聚光太阳能集热场先进技术综述

佟锴，杨立军，宋记锋，杜小泽，杨勇平

聚光太阳能集热场先进技术综述

佟锴1，杨立军1，宋记锋2，杜小泽1，杨勇平1

（1．华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京市 昌平区 102206；2．华北电力大学可再生能源学院，北京市 昌平区 102206）

聚光太阳能热发电技术因其稳定性、可控性，以及高装机容量成为太阳能热利用方式的重要形式。太阳能集热场的集热效率是影响聚光太阳能热电站发电容量和光电效率的重要因素。针对近期太阳能集热场提高光热转化性能的关键技术，从光学结构、集热器结构以及流体工质3个方面进行综述，总结了先进的集热器优化策略和性能提升技术，并指出相应优化方法的局限性，在此基础上对集热场技术未来的发展提出展望。

聚光太阳能热发电；太阳能集热场；辐照能流分布；传热流体工质；纳米颗粒

0 引言

随着当今社会的发展，电能的需求也在急速增长。太阳能因其绿色环保、分布广泛和可持续利用的特点成为极具竞争力的一种可再生能源。相对于其他太阳能发电技术而言，聚光太阳能发电技术具有装机规模大、电能输出稳定和根据需求易于调度的特点。据估计在2030年之前，聚光太阳能电站的发电量将达到世界发电总量的7%；在2050年之前将达到25%[1]。聚光太阳能电站主要由集热场、汽轮机和发电机组成，其中集热场的功能为通过反射镜将太阳光汇聚加热流体工质，从而为汽轮机一侧的蒸汽发生器提供热源或直接提供蒸汽，集热场是决定聚光电站光电转化效率和发电容量的重要组成。如图1所示，集热场的类型主要分为槽式集热场、碟式集热场、塔式集热场和线性菲涅尔式集热场。由于线性菲涅尔式集热场除反射镜场的布置和控制技术外，与槽式集热场的研究内容极其相似，因此本文主要对前3种集热场技术进行探讨。

1）抛物槽式太阳能集热场的反射镜场由平行排列抛物槽反射镜阵列组成，通过该结构使单轴的反射镜在一天中跟踪太阳轨迹，为接收器提供持续的聚光辐照，几何聚光比可达直射辐射的70~100倍。接收器主要由涂有吸收涂层的不锈钢吸热管和高硼硅玻璃制的外罩组成，吸热管内填充有流体工质，其类型包括有机导热油、水和熔融盐等，其运行温度可达400℃[2]。吸热管与玻璃外罩之间一般抽成真空来减少热量耗散。集热场输出的高温导热油可以在换热器中加热给水产生蒸汽，从而驱动汽轮机带动发电机组输出电能，整个过程的光电转化效率约为15%[3]。

a—槽式集热场；b—碟式集热场；c—塔式集热场；d—菲涅尔式集热场

2）塔式太阳能集热场主要由反射镜场、位于镜场中心的塔架和位于塔架顶部的集热器组成。当前塔式太阳能集热场的元器件设计并未制定严格的标准，定日镜的尺寸并不固定，面积范围可达1~178m2[4]；而根据镜场的设计面积不同，接收器上辐照能流强度在200~1000kW/m2之间，可以提供较高的输出温度，因此塔式集热场中的流体工质主要为熔融盐、空气以及水或水蒸气等。较高的流体工质温度使塔式太阳能电站的光电转化效率约为20%~35%[4]，其效率的高低由诸多因素决定，如定日镜场、集热器的设计等。

3）碟式太阳能集热场通过抛物碟型反射镜将辐照汇聚在接收器上，同时辅以双轴跟踪系统进行太阳追迹。与槽式、塔式集热场不同之处在于：由于碟式集热场一个单元装机容量较小(0.01~ 0.5MW)，斯特林电机或布莱顿电机常放置于集热器处，适合发展分布式能源。在碟式集热场中反射镜开口半径为4~10m，反射镜表面积可达40~120m2，焦点处的平均聚光比约为2000，工质的出口温度可达700~750℃，工作压强约为 20MPa，其光电转化效率在25%~30%之间[1]。

由此可见，尽管3种太阳能电站已经进入商业化阶段，但光电转化效率低下的问题仍然存在，所以集热场侧尚需改进，从而提高光热效率和运行稳定性，最终提升整个系统的光电转化效率。本文主要从光学结构、集热管结构以及流体工质3个方面介绍当今提高集热场热效率、降低集热器损坏风险的先进技术，包括聚光辐照能流分布的检测和仿真，集热器换热效率提高的策略，流体工质的选择和改进等，并对未来集热场技术的发展进行了展望。

1 光学结构优化策略

太阳能集热场光学结构主要包括反光镜/定日镜、跟踪系统以及接收器3个部分，优化方向主要包括太阳跟踪技术、辐照能流分布的检测与计算以及镜面形貌的探测与校正技术。其主要目的是提高太阳能集热场的光学效率，并维持其在高光学效率下运行的稳定性。

1.1 槽式集热场阵列双轴跟踪技术

槽式集热场跟踪系统根据运行方式分为东西轴向跟踪、南北轴向跟踪、平行地轴跟踪以及双轴跟踪[1]。其特点包括：机械结构原理简单，而对跟踪系统机械结构的可靠性要求较高，百米级的集热单元阵列导致驱动扭矩较大，以及旋转角度范围较大。由于结构简单，其跟踪误差可控制在0.5°以内[5]，达到商业化的水平。由于单轴跟踪的方案无法避免余弦效应，双轴跟踪系统的热效率更高，相对于固定式可提高46.46%[6]，最高可达75%[7]，但双轴跟踪系统机械结构复杂，管路系统设计复杂，以及结构刚度较低的缺点限制了其大规模化的应用，而多用于小尺寸的实验平台；大型应用的场景主要集中在催化制氢以及海水淡化[8]，大型的槽式双轴电站仅Helioman 3/32一例[2]。为在保持传统大规模槽式集热场优势的同时提高效率，降低余弦效应的影响，文献[9]中基于LS3平台首次提出了一种通过底部的滑轨使集热器阵列可在一定的角度范围(约30°)旋转的结构，实现与双轴跟踪系统相似的效果，其阵列长度可达100~150m，具有大型化应用前景。文献[10]中实际建设该实验平台，其一次能源效率和㶲效率分别可达74.74%和48.83%，光电转化效率可达23.67%。该系统的缺陷在于滑轨的旋转结构成本较高；对于底面的强度和平整度有较高的要求，同时土地利用率更低；跟踪系统升级的性价比一般，根据文献[11]的研究，该系统相对于南北轴向单轴跟踪系统的年效率提升约为4%。

1.2 辐照能流分布检测与仿真技术

对吸热管壁面辐照能流的检测和计算可以为集热管正常运行的维护以及换热性能的分析提供信息和依据。

1.2.1 槽式太阳能集热场

槽式集热场中，对于吸热管壁面辐照能流分布的分析始于Jeter等[12]对该分布特性半解析 解，随后研究者分析了边缘角、对准误差、跟踪误差、端头效应以及太阳形状模型等使集热场偏离运行工况的参数对吸热管壁面辐照能流分布的影响[13-15]。由于非理想状态下光线传输的复杂性，光路追迹法成为主要的辐照模拟方法，主要分为有限单元光路追迹法(FEM)和蒙特卡罗光路追迹法(MCRT)。其策略是通过模拟海量的光路使接收器上的辐照能流分布收敛于稳定值，通过标准化处理将所得分布转化为所需的辐照能流分布。该方法的优势在于容易处理复杂工况和异形结构，其缺点在于需要对大量的光线进行追迹，耗费的计算时间和资源庞大。根据文献[16]中的研究，采用MCRT时为保证足够的精度，需要模拟5´107个以上的光线，而在文献[17]中的研究，采用FEM方法得到的标准差为辐照强度的30%，该情况下需要对8´105个有限单元进行求解。因此降低光路追迹法计算时间，并拓展该简化算法的适用性成为一个研究热点。其基本原理是利用了在忽略端头效应影响的情况下，吸热管上辐照能流分布轴向保持一致的特性，将计算复杂度减少一维，在保证相同计算精度的条件下，计算速度提高了数百倍[18]，且该方法已经应用于非理想条件下的辐照能流分布预测方面的研究[19-20]。

1.2.2 碟式太阳能集热场

由于碟式集热场点聚焦的几何结构特征，其接收器上的辐照能流分布的非均匀性更为显著，由此引发的热效率下降和热应力上升威胁着集热器的稳定运行。研究者通过CCD相机对接收器入口平面处非均匀的辐照能流进行测试，其原理是通过测量朗伯靶反射的光强分布，对其接收的辐照能流分布进行间接测量[21-22]，其结果如 图2(a)所示。与槽式集热器相似，数值模拟方法也被应用于计算不同结构下集热器上辐照能流分布。文献[23]中采用光路追迹法对圆柱体、穹顶型、椭球体、球体以及椎体接收器壁面的辐照能流进行了模拟，其结果如图2(b)所示。文献[24]为了解决接收面上的辐照分布不均，在接收器上设计了二次混合聚光器。对于体型集热器，文 献[25]对半透明的多孔介质中的辐照分布进行数值模拟，其结果如图2(c)所示。

图2 碟式集热场集热器辐照能流分布

1.2.3 塔式太阳能集热场

在塔式集热场中，需要对接收器上的辐照能流分布进行分析，得到集热器接受的辐照量，从而计算集热器的年效率，验证该系统的经济性；此外，对集热器上的非均匀辐照分布进行求解可以对集热器进行温度与热应力分布的分析，并进行相应的结构优化，从而降低热应力对集热器安全运行的威胁。虽然能流仿真的基本原理相似，但由于镜场光学结构的复杂度远高于槽式反射镜，因此对塔式集热场能流分析的算法更加复杂。对于塔式集热场光学性能的分析主要分为2种：一是通过分析定日镜朝向、遮挡作用、占地面积、设备成本等因素分析定日镜场年效率；二是通 过光路追迹得到集热器上具体的辐照能流分布情况和影响因素。文献[26-27]中，采用光路追迹方法对腔式集热器内非均匀的辐照能流进行分析，得到了跟踪误差与集热效率的关系；文献[28-29]对表面式接收器上的辐照能流进行分析，发现 其曲线近似高斯分布。文献[30-31]对体积式集热器上非均匀的辐照能流进行分析。现阶段对于 常规类型的定日镜和吸热器构成的集热场，科 研机构已经编写了可商用的工具软件进行可行性研究以及热效率分析，如表1所示。在这些工具软件中，已经编写了图形用户界面(graphical user interface，GUI)界面，使其更容易被研究者入手，同时设有与其他常用工具软件或常用代 码的接口，便于内部参数的设置和仿真结果的后处理。

表1 塔式太阳能集热场辐照分析软件

1.3 镜面形貌技术

镜面形貌的探测技术主要是针对由于长期的风载荷和重力载荷导致界面变形，进而导致集热场效率下降的问题提出的，其主要包含3种方法：激光扫描法、叠栅偏折法和摄影测量法[32]。其中摄影测量法因为其适合大尺寸物体测量的特性，最适用于大型槽式反射镜表面形貌的探测研究。该方法的基本原理为：通过位于镜面上方空间位置已知的多个相机对被测物体上的标记物进行拍照，通过视觉关系换算出标记点的空间位置信息，从而拟合出镜面特征[33]。根据所得的信息可以对镜面形貌的探测评估集热效率的衰减，从而做出相应的矫正维护方案。

对于碟式太阳能集热场中的反射镜，其理想的形貌应为整块抛物碟型反射镜[34]。文献[35]中总结了碟式反射镜效率的影响因素，包括镜面材料、镜面单元面型、碟式反光镜尺寸、反射镜面积、太阳辐照度、焦距、集热器开口面积和反射镜边缘角等。然而在实际工程中，由于成本以及工艺方面的原因，研究者通过增加镜子数量、减小镜子面积、更改镜面形状的方法降低制造难度。根据镜面面型一般分为平面镜、球面镜、旋转抛物面镜和抛物面镜等；根据镜面的排布方式分为单一镜面式、多镜面式以及菲涅尔式。表2中总结了现已建成的碟式集热场及其反射镜形式。由于碟式集热场反射镜系统的集热结构比较简单，跟踪控制方式多为传统双轴跟踪方式，而反射镜结构大型化，因此相关报道多关于反射镜的成形以及固定方式等工程问题。

表2 商业化碟式集热场反光镜类型

2 集热器结构优化技术

2.1 集热管

如图3所示，集热管中主要包括3种传热方式：热传导、对流换热和辐射换热。为了维持较高的光热转换效率，需要提高导热油与吸热管内壁面的传热性能，同时抑制吸热管外壁面对外部环境的热耗散。从集热管结构的改进出发提高 集热管效率，改进其运行稳定性成为近期的研究热点。

图3 集热器传热过程机理图

集热管结构优化策略如表3所示。其中，在管外壁面的翅片设置是提高光学效率的重要方法。文献[43]在小尺寸吸热管外壁面覆盖了黑色翅片来提高接收管的吸收率，其光热效率可达67%。波纹管是提高管内壁换热性能的另一种重要方法。文献[44]中研究者采用了对称外波纹管结构，通过管壁面起伏加强了湍流强度，从而加强吸热管内壁面与导热油之间的换热性能，最高可达48%，同时该结构的热应力比传统直管低26.8%。文献[45]中采用数值方法研究了非均匀分布的对称外波纹管的传热性能，得到了更优化的波纹分布构型。此外，在集热管中插入填充物从而提高集热管换热效率，采用实验或者仿真的方法进行验证和填充结构的优化成为研究的热点。文献[46]中介绍了螺旋波纹管的换热性能，并通过数值与实验方法研究了壳-管换热器结构。在吸热管中插入1个螺旋叶片是其中一种提高集热管换热性能的重要方法，其原理也是加强吸热管内的湍流效应，降低层流边界层厚度，从而提高流体工质与吸热管内壁面的换热性能。文献[47-49]中测试了若干种螺旋叶片，其实物图如图4所示，包括(a)直叶片、(b)螺旋叶片和(c)锯齿叶片。文 献[50]中在管壁面设置翅片，通过提高换热面积的方法提高吸热管内壁面的换热性能。文献[51]通过实验研究了金属泡沫填充物对吸热管传热效率的影响，发现该方法对集热效率的提升约为3%。然而管内填充物的作用并不一定是有利的，其主要缺点是会引起吸热管压损上升。

表3 集热管结构优化策略

文献[52]中采用了㶲分析的方法发现当管道内雷诺数高于阈值时，采用螺旋叶片反而会使集热管效率下降，使填充物丧失性价比。文献[52]中研究者设置了纵向涡发生器使热损降低了13%，但管道压损翻了一倍。通过总结各项研究可以发现，优化后吸热管的热损和压损不仅和填充物有关，还与集热管运行参数(如入口流量等因素)相关，通过优化相应工况，或是针对相应需求采用合理的结构或是将结构改型，可以实现相应填充结构集热效率提升的最大化。塔式太阳能集热场中，管式集热器以水/水蒸气、熔融盐等作为流体流体工质的策略已经得到商业化应用，并已经在文献[3]中详细总结，其工作原理与槽式集热场相似，而其性能被管材料的导热性能所局限。为解决该问题，对于管式集热器管内换热性能加强的方式方法与槽式集热器中的方法和原理相似，包括波纹管[52]、设置换热翅片等，本文将不再赘述。

2.2 集热器形貌

与槽式集热器不同的是点聚焦集热器的管阵列分布的类型多种多样，通过优化吸热管阵列分布、排布方式以及改变吸热单元本身结构来提高集热器效率成为管式集热器研究的基本方向。

为了降低高温引起的热损，碟式集热器多采用腔式结构设计。由于碟式聚光系统与塔式聚光系统的基本原理相似，都为点聚焦方式；且聚光比、工作温度都相近，因此二者集热器结构的设计和优化理念也相似。文献[59]中研究螺旋管集热管成型形貌对光学和换热效率的影响，如圆锥体、球体和柱体等，发现柱形的能流分布最为均匀，所以热应力最小，如图5(a)所示。文献[60] 采用实验和模拟的方法对以导热油作为流体工质的圆柱体和棱柱体腔式集热器进行了集热效率的研究，发现二者的平均集热效率分别为56.44%和54.14%。文献[27]中对碟式集热场中腔式集热器进行了能量和㶲分析，发现在稳定状态下其热效率约为60%；当出口温度达到550℃时，其㶲效率峰值约为23%，且当进出口温差增大时，㶲效率下降。

为提高光学效率，文献[61]设计了一种片状集热器，如图5(b)所示。该结构采用菱形管时，吸收率可达0.92。对于改变吸热单元结构而言，微流道集热器成为一个提高换热面积的重要方法，如图5(c)所示。该方法是通过在平板接收器中设置许多微小的流道来实现提高工质与吸热器换热面积的，同时包络面结构减小了该集热器与环境空气的接触面积，降低了由于对流换热和辐照换热引起的热损。文献[62]设计的微流道集热器采用CO2作为工质，当辐照强度达到500kW/m2时，出口温度可达700℃，集热效率可达90%。

2.3 多孔型集热器

对于腔式集热器，在其内部填充多孔介质作为吸热器成为一个通过改变吸热单元结构提高换热面积的重要方式。其原理是利用多孔介质较大的空气接触面积提升换热性能，从而加热流经多孔介质的空气[63]。文献[64]中对小容量的多孔集热器(3kW)进行热效率分析，流体工质为空气时，其出口温度可达553℃，热效率可达77%；当流体工质为氦气时，最高出口温度为620℃，此时热效率为78%。为了提高多孔介质上温度分布的均匀性从而降低热应力，多孔介质的结构也进行了相应的改进。文献[65]中提出了一种双层多孔介质，研究发现随流体方向孔隙率下降的多孔介质结构可以降低进出口的温差。文献[66]中优化了多孔介质孔隙率下降曲线，发现采用几何平均(geometric-averaged，GA)分布的孔隙率比线性分布的孔隙率的多孔介质温度分布更为均匀。

2.4 混合型集热器

由于塔式集热器运行温度较高，其向大气和天空的热损也比较大，为了缓解这个问题，文 献[67]设计了一种混合接收器结构，如图6所示，其原理与省煤器相似，将多个管路仿照多孔介质的形式放置在腔式集热器内，而腔式集热器开口端直接与大气相通，使开路气流可以流经吸热管路的表面被加热，然后被用于驱动汽轮机或者预热导热流体管路，其热效率提升达到20%。文 献[68]采用数值计算的方法根据集热器中的温度场和速度场对管路结构进行优化，同时建议在辐照入口处添加石英窗来提高热空气的出口温度，降低集热管的温度梯度。该类型集热器的缺点在于需要设计双流体工质通路，系统更加复杂，成本更高。

图6 混合型集热器示意图

3 流体工质

3.1 常用流体工质

太阳能集热场中常用的流体工质包括导热油、水/水蒸气、熔融盐以及纳米流等。流体工质的选择需要针对集热系统的特点尤其是工作的温度，从而提高整个系统的集热效率。导热油是目前最常用的流体工质，这是由于其使用寿命较长，热稳定性较好，饱和蒸气压较低。商业化的导热油的型号包括VP-1，Syltherm 800，Marlotherm SH，Santotherm 59和herminol D12等。其中，Syltherm 800因其较广的工作温度范围、较低的毒性和挥发性、较高的比热容成为最为理想的导热油。导热油的缺点在于一旦泄漏，有机油脂会造成环境污染，有机物油有引起火灾的风险，同时温度过高会导致导热油的分解，限制了其工作温度。水/水蒸气是最早被用于槽式太阳能集热场的工质，可以直接转化成水蒸气被汽轮机利用(直接蒸汽发生器)，大大简化了槽式电站结构，降低了成本。相对于导热油而言，水蒸气作为流体工质方案可以输出更高温度的流体(500℃以上)，同时泄漏不会造成火灾和污染隐患。文献[69]中通过㶲分析的方法对比了导热油、水/水蒸气、熔融盐作为工质的槽式集热场，发现采用水作为工质具有最高的效率。水作为工质的缺陷在于由于沸点较低，不适合作为储热物质；水/水蒸气组成的两相流对输运和控制系统要求更高，导致系统复杂度上升；由于水蒸气密度较低，导致管路压降上升。熔融盐作为流体工质，其优势为较高热稳定性使其可以满足较高的工作温度需求(550℃以上)，较高比热容使其可作为储热物质，较低的蒸气压降低了管道压降。而熔融盐工质的缺点为较高的熔点(220~240℃)使其有凝固的风险[70]。

3.2 纳米颗粒添加物

在流体中添加纳米颗粒从而改善流体工质的传热特性成为当前的研究热点，其原理为：通过添加纳米颗粒可以增加导热流体的导热系数，降低边界层的厚度。如表4所示，纳米流中流体包括水、导热油和熔融盐，添加的纳米颗粒主要包括氧化铝、氧化铜纳米颗粒以及碳纳米管等。根据文献[71]中的研究，通过提高纳米流中颗粒物的浓度会使颗粒物与流体碰撞频率增大，提升其粘度，同时会降低其热容、提升其导热系数。随着颗粒物尺寸的增大，其布朗运动会减弱，从而引起纳米流导热系数的下降。纳米流的缺点在于稳定性较差，高浓度的纳米颗粒在流动中可能发生沉降或积累；同时随着浓度升高，纳米流的粘度上升导致管路压降上升，对输油泵的功率提出更高的要求。对于纳米流不稳定的特征，利用设置填充物产生漩涡的方法可以与纳米流相辅相成，不仅可以提升集热管的热效率，还可以使纳米颗 粒在流体中的分布更加均匀。如文献[72]中将掺有银颗粒的纳米流与螺旋叶片填充方案相结合，使集热效率提高了5%；而文献[73]中将掺有碳纳米 管的纳米流与螺旋叶片填充方案相结合，使集热效率提升了4.4%。此外在透明吸热管中添加混 有纳米颗粒的高压气体作为流体工质成为另一种技术方案，与其他方法不同的是，该方案是通过辐照直接加热镀有吸收涂层的高浓度纳米颗粒，而不是传统的集热管先通过辐照加热集热管，再通过对流换热加热流体工质，该方法的传热途径更短，理论上可以获得更高的热效率，且气体和颗粒物作为工质，可以适应更高的温度需求，尤其是聚光比较高的场合，如碟式、塔式太阳能集热场中。文献[74]中将该方案应用于槽式集热场中，采用CuO纳米颗粒，出口温度可达180℃，平均热效率约为65%。

表4 流体工质纳米颗粒添加物

3.3 颗粒物工质

对于流体工质而言，现阶段颗粒物接收器成为新的研究热点，其类型主要包括自由下落式、阻断式、离心式和流化床式等；该技术的特点是颗粒物可以承受1000℃以上的高温而不发生分解，在200℃以下也没有凝固的风险。自由下落式接收器是通过辐照能流直接加热从腔式集热器顶部下落的颗粒物获得热能，通过顶部滑动阀门控制流量得到所需的出口温度，如图7(a)所示。文献[75]中对1MW的连续循环颗粒集热器进行了测试，其出口温度可达700℃，光热效率在50%~80%之间。文献[76-77]中总结了风向、风速以及开口面积等因素对该类集热器的影响。由于高开口面积会增加集热器的散热，但低开口面积会减少颗粒物接受辐照的时间，阻断式集热器就是在颗粒物下落路径上添加阻挡物来延长辐照时间，如图7(b)所示。阻挡物的结构多为多孔材料，包括金属、陶瓷泡沫、不锈钢交错网等，将出口颗粒物温度提升到900℃[78]；也包括螺旋滑轨等结构，采用该结构30min内可将颗粒物温度加热到650℃[83]。文献[84]介绍了离心式接收器，如图7(c)所示，其原理是通过旋转的接收器产生的离心力使颗粒物沿接收器壁面运动，提高了接受辐照的时间，平均辐照强度为300~700kW/m2，出口温度可达900℃，光热效率达到75%。流化床式集热器起源于Sandia实验室19世纪七十年代的实验，其原理是在垂直的透明管底部通入压缩空气和颗粒物混合物(硅砂、ZrO2、SiO2和耐火黏土等)，在管顶部接受辐照。对于平均辐照能流密度为500kW/m2的集热器，其硅砂颗粒物的温度可达1200K，而二氧化硅颗粒物的温度可达1400K，热效率在20%~40%之间[85]。此外，流化床式集热器也可以采用间接加热的方式，通过辐照加热不锈钢集热管，集热管再对颗粒物气流进行加热，文献[86]中出口温度可达750℃，管内壁的换热系数在质量流量为10~45kg/(m2·s)的情况下可达420~1100W/(m2·K)。

图7 自由下落颗粒物型集热器示意图

3.4 液态金属工质

对于塔式、碟式集热场，液态金属也可被用作流体工质，主要包括金属钠、钾，以及钾钠合金，其优势在于：1）液态金属可以在高温下运行，工作温度可达650~850℃[87]；2）液态金属较高的热导率可以提高集热管壁面与导热流体之间的换热效率；3）液态金属较高的热导率可以降低集热器温差，从而降低管道热应力；4）液态金属高温下较低的饱和蒸气压和较高的汽化潜热使其可用于相变集热器的设计。

碟式集热场中液态金属相变集热器主要包括热管集热器和池沸腾集热器。热管集热器的原理是通过毛细吸液芯结构使液态金属均匀包覆在集热管上，液态金属吸收太阳能热后蒸发成为金属蒸汽，蒸汽在换热管上冷凝放热，将热量传递给管内的工作介质，冷凝后的蒸汽流回集热管表面，相较于直接照射式集热器，系统的效率可以提高20%[88]；池沸腾集热器没有毛细吸液芯结构，液态金属聚集在金属池内，吸收太阳能热后产生金属蒸汽，池沸腾集热器结构简单，加工成本较低，但存在沸腾不稳定、恶化传热等问题。

4 结论

本文对槽式、塔式以及碟式3种典型集热场从光学结构、集热器结构、导热工质3个方面进行了综述，总结了现阶段提升集热效率和运行稳定性的技术手段，主要分为以下几点：1）百米级槽式太阳能集热场阵列跟踪系统结构双轴化以降低余弦效应；2）光路追迹法被用于仿真异形结构集热场辐照能流分布；3）集热管中添加填充物增强管内湍流，提高对流换热面积；4）在流体工质中添加纳米颗粒物来提高流体工质的传热性能；5）实验与CFD模拟成为集热管特性研究的重要方法；6）多孔介质在吸热器端广泛运用。

现阶段集热场结构优化方面的研究已经取得了丰硕的成果，但由这些优化策略派生的问题尚未解决。未来聚光太阳能集热场技术的发展方向包括：通过提高聚光辐照分布的均匀性来降低集热器的热应力；优化集热管填充物结构，在保证原有的集热效率提升的基础上降低管路压损；对于点聚焦式集热场，优化集热器结构以降低由对流、辐射引起的热损；探究集热器中颗粒物的传热与流体特性，建立合理的多相流模型。

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Review on Advanced Technology of Concentrated Solar Power Concentrators

TONG Kai1, YANG Lijun1, SONG Jifeng2, DU Xiaoze1, YANG Yongping1

(1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China; 2. School of Renewable Energy, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China)

Concentrated solar power generation technology is one of the most important approach of the solar thermal utilization due to its stability, controllability and high capacity. The photon-thermal conversion efficiency of the solar concentrator is the main factor that influence the power generation capacity and the photon- electric conversion efficiency of the concentrated solar thermal power station. In this paper, the recent key technologies of improving the optical-thermal conversion performance of the solar concentrators were summarized via three aspects, including optical structures, receiver structures and heat transfer fluid. The advanced optimization strategy and the performance improvements of the concentrators, as well as the limitation, were presented. On the basis referred, the perspective of the solar concentrator technologies was analyzed.

concentrated solar power generation; solar concentrator; irradiative flux distribution; heat transfer fluid; nanoparticle

10.12096/j.2096-4528.pgt.19095

国家自然科学基金项目(51776067)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51776067).

2019-06-04。

佟锴(1992)，男，博士研究生，研究方向为槽式聚光太阳能发电技术、光催化技术等，tongkai@ncepu.edu.cn；

杨立军(1970)，男，博士，教授，研究方向为火力发电厂空冷技术、太阳能热发电技术，烟气除尘技术和二氧化碳捕集技术等，yanglj@ncepu.edu.cn。

佟锴

(责任编辑 杨阳)