基于能量平衡法的1 MWth石英管束固体颗粒太阳能接收器热性能测试与分析

【编辑推荐】为解决高温聚光太阳能系统中传统熔盐接收器温度限制与稳定性问题，中国科学院研究人员创新提出石英管束固体颗粒接收器(SPSR)的能量平衡测试法。通过26组实验验证，该接收器实现699.6°C出口温度、87.5%峰值热效率及877.3 kW吸热功率，其动态热损失模型为超临界CO2布雷顿循环等高温应用提供关键技术支撑。

　　

在全球能源低碳转型背景下，聚光太阳能(CSP)技术因其减排潜力备受关注。传统熔盐接收器面临低温冻结(<240°C)与高温分解(>600°C)的双重限制，而固体颗粒接收器(SPSR)凭借1300°C耐温性、3 MW/m²通量耐受等优势成为研究热点。然而现有直接吸收式SPSR存在颗粒流失控制难题，间接式则受限于壁面传热系数。针对这些瓶颈，中国科学院团队在《Renewable Energy》发表研究，通过创新设计的石英管束结构，实现了颗粒流精确控制与环境热交换最小化的双重突破。

研究采用能量平衡法结合红外热成像技术，在北京延庆太阳能实验基地完成26组共计92小时测试。关键技术包括：(1)基于人工黑体源校准的红外热成像仪实现非接触式表面温度测量；(2)建立辐射-对流耦合动态热损失模型；(3)通过粒子质量流量与温差直接计算吸热功率；(4)采用CHP1太阳辐射传感器监测DNI波动。

SPSR结构
接收器采用20根并联石英管(内径100 mm)，通过重力驱动颗粒流动。实验测得单管平均颗粒流速为1.12 kg/s，管间温差<15°C，验证了结构设计的均流特性。

太阳能场与直接法向辐照度
100台定日镜组成的镜场提供峰值800 kW/m²的聚光能流，DNI实测数据显示实验期间辐照波动幅度达42.6%，但接收器效率波动始终控制在2.63%以内。

实验概述
关键数据表明：在DNI为782 W/m²、颗粒流量24.5 kg/s时达到877.3 kW最大吸热功率；当出口温度升至699.6°C时，热效率仍保持72.41%。值得注意的是，质量流量每增加10 kg/s可使对流热损失降低18.7%。

结论
该研究首次实现MW级石英管SPSR的户外热效率精确评估，其动态能量平衡模型解决了传统直接测量法在高温辐射干扰下的精度问题。87.5%的峰值效率较同类流体化床接收器(Le Gal等报道62.6%)提升显著，为下一代超临界CO₂动力循环提供了可靠的高温热源方案。作者Fuliang Nie团队特别指出，石英管94%的光谱透过率与表面温度的非线性关系是维持高效率的关键因素，这项技术有望推动CSP系统向更高温度等级发展。