太阳能热发电斜温层单罐蓄热特性研究

【摘要】：太阳能热发电是一种重要的新能源利用形式,在传统化石燃料日益枯竭的背景下,大力发展太阳能热发电具有非常重要的现实意义。然而,太阳能的间歇性使得光热电站平稳输出负荷以及并网发电成为一个难题。现有的双罐蓄热方案以及天然气后备发电装置虽然能够实现光热电站平稳运行,但成本太高,反而限制了光热电站与传统火电站的竞争。斜温层单罐蓄热是一种相对廉价的蓄热方式,如果将单罐蓄热与太阳能辅助燃煤电站相集成,实现互补发电,则能够有效地降低发电成本。本课题从斜温层单罐蓄热模型出发,以数学分析、实验研究、数值模拟和仿真建模等手段,综合性地研究分析太阳能斜温层单罐的蓄热特性。主要研究内容和结论包括：(1)基于精度更可靠的CFD数值模拟,对三种典型固液蓄热结构(平板式、柱式和蜂窝状)的温度分布曲线和换热流体出口温度变化曲线进行研究,发现不同蓄热结构的斜温层单罐在蓄热过程中,温度分层现象差异明显,其中平板式结构蓄热性能最好,主要原因是由于其有效换热系数和换热面积较大。将数值模拟结果与所提出的三种典型结构下、一维固液蓄热结构瞬态模型计算结果进行了对比。所选取的一维瞬态模型采用了拓展的集总参数法(适用于Biot数从0.1到100的情况),利用有效换热系数替代换热系数以修正固体蓄热材料内部导热热阻的影响,结果发现数值模拟与模型计算结果吻合良好,可以用于描述固液换热蓄热过程。(2)提出基于砂砾和砂砾／导热油固液混合物蓄热介质的思路,并以间接接触式实验装置开展蓄热性能研究。对不同粒径的砂砾用作蓄热介质的蓄热特性进行研究后发现：决定砂砾的蓄热性能的重要因素是空隙率,空隙率越低,蓄热性能越好。其中,粗砂空隙率最低,蓄热效果最好,滤砂最次。对于砂砾等基本物性变化不大的材料,不同蓄热温差下,蓄热效率相同,可以很容易地推广到高温实际蓄热情况。高流速下,蓄热罐体蓄热量增加,但不会成倍地增加。使用导热油填充砂砾空隙,可以提高蓄热罐体的蓄热效率,同时,罐体内部径向上温度分布可以更加均一,导热更快。相比纯砂砾蓄热,固液混合物蓄热的蓄热效率可提高18.5%。该思路在成熟时,推广到以工业废油和食用油替代昂贵的导热油,可以进一步降低蓄热成本。(3)建立了斜温层单罐蓄热性能评价标准体系,通过优质性因子、成本因子和综合性效率因子三个指标,比较单罐和双罐蓄热系统的蓄热性能。由平板式、柱式和蜂窝状蓄热结构的数值模拟计算结果,参照三种效率因子发现：当空隙率ε在0.25～0.33的区间内变动时,对蓄热系统的蓄热性能影响变化不大。其中,较大的空隙率有利于提高蓄热性能,但是空隙率增大后换热流体的消耗也随之增加；较小的空隙率下蓄热性能略差,但是可以减少换热流体的消耗,因此当换热流体成本远高于蓄热介质时,有利于降低蓄热系统的成本。质量流量、蓄热单元高度和蓄热单元横截面积等均能影响蓄热性能,在合理的运行范围内,应选取较低的质量流量、较高的蓄热单元高度和较小的蓄热单元横截面积。适当调整优质性因子的允许偏差时,单罐蓄热系统蓄热性能将会提高且蓄热成本降低,有望远超过采用油盐换热器的双罐蓄热系统。(4)首次将斜温层单罐蓄热系统与太阳能辅助燃煤发电机组进行耦合集成。选取北京地区典型气象状况下(包括春分、夏至、秋分和冬至四个节气),采用单罐蓄热、双罐蓄热和不带蓄热时,在不同集成策略下,对燃煤机组煤耗率、太阳能发电量、太阳容量等因素进行分析后发现：在不同取代策略下,燃料节省型取代第一级高加的效果最好。蓄热系统能够有效降低煤耗率,提高发电量和太阳能容量因子,如在秋季辐照良好时,发电机组的日平均煤耗率从原有的290.62 g·kWh-1降低2 g·kWh-1以上,但在辐照较低时,不宜采用斜温层单罐蓄热系统。 【关键词】：太阳能 斜温层模型 单罐 蓄热 砂砾 评价标准 集成
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第1章 绪论16-30
• 1.1 课题背景16-21
• 1.1.1 常见蓄热方式17-21
• 1.2 斜温层单罐显热蓄热及国内外研究现状21-27
• 1.2.1 双罐蓄热与单罐蓄热比较22-23
• 1.2.2 斜温层模型和蓄热特性23-25
• 1.2.3 斜温层蓄热材料和结构25-26
• 1.2.4 蓄热系统优化研究26-27
• 1.3 联合电站耦合运行及国内外研究现状27-28
• 1.4 课题研究内容及意义28-30
• 第2章 拓展的集总参数法蓄热模型研究30-46
• 2.1 蓄热结构数学模型32-35
• 2.1.1 简化的一维瞬态固体和液体蓄热数学方程32-34
• 2.1.2 用修正后的传热系数替代的量纲一化的控制方程34-35
• 2.2 CFD数值模拟求解35-37
• 2.2.1 初始条件和边界条件35
• 2.2.2 当前模拟用主要参数设置35-37
• 2.3 一维瞬态模型计算结果37-38
• 2.4 CFD分析及与一维瞬态模型结果比较38-45
• 2.4.1 计算步骤39-40
• 2.4.2 网格与步长独立性40-43
• 2.4.3 CFD数值模拟与一维瞬态模型计算结果比较43-45
• 2.5 本章小结45-46
• 第3章 基于砂砾蓄热材料的单罐蓄热特性研究46-61
• 3.1 实验系统47-53
• 3.1.1 实验材料47-49
• 3.1.2 实验装置49
• 3.1.3 Labview数据采集系统49-51
• 3.1.4 测量方案与误差分析51-53
• 3.2 纯砂砾蓄热实验结果与讨论53-56
• 3.2.1 不同类型砂砾蓄热比较53-55
• 3.2.2 不同温差下砂砾蓄热性能55
• 3.2.3 不同流速下砂砾蓄热性能55-56
• 3.3 混合物蓄热实验结果与讨论56-59
• 3.3.1 不同蓄热介质对比56-58
• 3.3.2 不同温差下混合物蓄热性能58-59
• 3.3.3 不同流速下混合物蓄热性能59
• 3.4 本章小结59-61
• 第4章 斜温层单罐蓄热性能评价标准61-80
• 4.1 引言61-62
• 4.2 蓄热系统数值模型62-65
• 4.2.1 传热模型62-63
• 4.2.2 数值模拟条件设置63-64
• 4.2.3 网格独立性和步长独立性检验64
• 4.2.4 数值模拟与实验对照64-65
• 4.3 单罐蓄热性能评价标准65-68
• 4.3.1 优质性因子和成本因子65-67
• 4.3.2 综合性效率因子67-68
• 4.4 不同参数下蓄热性能评价标准的应用68-79
• 4.4.1 不同的质量流量和空隙率68-72
• 4.4.2 不同罐体高度72-74
• 4.4.3 不同蓄热单元横截面积74-76
• 4.4.4 不同蓄热类型比较76-78
• 4.4.5 总体比较78-79
• 4.5 本章小结79-80
• 第5章 蓄热系统与燃煤机组耦合集成特性仿真80-102
• 5.1 太阳能集热场与蓄热系统81-90
• 5.1.1 光热电站重要设计参数81-82
• 5.1.2 槽式电站实际设计问题82-85
• 5.1.3 槽式集热器模型85-88
• 5.1.4 气象数据88-89
• 5.1.5 蓄热系统89-90
• 5.2 燃煤机组模型90-95
• 5.2.1 中宁电站机组参数90-91
• 5.2.2 电站热力系统模型91-94
• 5.2.3 常见系统评价指标94-95
• 5.3 耦合集成方式及静态特性分析95-101
• 5.3.1 不同耦合集成方式95-99
• 5.3.2 全年运行特性99-101
• 5.4 本章小结101-102
• 第6章 结论与展望102-105
• 6.1 主要研究结论102-103
• 6.2 论文创新点103-104
• 6.3 后续工作展望104-105
• 参考文献105-113
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果113-115
• 攻读博士期间参加的科研工作115-116
• 致谢116-117
• 作者简介117

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