太陽能熱發(fā)電斜溫層單罐蓄熱特性研究.pdf

1、太陽能熱發(fā)電是一種重要的新能源利用形式，在傳統(tǒng)化石燃料日益枯竭的背景下，大力發(fā)展太陽能熱發(fā)電具有非常重要的現(xiàn)實意義。然而，太陽能的間歇性使得光熱電站平穩(wěn)輸出負荷以及并網(wǎng)發(fā)電成為一個難題?，F(xiàn)有的雙罐蓄熱方案以及天然氣后備發(fā)電裝置雖然能夠?qū)崿F(xiàn)光熱電站平穩(wěn)運行，但成本太高，反而限制了光熱電站與傳統(tǒng)火電站的競爭。斜溫層單罐蓄熱是一種相對廉價的蓄熱方式，如果將單罐蓄熱與太陽能輔助燃煤電站相集成，實現(xiàn)互補發(fā)電，則能夠有效地降低發(fā)電成本。
　　

2、本課題從斜溫層單罐蓄熱模型出發(fā)，以數(shù)學分析、實驗研究、數(shù)值模擬和仿真建模等手段，綜合性地研究分析太陽能斜溫層單罐的蓄熱特性。主要研究內(nèi)容和結(jié)論包括:
　　(1)基于精度更可靠的CFD數(shù)值模擬，對三種典型固液蓄熱結(jié)構（平板式、柱式和蜂窩狀）的溫度分布曲線和換熱流體出口溫度變化曲線進行研究，發(fā)現(xiàn)不同蓄熱結(jié)構的斜溫層單罐在蓄熱過程中，溫度分層現(xiàn)象差異明顯，其中平板式結(jié)構蓄熱性能最好，主要原因是由于其有效換熱系數(shù)和換熱面積較大。將數(shù)值模擬

3、結(jié)果與所提出的三種典型結(jié)構下、一維固液蓄熱結(jié)構瞬態(tài)模型計算結(jié)果進行了對比。所選取的一維瞬態(tài)模型采用了拓展的集總參數(shù)法（適用于Biot數(shù)從0.1到100的情況），利用有效換熱系數(shù)替代換熱系數(shù)以修正固體蓄熱材料內(nèi)部導熱熱阻的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬與模型計算結(jié)果吻合良好，可以用于描述固液換熱蓄熱過程。
　　(2)提出基于砂礫和砂礫/導熱油固液混合物蓄熱介質(zhì)的思路，并以間接接觸式實驗裝置開展蓄熱性能研究。對不同粒徑的砂礫用作蓄熱介質(zhì)的蓄熱

4、特性進行研究后發(fā)現(xiàn):決定砂礫的蓄熱性能的重要因素是空隙率，空隙率越低，蓄熱性能越好。其中，粗砂空隙率最低，蓄熱效果最好，濾砂最次。對于砂礫等基本物性變化不大的材料，不同蓄熱溫差下，蓄熱效率相同，可以很容易地推廣到高溫實際蓄熱情況。高流速下，蓄熱罐體蓄熱量增加，但不會成倍地增加。使用導熱油填充砂礫空隙，可以提高蓄熱罐體的蓄熱效率，同時，罐體內(nèi)部徑向上溫度分布可以更加均一，導熱更快。相比純砂礫蓄熱，固液混合物蓄熱的蓄熱效率可提高18.5％。

5、該思路在成熟時，推廣到以工業(yè)廢油和食用油替代昂貴的導熱油，可以進一步降低蓄熱成本。
　　(3)建立了斜溫層單罐蓄熱性能評價標準體系，通過優(yōu)質(zhì)性因子、成本因子和綜合性效率因子三個指標，比較單罐和雙罐蓄熱系統(tǒng)的蓄熱性能。由平板式、柱式和蜂窩狀蓄熱結(jié)構的數(shù)值模擬計算結(jié)果，參照三種效率因子發(fā)現(xiàn):當空隙率ε在0.25～0.33的區(qū)間內(nèi)變動時，對蓄熱系統(tǒng)的蓄熱性能影響變化不大。其中，較大的空隙率有利于提高蓄熱性能，但是空隙率增大后換熱流體的消

6、耗也隨之增加;較小的空隙率下蓄熱性能略差，但是可以減少換熱流體的消耗，因此當換熱流體成本遠高于蓄熱介質(zhì)時，有利于降低蓄熱系統(tǒng)的成本。質(zhì)量流量、蓄熱單元高度和蓄熱單元橫截面積等均能影響蓄熱性能，在合理的運行范圍內(nèi)，應選取較低的質(zhì)量流量、較高的蓄熱單元高度和較小的蓄熱單元橫截面積。適當調(diào)整優(yōu)質(zhì)性因子的允許偏差時，單罐蓄熱系統(tǒng)蓄熱性能將會提高且蓄熱成本降低，有望遠超過采用油鹽換熱器的雙罐蓄熱系統(tǒng)。
　　(4)首次將斜溫層單罐蓄熱系統(tǒng)與太

7、陽能輔助燃煤發(fā)電機組進行耦合集成。選取北京地區(qū)典型氣象狀況下（包括春分、夏至、秋分和冬至四個節(jié)氣），采用單罐蓄熱、雙罐蓄熱和不帶蓄熱時，在不同集成策略下，對燃煤機組煤耗率、太陽能發(fā)電量、太陽容量等因素進行分析后發(fā)現(xiàn):在不同取代策略下，燃料節(jié)省型取代第一級高加的效果最好。蓄熱系統(tǒng)能夠有效降低煤耗率，提高發(fā)電量和太陽能容量因子，如在秋季輻照良好時，發(fā)電機組的日平均煤耗率從原有的290.62g·kWh-1降低2 g·kWh-1以上，但在輻照較