太陽(yáng)能熱發(fā)電斜溫層單罐蓄熱特性研究.pdf

1、太陽(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，太陽(yáng)能的間歇性使得光熱電站平穩(wěn)輸出負(fù)荷以及并網(wǎng)發(fā)電成為一個(gè)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(yùn)行，但成本太高，反而限制了光熱電站與傳統(tǒng)火電站的競(jìng)爭(zhēng)。斜溫層單罐蓄熱是一種相對(duì)廉價(jià)的蓄熱方式，如果將單罐蓄熱與太陽(yáng)能輔助燃煤電站相集成，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)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(xué)分析、實(shí)驗(yàn)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(yáng)能斜溫層單罐的蓄熱特性。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論包括:
　　(1)基于精度更可靠的CFD數(shù)值模擬，對(duì)三種典型固液蓄熱結(jié)構(gòu)（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(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同蓄熱結(jié)構(gòu)的斜溫層單罐在蓄熱過(guò)程中，溫度分層現(xiàn)象差異明顯，其中平板式結(jié)構(gòu)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(gòu)下、一維固液蓄熱結(jié)構(gòu)瞬態(tài)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)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(dǎo)熱熱阻的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬與模型計(jì)算結(jié)果吻合良好，可以用于描述固液換熱蓄熱過(guò)程。
　　(2)提出基于砂礫和砂礫/導(dǎo)熱油固液混合物蓄熱介質(zhì)的思路，并以間接接觸式實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展蓄熱性能研究。對(duì)不同粒徑的砂礫用作蓄熱介質(zhì)的蓄熱

4、特性進(jìn)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(duì)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(shí)際蓄熱情況。高流速下，蓄熱罐體蓄熱量增加，但不會(huì)成倍地增加。使用導(dǎo)熱油填充砂礫空隙，可以提高蓄熱罐體的蓄熱效率，同時(shí)，罐體內(nèi)部徑向上溫度分布可以更加均一，導(dǎo)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(shí)，推廣到以工業(yè)廢油和食用油替代昂貴的導(dǎo)熱油，可以進(jìn)一步降低蓄熱成本。
　　(3)建立了斜溫層單罐蓄熱性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，通過(guò)優(yōu)質(zhì)性因子、成本因子和綜合性效率因子三個(gè)指標(biāo)，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(gòu)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，參照三種效率因子發(fā)現(xiàn):當(dāng)空隙率ε在0.25～0.33的區(qū)間內(nèi)變動(dòng)時(shí)，對(duì)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(dāng)換熱流體成本遠(yuǎn)高于蓄熱介質(zhì)時(shí)，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(yùn)行范圍內(nèi)，應(yīng)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(dāng)調(diào)整優(yōu)質(zhì)性因子的允許偏差時(shí)，單罐蓄熱系統(tǒng)蓄熱性能將會(huì)提高且蓄熱成本降低，有望遠(yuǎn)超過(guò)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(yáng)能輔助燃煤發(fā)電機(jī)組進(jìn)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(gè)節(jié)氣），采用單罐蓄熱、雙罐蓄熱和不帶蓄熱時(shí)，在不同集成策略下，對(duì)燃煤機(jī)組煤耗率、太陽(yáng)能發(fā)電量、太陽(yáng)容量等因素進(jìn)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(jí)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(yáng)能容量因子，如在秋季輻照良好時(shí)，發(fā)電機(jī)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