐化学腐蚀等优点，主要陶瓷材质有石英砂、碳化硅、刚玉、莫来石质、错

英石质和堇青石质等，被 广泛用于工业蓄热。膨润土具有独特的纳米层间结构，采用“插 层法” 将有机相变材料嵌入其层状空间中可制成有机纳 米复合材料。微胶囊相变材料是将 微胶囊技术应用于复合相变材 料制备而得的新型复合相变材料。在微胶囊相变材料中发生

相变的物质被封闭在球形胶囊中，从而可有效解决相变材料的泄漏、相分离以及腐蚀等问 题，有利于改善相变材料的应用性能。 （1） 硝酸盐/膨胀石墨复 合相变 材料。利用石墨具有的独 特晶体结构、导热性良好、

无毒害的特点，可将其作为支撑材料 或制成粉末，用以 提高相 变材料的导热性能。硝酸

盐/石墨复合材料可以分为两种，一种是在无机盐中直接添加一定量的石墨 粉末，来提高

其蓄热性能；另一种是用膨胀石墨基来吸附无机盐，从而形成无机盐/石墨定形相变材料。 蓄热原理都是利用无机盐进行潜热蓄热，石墨进行显热蓄热。 （2） 无机盐/陶瓷 基体复合相变材料。由多微孔陶瓷基体 和分布 在基体微孔网 络中的

437

>>

太阳能热发电原理及技术

相变材料 （无机盐） 复合而成，由 于毛细管张力作用，无机盐熔化后保留在基体内不流出

来，使用过程中可以同时利用陶瓷基材料的显热又利用无机盐的相变潜热，而且其使用温 度随复合的无机盐种类不同而变化，范围为 450 1100℃。这 种复合材料具有良好的高温 稳定性和热物性，在高温下保持原有形状 且可承受一定 荷载，同时 还具有 较大的蓄热能 力，可多次反复使用。部分无机盐/陶瓷基复 合蓄热材料的热物性能如表 10-26 所示。 部分 无机盐/陶瓷 基复合蓄热材 料的热物性能

表 10-26 复合相变蓄热材料

NazSCW

NazSOi-BaCn/MgO

NaNOs/MgO

50

24+26

40

2.88

1.75

相变材料含量

1.80

密度 P (g/cm3)

2.10

熔化温度 T（℃）

879

686

308

平均比热容 Q [J/ (g- K)] (600 900()

1.250

1.154

―

潜热 AH (J/g)

80.0

73.6

59.1

蓄热密度 U (J/g) (△r=1001)

200

150

一

（3） 光蓄热材料。主要是蓄热纤维，周期表第 IV 族过渡 金属的碳化物

在遇 0.6eV 以上的高能光 （波 长约 2Km 以下）时，它吸收能量并 进行热交换，遇

低能光 （波长 2/zm 以上） 不吸收而是反射回去。若 合成纤 维在抽 丝前将 ZrC 掺入芯内，

就能吸收太阳能的可视红外线，使之转换为热量，并把人体的温度反射回去，这样就使纤 维具有蓄热保温的作用。 （4） 相变微胶囊技术。采用特制的相变材料悬浮在单相传热流体中而构成一种固一液

多相流体，是一种集增大热传导能力和强化传热功能 于一身的新型 材料。可以利 用硬脂 酸、石蜡油及固态多孔支撑材料制备成颗粒状复合相变材料，或以石蜡为相变材料、阿拉

伯树脂和明胶为胶囊体材料制备出胶囊型复合无机相变材料。实验表明，胶囊化技术有效 解决了无机相变 材料的泄漏、相分离及腐蚀性问题。 （5） 纳 米复合材料。纳米复合材料具有优良的刚度、强度 和热稳定性以 及聚合物的可

加工性 和介电性能。

高温 相变材 料及其温度范围如表 10-27 所示，部分高温相 变材料的热物性如表 10-28 所示。 1 表，27 高温相 变材料及其温 度范围 分类

盐

438

温 度范围（℃）

100

1500

材

料

转变温度

熔化热

AlCh

193

272

LiBr

550

214

LiH

699

2687

NaF

993

750

MgFa

1271

936

CeF6

1459

281

燃

第十章

《

太阳能热发电系统的蓄热

续表 分类

混合盐

氧化物

金属及 其合金

温 度范围（℃）

100

100

——

BeCl2(56)-LiCl

300

一

CaCC)3(37APP)-LiCO3

662

—

BaCl2(0. 32)-SrCl2

850

Mog

795

364

BeO

1500

2847

TiO

2020

917

ZK)2

2680

708

Li

181

435

900

质

一

Al

660

398

Al (80) -Si

700

481

Cu

1083

205

NaOH • KOH

177

222

1200

KOH

400

155

Sr(QH)2

510

180

Ca(OH)2

835

389

部分高 温相变 材料的热物性

表 10-28 物

100

150 850

碱

熔化热

AgNO3