基于再吸收效应的熔盐吸热器结构优化与光热性能

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Structural optimization and optical-thermal performance of molten salt receivers based on the reabsorption effect

　　

摘要 为了减少接收器能量损失并提高下一代太阳能塔系统的光热效率，我们先前的工作提出了一种鳍片式接收器以增强再吸收。作为该设计理念的进一步发展，本研究采用蒙特卡罗射线追踪法和集总参数法，数值评估了一种新型 V 形接收器的光热性能。对于哈密 50 兆瓦电站，在春分正午的不同涂层条件下对 V 形接收器几何形状进行了优化，并将其性能与 W 形和锯齿形接收器进行了比较。进一步使用 Solar Two 10 兆瓦电站配置对 V 形接收器进行了评估。结果表明，随着商用 Pyromark 涂层老化，近最佳 V 形区域向更大的腔体结构偏移以补偿光学性能退化。与圆柱形接收器相比，V 形接收器增加了熔盐吸收的能量并减少了辐射损失，导致光热效率提高 1.10 个百分点，出口温度升高 5.28 ℃。在高温耐受黑铬涂层条件下，代表性的近最佳每块面板管数为 124，分别将光热效率和出口温度提高了 0.94 个百分点和 4.49 ℃。在相同管数下，W 形和锯齿形接收器无法有效减少辐射损失，而 V 形接收器分别将反射和辐射损失减少了 22.64% 和 7.72%，并均化了太阳通量分布。此外，V 形结构将 Solar Two 电站的光热效率提高了 0.80 个百分点。

引言 面临能源危机和环境污染的严峻挑战，可再生能源技术，特别是太阳能技术，已引起全球关注 [1]、[2]、[3]。在各种太阳能技术中，聚光太阳能发电 (CSP) 因其能够整合低成本热能存储系统以及提供可调度电力的潜力而引起了显著兴趣 [4]、[5]、[6]。根据集热器类型，CSP 技术主要分为抛物槽集热器、太阳能塔 (SPT)、抛物面碟式集热器和线性菲涅尔反射器 [7]。特别是，SPT 由于其高聚光比和热效率，已成为太阳能热发电的一项有前景的技术。目前，商业 SPT 电站通常采用外部圆柱形接收器，以二元硝酸盐为传热流体 (HTF)，运行温度约为 565 ℃ [8]。为了进一步提高效率并降低平准化能源成本，下一代 SPT 的运行温度正向 700 ℃ 迈进 [9]、[10]、[11]。然而，根据斯特藩 - 玻尔兹曼定律，接收器的辐射损失与其表面温度的四次方成正比。随着运行温度升高，接收器的辐射损失显著增加。同时，传统的外部圆柱形接收器缺乏重新吸收直接损失到环境中的辐射和反射损失的能力，导致接收器效率下降 [12]。Wang 等人 [13] 发现，将出口温度从 560 ℃ 提高到 700 ℃ 会导致接收器效率下降 7%。此外，He 等人 [14] 证明，在出口温度为 720 ℃ 时，辐射和反射损失分别占拦截能量的 11.3% 和 5.0%，总共占总损失的 89.6%。因此，有效减少这两类能量损失对于提高下一代 SPT 系统的效率至关重要。He 等人 [14] 总结了减少接收器能量损失的两种主要策略：(i) 通过开发具有高吸收率和低发射率的高温耐受太阳选择性涂层 (SSCs) 直接减少源头损失；以及 (ii) 基于再吸收效应设计接收器配置，以减少能量传播过程中的损失，实现辐射和反射能量的再吸收。

在高性能 SSC 的开发中，成熟的 Pyromark 2500 涂层被广泛应用于商业 SPT 电站，其太阳吸收率为 0.95，发射率约为 0.88 [15]、[16]。然而，下一代接收器预计表面温度高达 800 ℃ [17]，这对 Pyromark 涂层的热稳定性和工程适用性构成了严峻挑战。在高温、强热流和热循环的户外条件下，Pyromark 涂层容易老化，在此过程中微晶结构的转变导致吸收能力显著退化。实验结果显示，在 800 ℃ 下老化后，太阳吸收率降至约 90.7%，而发射率保持相对稳定 [18]。因此，研究人员专注于开发具有高温稳定性的新型 SSC。例如，Wang 等人 [19] 通过将 MnFe2O4 纳米粒子嵌入 SiO2 薄膜，在 750 ℃ 下实现了 0.93 的太阳吸收率和低至 0.52 的发射率。此外，劳伦斯伯克利国家实验室 (LBNL) 的研究人员开发了一种由黑铬、氧化铟锡 (ITO) 和二氧化硅 (SiO2) 组成的多层选择性涂层，以下简称黑铬涂层 [20]。该涂层可承受高达 900 ℃ 的温度，太阳吸收率为 0.90，发射率为 0.40。Phani Kumar 等人 [21] 综述了光谱选择性机制，包括固有吸收、微纳结构光陷、量子尺寸效应和光路中的多个界面。他们进一步强调，当前的高性能涂层主要依赖基于真空的工艺，受限于昂贵的设备、高昂的扩产成本以及在开放高温环境中长期稳定性不足。显然，虽然商业涂层在高温下性能退化，但新型高温耐受涂层在制造成本和工程适用性方面仍存在缺陷。因此，仅提高涂层性能不足以满足下一代接收器的效率要求。必须专注于接收器结构设计以减少辐射和反射损失，从而进一步提高光热性能。

在高效接收器结构设计的开发中，一种有效的策略是构建鳍片状结构以创建腔体区域进行多次反射，从而增强再吸收效应。桑迪亚国家实验室的研究人员 [22] 评估了鳍片式接收器配置，报告称与传统的圆柱形接收器相比，此类结构可将总辐射损失减少多达 50%，并将热效率提高多达 10%。随后对平板、垂直鳍片、水平鳍片和径向鳍片结构的比较评估显示，水平鳍片平板接收器实现了最佳的光陷性能，将有效太阳吸收率从无鳍片平板接收器的 0.86 提高到 0.96 [23]。Wang 等人 [24]、[25] 基于圆柱形接收器设计了水平鳍片结构和三种垂直鳍片结构（平面、凹面和凸面）。结果表明，底部为平面的垂直鳍片接收器可将光效率提高 3.2%。通过进一步的参数优化，开发了一种外直径与圆柱形接收器等效的最佳垂直鳍片接收器，实现了最高 87.3% 的接收器效率，比圆柱形接收器高出 3.7%。同样，Wang 等人 [26] 基于平板接收器开发了一种刀片状结构，类似于水平鳍片配置，通过多次反射将光陷效率提高了 2.5%。此外，Binder 等人 [27] 利用线性损伤累积法评估了由三个管板组成的鳍片式接收器（也称为星形接收器）中双面照射管的蠕变 - 疲劳寿命，报告称在两侧均匀太阳通量分布下，管寿命大约是单面照射管的十倍。Gentile 等人 [28] 进一步提出了一种综合方法，用于评估星形接收器的光热性能、压降、蠕变 - 疲劳寿命、风载和成本。结果表明，星形接收器的成本可能比等效热功率的圆柱形接收器低多达 75%，年收集热能增加 5%，平准化热能成本降低 30%。然而，他们的分析主要基于小规模定日镜场和商业 Gemasolar 电站的典型运行温度。

与通过鳍片状结构增强多次反射的方法不同，其他研究专注于在接收器上构建再吸收结构阵列以减少反射和辐射损失。例如，Garbrecht 等人 [29] 提出了一种具有六棱锥阵列的熔盐接收器。由于相邻棱锥单元之间的多次反射，该结构实现了 91.2% 的热效率，而反射和发射损失分别占入射辐射的 1.3% 和 2.8%。受此概念启发，Slootweg 等人 [30] 开发了一种具有蜂窝状排列六棱锥吸热元件的熔盐腔式接收器，以限制辐射和对流热损失。改进后的设计实现了 82.4% 的接收器效率，但接收器的平均表面温度超过 1100 ℃，表明还需要进一步努力提高热传递和热安全性。此外，为了解决腔式接收器适应周围定日镜场的挑战，Li 等人 [31] 设计了一种多开口腔式接收器，可以通过腔体的再吸收效应减少太阳反射损失。结果表明，将开口数从 1 增加到 4 将最大净接收功率从 116 兆瓦提高到 332 兆瓦，但进一步增加开口数仅带来边际的净功率增益，而严重损害了整体光效率。

总之，利用鳍片状结构、棱锥阵列和多开口腔设计等几何配置的再吸收效应，是减少太阳反射和辐射损失、从而提高光热转换效率的有效方法。然而，现有关于新型接收器结构的研究主要关注典型运行温度范围内的小型商业 SPT 电站。此外，一些再吸收结构具有复杂的几何形状，给大规模工程制造带来了重大挑战。鉴于辐射损失随下一代大型电站运行温度的升高呈指数级增加，新型几何形状的多次反射和辐射损失减少将变得更加关键。同时，在高温运行条件下，接收器上的 SSC 会发生光学退化和热稳定性降低。各种涂层类型的光学性质差异也会显著影响这些新型配置的光热性能。尽管如此，当前研究缺乏针对不同涂层特性和服役条件下新型接收器面向下一代大型 SPT 电站的光热性能的系统对比评估。

为了系统解决太阳能塔的高温热损失问题，我们先前的工作（参考文献 [24]）提出了一种鳍片式接收器配置，并证明几何优化可以显著提高外部接收器的整体光效率。基于鳍片结构的设计理念，本研究提出了一种新型配置，将传统的平板转换为 V 形面板，为接收器创建再吸收腔体。该设计旨在减少下一代高温接收器的辐射和反射损失，同时保持相对简单的配置。因此，评估了实际电站规模下 V 形熔盐接收器的光热性能。首先，采用蒙特卡罗射线追踪 (MCRT) [32] 法和集总参数法 (LPM) 开发了接收器的三维光热耦合数值模型，并通过 Solar Two 电站的实验结果进行了验证。然后，以哈密 50 兆瓦电站为物理模型，在三种运行条件下对 V 形结构进行了优化，即 Pyromark 涂层老化前、Pyromark 涂层老化后以及新型高温耐受黑铬涂层，以确定高性能结构尺寸。在此基础上，对比分析了新型配置（包括 V 形、W 形和锯齿形结构）的光热性能。最后，在 Solar Two 电站配置中进一步数值评估了 V 形接收器。

章节片段 物理模型 在本研究中，位于中国新疆的哈密 50 兆瓦电站（北纬 43°37′，东经 94°12′）作为参考电站 [33]。此处，50 兆瓦指电站的名义电力输出。如图 1 所示，电站中部署了一个中央圆柱形熔盐接收器，接收来自周围定日镜场的聚光太阳能。定日镜场由 14,500 个定日镜组成，总反射面积约为 703,200 平方米。每个定日镜具有五边形

数值方法 在本研究中，通过集成 MCRT 法和 LPM 开发了接收器的光热耦合模型。基于 MCRT 的光学模型用于计算接收器上的太阳通量分布。

热流分布随后作为基于LPM的吸收器传热模型的边界条件，由此可获得能量被熔盐吸收量、吸收器平均出口温度等性能参数。

模型验证：光学子模型先前已与DELSOL3和SOLTRACE进行了验证[35]，而基于LPM的热工子模型与高保真CFD模型进行了对比[37]。本节首先利用Solar Two 10 MW电站的实验数据验证了吸收器耦合光热模型的准确性。随后，针对本文研究的海西50 MW电站，对网格和太阳射线数进行独立性检查，以尽量减少数值误差的影响。

海西50 MW电站V形吸收器的结构优化：本节以海西电站的圆柱形吸收器为基准，对V形吸收器每管排的管数Nv进行了优化，优化条件为春分日正午（DNI = 946 W·m?2）。为确保可比性，每个吸收器回路的入口质量流量和入口温度分别保持恒定在680 kg·s?1和450 ℃。环境温度为10.5 ℃，10 m高度处的参考风速为1 m·s?1。

结论：为提高下一代SPT系统的光热效率，本研究评估了一种新型V形结构的光热特性。采用MCRT方法和LPM建立了耦合光热模型。以海西50 MW太阳能塔式电站为主要研究对象，系统分析了不同涂层条件下V形吸收器的光热性能，并获得了代表性的近最优吸收器结构。

CRediT作者贡献声明：
张仙强：撰写—原稿、验证、软件、方法学、调查研究、形式分析。
杜深：撰写—审阅与编辑、验证、调查研究、资金获取、形式分析。
刘文元：验证、形式分析。
贺亚玲：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、调查研究、资金获取、概念化。

利益冲突声明：作者声明他们之间没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢：本研究受国家自然科学基金资助（项目编号：52341601、52306272）。

作者信息：
张仙强 | 杜深 | 刘文元 | 贺亚玲
教育部热能科学与技术重点实验室，西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安 710049，中国