综述：聚光太阳能颗粒接收器技术性能增强措施综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Review of performance enhancing measures for concentrating solar particle receiver technologies

　　

第三代（Gen 3）聚光太阳能发电（CSP）系统利用固体、沙状颗粒作为传热和储热介质，相比当前基于熔盐的系统，有望降低平准化度电成本（LCOE）。自该技术于1980年代提出以来，研究人员已研究了多种接收器设计，包括颗粒介质的直接照射和间接照射。直接照射颗粒接收器降低了峰值通量限制，允许更高的聚光比和更小的接收器，但由于通过开放孔口与环境直接相互作用，容易导致效率降低。间接照射颗粒接收器通过颗粒包容来减轻与开放孔口相关的风险，但需要高温合金和更大的传热面积。研究人员已探索了减轻两种技术缺点的策略。本文回顾并评估了这些设计和策略，突出了关键特征以及仍需解决的剩余挑战。

1. 引言
聚光太阳能发电（CSP）技术利用大型镜面阵列将阳光聚焦到接收器上，加热流体或其他介质至高温。介质可作为热能储存，用于工艺热或加热工质以驱动涡轮发电机发电。过去几十年发展了三代CSP技术，基于运行温度和系统配置分类。第一代（Gen 1）商业技术如20世纪80年代部署的354MW太阳能发电系统，采用抛物槽技术，最高运行温度约400°C，通常不集成大规模储热，平准化度电成本（LCOE）较高。第二代（Gen 2）CSP技术采用塔式配置和熔盐作为传热流体，温度可达约600°C，可提供10-15小时储热，容量约10-100MWe，如Gemasolar和Crescent Dunes电站。第三代（Gen 3）CSP技术研究实现超过700°C的温度，以利用先进动力循环（如闭式布雷顿循环）实现超过50%的热电效率，从而降低LCOE。为了实现高温，研究人员正在探索替代传热介质，包括固体颗粒、高温熔盐和气体。基于颗粒的系统被认为是最有前景的选项之一，可达到超过1000°C而不发生材料降解。已有多种接收器设计被提出，但仍存在重要挑战，尤其是与热损失和颗粒处理相关的问题。本文重点识别和量化每种设计中的主要损失机制，基于热阻模型，进而回顾文献中提出的改进性能策略，突出固体颗粒接收器仍面临的关键挑战并讨论克服途径。

2. 颗粒接收器设计的主要分类
颗粒接收器可分为直接照射和间接照射设计。直接照射设计使聚光阳光直接加热颗粒，无需管道或其他包容材料；间接照射设计使用管道或其他包容结构，使颗粒流动并通过壁面间接加热。直接照射接收器的关键优势包括显著更高的太阳通量，从而获得更高效率；劣势包括潜在更大的对流热损失和颗粒损失。间接照射接收器的关键优势是能够减轻由风引起的颗粒和对流损失，但间接加热包容结构限制了聚光太阳通量和接收器热效率。热阻模型可用于评估颗粒接收器的主要物理变量，该模型描述入射太阳辐射q_sun″被吸收并通过对流热阻R_conv,int″和壁面热阻R_wall″传递给流体，或通过外部对流热阻R_conv,ext″和辐射热阻R_rad,ext″损失。接收器效率η_rec = α - q_loss″ / q_sun″，其中α为吸收率，q_loss″为热损失。对于直接接收器，壁温和流体温度相等，消除了R_wall″和R_conv,int″；外部对流热阻R_conv,ext″对应平流换热，热损失较高。对于间接接收器，R_conv,ext″对应外部对流，有助于减少热损失。基于文献参数范围的热阻模型结果表明：在低热通量下，间接接收器效率更高，因为直接接收器的平流损失显著；随着热通量增加，间接接收器壁温升高，辐射损失增加，存在最优热通量（约600kW/m²）；直接接收器效率随热通量增加而上升，因为热损失占比下降。累积概率分布和秩回归系数分析表明：直接接收器中，平流和吸收率是影响效率的主导变量；间接接收器中，颗粒与内壁的对流系数和吸收率影响最大。

3. 直接照射颗粒接收器
直接照射颗粒接收器设计用于直接加热固体颗粒，无需包容结构。以自由落体颗粒接收器为基础，分析设计变体和性能增强措施。

3.1 自由落体颗粒接收器
颗粒从接收器顶部释放，在重力作用下下落，被太阳通量逐步加热。早期研究集中于概念验证和小规模测试。Siegel等人进行的原型测试中，平均颗粒温度在一个单次下落中升高约100-250°C，但接收器热效率仅为35-50%，原因是通过3m高×1.5m宽孔口的大量对流和辐射损失。关键建议包括减少平流热损失、增大聚光通量至约1MW/m²以上，以及减轻外部风的影响。Mills等人的CFD模拟发现风方向（尤其是吹向接收器孔口）增加平流损失，建议采用石英窗、气帘、空气再循环和孔口屏蔽等措施。后续现场测试评估了颗粒损失，发现风方向对颗粒排放浓度有显著影响，进一步表明需要减轻风对平流和颗粒损失的影响。Kim等人模拟发现低颗粒质量流量导致吸收不足和温度分布不均。Wang等人模拟多孔口接收器设计可降低LCOE至52.2USD/MWh。

3.2 性能增强措施
作为自由落体接收器的发展，提出了多种设计变体，包括阻塞式、倾斜式、流化式和离心式颗粒接收器。此外，还分析了其他设计特征。

3.2.1 阻塞式和倾斜式
自由落体颗粒帘加速下落导致底部透明度增加，降低吸收率并引起背壁过热。为减缓此效应，可在颗粒流中放置结构以降低其向下动量。Staggered Angle Iron Receiver（StAIR）概念通过一系列槽捕捉和释放颗粒，增加帘子不透明度。Yue等人实验证明StAIR帘子比相同质量流量的自由落体帘子更不透明。Kim等人提出“截锥”设计，颗粒流经倾斜背壁和捕捉结构。两种概念均有效提高帘子不透明度。连续颗粒阻碍物如金属网波纹结构（chevrons）由Ho等人测试，颗粒流过结构保持低速度，形成均匀帘子。倾斜式颗粒接收器使用滑床引导颗粒降低下落速度，Xie等人测试了4kW太阳模拟器下的倾斜板接收器，颗粒温度可达800°C以上，但热效率低（20-30%），因为小流量和高热损失，且玻璃孔口可减少辐射和对流损失。剩余挑战包括倾斜布局的光学效率低，需要二次聚光器，以及放大到商业功率水平的困难。

3.2.2 流化式直接照射颗粒接收器
此类设计将颗粒封闭在透明管或容器内，直接受聚光阳光照射。

3.2.2.1 石英管颗粒接收器
颗粒通过石英透明管直接加热，同时消除平流损失，但辐射损失增加。完全填充的管可能导致不均匀加热，因为阳光只照射近表面的颗粒层。Nie等人证明使用通道填充物可提高温度均匀性，但可能发生颗粒团聚和堵塞。需平衡颗粒下降速率和颗粒膜厚度，以最大化热吸收。温室效应（石英透明性）可减少辐射损失，Yu等人提出双层石英可降低外管温度255°C，但效率提升有限（不超过75%）。风对接收管有正面影响，可降低辐射损失2.1-9.4%。石英具有低热膨胀系数，有助于耐久性，实验未报告降解。机械强度方面，可使用较厚石英管。

3.2.2.2 光束向下颗粒接收器
采用双反射配置，将聚光阳光从定日镜场反射到塔顶中央反射镜，再向下反射到地面接收器。接收器通常为流化床，颗粒床顶部受照射，气体流化促进混合。主要缺点是自然对流热损失占主导，以及实现高光学效率困难。床高和气体速度的选择至关重要。线性光束向下配置使用线性菲涅尔聚光器，但聚光比低，难以达到目标温度。

3.2.3 离心式直接照射颗粒接收器
利用离心力在旋转筒内表面形成颗粒膜，受聚光阳光照射。可通过调节转速、颗粒质量流量和筒倾角控制颗粒停留时间和吸收率。主要挑战是形成均匀颗粒膜并保持适当厚度。颗粒膜厚度与质量流量和转速相关，但过高转速会阻碍颗粒运动。添加金属网可增强摩擦，但会遭受磨损。颗粒膜厚度四倍于颗粒直径可避免温度梯度。为达到1000°C，需减少膜厚度或增加太阳辐射通量，但这可能破坏均匀性。颗粒损失通过孔口，Ebert等人估计5%质量流量损失，可通过在筒端设置包容边缘减少。材料磨损和热疲劳是主要问题，增加颗粒膜厚度可降低壁温，减少降解。

3.2.4 其他性能增强特征
包括：收敛隧道（SNOUT）用于减少风效应和平流损失，同时在底部收集颗粒，可降低平流损失至3.4%；气帘在孔口引入强制气流，可减少对流热损失高达10%，但需要寄生功率，且过大速度会引入冷空气降低效率；空气再循环将顶部热空气输送到底部，稳定气流，减少间歇性热羽流；孔口覆盖（如石英半壳）可减少对流损失，但增加辐射损失，且放大困难；新型颗粒释放模式（如锯齿形、方形波）可增加光捕获效应，提高效率3-10%，但受风影响，且在高质量流量下效果不显著；颗粒损失缓解可通过SNOUT底部的收集槽实现；粉尘预防系统可减少46%的亚100μm粉尘浓度。

4. 间接照射颗粒接收器
间接照射接收器使用不透明包容结构，通过壁面传热给颗粒，最突出的是流化床颗粒接收器（FBPR）。

4.1 流化床颗粒接收器（FBPR）
FBPR通过气体流化固体颗粒，在管内流动，管壁受太阳辐射加热，通过对流和传导传热。主要挑战是增加有效换热面积和传热系数。传热系数随温度升高和颗粒直径减小而增加，最高可达1100-1500W/m²K。在最佳流化速度（2-4倍最小流化速度）下，传热系数达到最大值。减小管径可提高传热，但非均匀温度分布可能导致流化中断。采用不同注入角度对传热影响很小（0.16%）。管壁侵蚀和热应力是材料降解问题，橄榄石等颗粒材料表现出最佳特性。陶瓷材料可承受超过1000°C，但应用仍有限。

4.2 性能增强措施

4.2.1 逆流式
颗粒从顶部向下流动，与流化气体逆向，增加停留时间和固体体积分数，传热系数可达311-1481W/m²K，接收器效率可达90%以上。定向颗粒流可促进混合，减少局部温度峰值，但该配置研究较少。

4.2.2 翅片管
内部翅片增加有效传热面积，传热系数从800提升至1200W/m²K，但需优化颗粒质量流量，且翅片易受高温和颗粒碰撞导致氧化和侵蚀。

4.2.3 气泡破裂促进器
通过控制气泡大小和更新率，提高气-颗粒接触面积，传热系数从200W/m²K提升至600W/m²K。圆柱形针翅或气泡破裂促进器可产生更小气泡。

4.2.4 腔体配置
将吸收管置于耐火衬里腔体内，通过有限孔口接收太阳辐射，减少辐射和对流损失，并均匀化入射通量分布。Gueguen等人采用半圆柱腔体，理论热效率达85%；Le Gal等人实验估计效率达76%。

4.2.5 先进管几何形状
采用叶片状或通道状元件作为光陷阱，重新分配入射辐射，降低局部峰值通量和壁温，允许在更高全局通量下运行而不超过材料极限。Brewster等人设计的叶片管配置可实现85%热效率；通道配置可将峰值吸收壁热通量降至总太阳通量的19%，同时达到750°C颗粒出口温度。

5. 讨论
本文回顾了直接照射和间接照射颗粒接收器设计及性能增强措施。直接照射以自由落体接收器为基准，间接照射以流化床接收器为基准，分析了针对关键热阻模型变量的增强策略。总结了各设计的关键发现和剩余挑战。直接照射接收器（如阻塞式、倾斜式、流化式、离心式）以及性能增强特征（如SNOUT、气帘、孔口覆盖、新型释放模式、颗粒损失缓解、粉尘预防）在不同程度上提高了效率，但面临磨损、放大困难、光学损失等问题。间接照射接收器（如逆流、翅片管、气泡破裂促进器、腔体配置、先进管几何形状）改善了传热和热管理，但材料限制和稳定性仍是问题。未来需进一步研究以克服这些挑战，实现第三代CSP目标。