论文部分内容阅读
低成本且适合大容量使用的储热技术是太阳能热发电技术推向商业化应用的关键技术，同时也是太阳能热发电技术相较于其他可再生能源技术最主要的优势所在。混凝土具有材料成本低廉、化学性质稳定以及使用寿命长等优点，是极具应用前景的储热介质。本文针对以混凝土为储热介质的固体显热储热系统的储热性能这一关键问题，采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的研究方法，从储热单元模型、储热系统设计以及储热系统与电站集成三个方面进行逐步深入的分析和研究。本论文的主要内容和结论有: 1.以空心圆柱储热单元为研究对象，利用修正集总热容法建立了储热单元的一维非稳态模型。该单元模型具有较高的准确度，且可以进行快速计算，能够适用于储热系统与电站集成的仿真计算。本文利用拉普拉斯变换的方法，推导了修正集总热容法中适用于空心圆柱储热单元的等效对流换热系数的表达式，并通过与解析解的对比，验证了该表达式的准确性。利用以水为传热流体的混凝土储热块的充热实验，对储热单元模型进行了实验验证。储热块流体出口温度的对比结果表明，模型计算结果与实验结果的平均误差小于1℃，相对误差小于1.5％，说明本文的储热单元模型具有较高的精确度，可以较为准确的描述储热单元的充放热特性。 2.利用拉普拉斯变换法，推导了储热单元模型的解析解。基于单元模型的解析解，提出了以单位储热成本为优化目标，有效放热量和流体出口温度为约束条件的混凝土储热系统优化设计方法。该优化设计方法综合考虑了储热系统的储热性能和成本，在满足系统要求的前提下，使储热系统成本达到最低。利用提出的优化设计方法，对不同的换热管内径，放热时间和储热量的混凝土储热块进行了优化设计。优化设计结果表明，储热材料和换热器材料的成本占整个储热系统总成本的95％以上。在储热性能相同的前提下，系统单位储热成本随换热管内径的增加而增加，随储热系统最低流体出口温度的升高而增加，随放热功率的增加而增加，随放热时间的增加而下降。在储热系统三个关键参数（有效放热量、放热功率和放热时间）中，放热时间对系统单位储热成本的影响最大。 3.基于混凝土储热的特点，提出了利用模块化充放热控制策略提高混凝土储热系统的储热容量利用因子的方法。采用4模块的模块化充放热控制策略，可以使储热系统的储热容量利用因子从33.4％提高到39.1％。建立了槽式太阳能集热器模型和发电系统模型，与本文第二章混凝土储热单元模型结合，组成了槽式太阳能热发电站的系统模型，并通过与参考文献的对比，对系统模型进行了验证。本文针对混凝土储热系统集成到电站系统后的特点，提出限制储热系统流量、先充热后发电以及利用储热系统为集热器和发电系统预热的储热系统控制策略。系统模型计算结果表明，采用限制储热系统流量和先充热后发电的控制策略可以将储热系统的储热容量利用因子提高到49.8％，较现有控制策略提高了11.9％，同时增加了8.7％的系统发电量。而采用限制储热系统流量和利用储热系统为集热器和发电系统预热的控制策略，储热容量利用因子也可以达到48.1％，系统的发电量比现有控制策略增加了10.1％。 4.利用发电系统模型，提出了以储热系统的单位发电成本为优化目标的储热系统优化设计方法，并对50MW槽式太阳能热发电站的混凝土储热系统进行了优化设计。系统模型计算结果表明，本文优化设计后的混凝土储热系统，在保证系统储热性能的前提下（即电站的总发电量不减少），储热系统的单位发电成本较参考文献的设计结果低1.74％，达到了优化设计的目的，同时也证明了本文优化设计方法的可靠性。