关于下一代太阳能塔用千瓦级氯化盐接收器原型稳态热性能的实验与数值研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Experimental and numerical study on steady-state thermal performance of a kilowatt-scale chloride salt receiver prototype for the next-generation solar power tower

氯盐接收器光热耦合模型开发及热性能实验研究，采用千瓦级原型与高温实验平台，通过数值模拟与实测分析入口温度、流速及入射能量对热性能的影响，验证模型误差小于0.64%，提出双阀片法兰结构和分级预热流程优化流动控制，为下一代聚光塔电站超临界CO2循环提供数据支撑。

　　太阳能热发电技术是实现可再生能源发展的重要手段之一，它通过集中太阳辐射能量，达到较高的工作温度，从而为电力生产提供稳定和连续的能源供应。在这一过程中，接收器作为核心组件，其设计和热性能评估对于确保系统的安全与高效运行至关重要。随着新一代太阳能塔式发电系统（SPT）的发展，研究者们正致力于提升接收器的工作温度，以进一步提高发电效率并降低单位发电成本。目前，太阳能塔式发电系统主要采用硝酸盐基接收器，其工作温度通常在500至565摄氏度之间。然而，为了满足未来更高温度运行的需求，氯化盐基接收器因其更高的热稳定性和优异的热物理特性，正在成为研究的热点。

氯化盐基接收器虽然具备诸多优势，但其在高温度应用中也面临一些挑战，例如较高的挥发性和更严重的腐蚀问题。为了解决这些问题，研究者们已经尝试了多种方法，包括优化熔盐成分、开发先进的金属合金以及设计抗腐蚀涂层。这些措施旨在提高氯化盐在高温环境下的兼容性，从而使其适用于新一代太阳能塔式发电系统。然而，目前关于氯化盐基接收器在高温度条件下的太阳能-热转换性能的研究仍然有限，尤其是在实验平台上的实际测试数据较为缺乏。

为填补这一研究空白，本文提出了一种千瓦级氯化盐基接收器（kW-CSR）原型，并结合光学-热耦合设计方法进行开发。随后，构建了一个高温度氯化盐循环实验平台（HCSELEP），以模拟实际太阳能塔式发电系统中的非均匀热流分布。通过这一实验平台，研究者们采用数值模拟与实验测量相结合的方法，对入口温度、流量和入射能量等参数对kW-CSR原型稳态热性能的影响进行了系统研究。实验结果表明，在609至723摄氏度的温度范围内，实验与模拟得出的出口温度绝对偏差在0.31至0.64%之间，证明了所采用的光学-热耦合模型的可靠性。

在研究过程中，发现随着入口温度的升高，辐射损失的比例从60.69%增加到68.17%，这表明入口温度对热性能的影响具有主导作用。同时，当流量增加时，涡流混合的增强使得总热损失、辐射损失和对流损失分别增加了40.92%、45.63%和31.88%。这说明流量在影响热性能方面同样具有重要作用，甚至比入口温度更为敏感。此外，当入射能量从0.96千瓦增加到1.99千瓦时，接收器效率提高了0.95至4.07%。这一结果表明，入射能量的增加对接收器效率的提升具有显著影响，尤其是在高流量条件下。

为了提高流量测量的准确性，并确保接收器在稳态条件下的可靠测试，本文提出了一种双隔膜法兰结构，结合孔板和分步预热程序。这一设计不仅提高了流量测量的精度，还增强了实验平台在高温度条件下的稳定性。通过实验平台的建设，研究者们能够更全面地了解氯化盐基接收器在复杂环境下的热性能表现，同时为工程应用提供必要的数据支持。

此外，本文还总结了实验平台建设和运行过程中的一些关键实践经验。这些经验对于未来氯化盐基接收器的设计和优化具有重要的指导意义。例如，在实验过程中，采用氙灯作为太阳模拟器，以提供非均匀的集中热流条件，这与实际太阳能塔式发电系统中的情况较为接近。然而，氙灯模拟器存在一定的局限性，如其主要依赖接触式热传递，可能导致局部过热，同时其热传递方式仅限于传导，难以准确反映实际太阳辐射下的热转换特性。因此，未来的研究应进一步探索更先进的热模拟方法，以提高实验数据的准确性。

在实验平台的运行过程中，还发现单管接收器的研究无法全面反映多管热耦合、非均匀太阳辐射分布以及环境条件对整体热性能的影响。因此，研究者们应加强对多管接收器系统的研究，以更好地理解其在实际运行中的表现。此外，目前的实验研究中，硝酸盐仍被广泛用作热传递流体（HTF），而新一代太阳能塔式发电系统需要更高的工作温度，因此，未来的研究应探索其他热传递流体的可能性，如氯化盐或其他具有更高热稳定性的材料。

总的来说，本文通过千瓦级氯化盐基接收器原型的开发和实验平台的建设，为新一代太阳能塔式发电系统提供了重要的技术支持。实验结果不仅验证了所采用的光学-热耦合模型的可靠性，还揭示了入口温度、流量和入射能量对接收器热性能的影响机制。这些研究结果对于提升接收器的热效率、优化系统设计以及推动太阳能热发电技术的发展具有重要意义。同时，本文提出的一些关键设计思路和实验方法，也为未来的研究提供了新的方向和参考。

在实验平台的建设和运行过程中，研究者们也意识到一些实际操作中的问题。例如，在实验过程中，需要精确控制入口温度和流量，以确保实验数据的准确性。此外，由于氯化盐在高温下的腐蚀性较强，因此在实验过程中需要特别注意材料的选择和涂层的设计，以延长实验平台的使用寿命并确保实验的安全性。这些实践经验对于未来的研究和工程应用具有重要的参考价值。

为了进一步提升接收器的热性能，研究者们还应关注接收器的结构优化。例如，通过改进接收器的几何形状，可以提高热传递效率并减少热损失。此外，研究者们还应探索新的热传递流体，以满足更高温度运行的需求。这些研究不仅有助于提升接收器的性能，还能够推动整个太阳能热发电系统的发展。同时，研究者们还应加强对实验平台的建设和优化，以提高实验数据的准确性和可靠性。

在实验过程中，研究者们发现，虽然数值模拟能够提供有价值的理论预测和优化建议，但其结果仍然受到模型和边界条件的限制。因此，实验研究在真实高温环境下的进行显得尤为重要。通过实验，研究者们能够更全面地了解接收器在复杂条件下的热性能表现，同时为工程应用提供必要的数据支持。这些实验数据不仅有助于优化接收器的设计，还能够为未来的系统集成提供参考。

此外，本文还强调了实验平台的建设过程中的一些关键因素。例如，在实验平台的设计中，需要充分考虑非均匀热流分布的影响，以确保实验条件与实际运行条件的一致性。同时，还需要关注实验平台的稳定性和安全性，以避免实验过程中出现意外情况。这些因素对于实验数据的准确性和可靠性具有重要的影响，因此在实验平台的建设过程中应给予充分重视。

通过本文的研究，研究者们不仅验证了光学-热耦合模型的可靠性，还揭示了入口温度、流量和入射能量对接收器热性能的影响机制。这些研究成果为新一代太阳能塔式发电系统的设计和优化提供了重要的数据支持。同时，本文提出的一些关键设计思路和实验方法，也为未来的研究提供了新的方向和参考。在未来的研发过程中，研究者们应继续探索更先进的热模拟方法和实验技术，以进一步提升接收器的性能，并推动太阳能热发电技术的发展。

在实验过程中，研究者们还发现，流量在影响接收器热性能方面具有重要作用。随着流量的增加，涡流混合的增强使得总热损失、辐射损失和对流损失分别增加了40.92%、45.63%和31.88%。这一结果表明，流量的优化对于提升接收器的热性能具有重要意义。因此，在未来的系统设计中，应充分考虑流量的调控，以实现更高效的热传递和更低的热损失。

同时，研究者们还发现，入口温度的升高会导致辐射损失的比例增加，这表明入口温度对热性能的影响具有主导作用。因此，在未来的系统运行中，应合理控制入口温度，以确保接收器在安全和高效条件下运行。此外，入射能量的增加对接收器效率的提升具有显著影响，尤其是在高流量条件下。因此，在未来的系统设计中，应充分考虑入射能量的调控，以实现更高的发电效率。

在实验平台的建设过程中，研究者们还提出了双隔膜法兰结构和分步预热程序，以提高流量测量的准确性和实验平台的稳定性。这些设计不仅有助于提升实验数据的准确性，还能够为未来的系统运行提供可靠的参考。因此，在未来的系统设计中，应充分考虑这些设计思路，以提高系统的整体性能。

通过本文的研究，研究者们不仅为新一代太阳能塔式发电系统提供了重要的技术支持，还揭示了接收器在复杂条件下的热性能表现。这些研究成果对于提升接收器的热效率、优化系统设计以及推动太阳能热发电技术的发展具有重要意义。同时，本文提出的一些关键设计思路和实验方法，也为未来的研究提供了新的方向和参考。在未来的研发过程中，研究者们应继续探索更先进的热模拟方法和实验技术，以进一步提升接收器的性能，并推动太阳能热发电技术的发展。

此外，本文还强调了实验平台的建设过程中的一些关键因素。例如，在实验平台的设计中，需要充分考虑非均匀热流分布的影响，以确保实验条件与实际运行条件的一致性。同时，还需要关注实验平台的稳定性和安全性，以避免实验过程中出现意外情况。这些因素对于实验数据的准确性和可靠性具有重要的影响，因此在实验平台的建设过程中应给予充分重视。

在实验过程中，研究者们还发现，虽然数值模拟能够提供有价值的理论预测和优化建议，但其结果仍然受到模型和边界条件的限制。因此，实验研究在真实高温环境下的进行显得尤为重要。通过实验，研究者们能够更全面地了解接收器在复杂条件下的热性能表现，同时为工程应用提供必要的数据支持。这些实验数据不仅有助于优化接收器的设计，还能够为未来的系统集成提供参考。

综上所述，本文的研究为新一代太阳能塔式发电系统的设计和优化提供了重要的数据支持。通过千瓦级氯化盐基接收器原型的开发和实验平台的建设，研究者们不仅验证了光学-热耦合模型的可靠性，还揭示了入口温度、流量和入射能量对接收器热性能的影响机制。这些研究成果对于提升接收器的热效率、优化系统设计以及推动太阳能热发电技术的发展具有重要意义。同时，本文提出的一些关键设计思路和实验方法，也为未来的研究提供了新的方向和参考。在未来的研发过程中，研究者们应继续探索更先进的热模拟方法和实验技术，以进一步提升接收器的性能，并推动太阳能热发电技术的发展。