太阳能有机朗肯循环储热发电系统储热及回热技术应用研究

摘要

采用有机朗肯循环（ORC）的中低温太阳能热发电技术在分布式能源站的应用中具有优势，由于存在太阳辐射间歇性与ORC热电效率低的缺点，应用推广受到限制。针对上述问题，本文开展了提高太阳能光热系统稳定性和热电效率的研究。 本文开展的研究工作包括如下内容： 1）储热罐研究：以云南普洱某小型槽式光热项目为研究对象，设计储热系统（供热功率为100kW，供/回温度为200℃/100℃，供热时长为6h）、采用FLUENT对储热罐热腔散热进行模拟研究，分析隔热板厚度、保温层厚对储热性能影响； 2）提高ORC热电效率的研究：针对ORC系统，选择循环工质并建立系统数学模型；采用EES对普通式ORC系统、抽气回热式ORC系统、内回热式ORC系统进行模拟研究，研究不同循环形式下各参数对系统热电效率的影响。 本文主要成果如下： 1、储热罐设计：在比较分析斜温层单罐和双罐技术的基础上，本文提出了采用竖直圆柱单罐加隔热板的方法设计了单罐双腔储热系统，储热介质采用T55导热油，储热罐内径2.6m，高度3.6m，隔热板采用泡沫玻璃材质厚0.15m，为保证储热性能隔热板与储热罐间隙应小于2.6mm。 2、储热罐性能研究：模拟结果显示，储热罐上部热腔在散热过程中，高于0.2m高度区域，流体内部温差小于2℃，应将热流体吸入口置于上部1/3区域；此外，隔热板厚度对储热罐储热性能影响较小；对比分析了顶部与侧壁不同保温层厚度（0.1m-0.3m）对储热性能的影响，侧壁保温层对储热性能影响更大，对本次设计的储热罐推荐保温层厚度为0.2m。 3、普通ORC系统研究：选择R123作为循环工质，蒸发器出口工质过热度从0℃增加到35℃，热电效率仅相比增加1.6%，但比体积却增加32.8%，因此过热度应尽量小；提高蒸发压力能提高系统热电效率，蒸发压力从1.5MPa提高到3.5MPa，热电效率相比增加19.1%。 4、抽气回热ORC系统研究：热电效率与抽气压力有关；抽气压力一定，抽气系数达到临界值时，热电效率达到该抽气压力下极值；随着抽气压力的增加，抽气系数达到临界值时的热电效率先增大后减小。例如2.8MPa蒸发压力下，热电效率随抽气压力增大先增大后减小，在抽气压力为0.7MPa时热电效率达到最大，相比普通循环增加13.5%，之后逐渐减小，在2.0MPa时热电效率将小于普通循环。 5、内回热ORC系统研究：对于干工质ORC系统，热电效率随回热系数增大而增大；在该循环模式下，蒸发器出口工质宜采用过热形式，且随着回热系数的增大，过热度对热电效率的影响增大。例如2.8MPa蒸发压力下，回热系数从0变化到1，热电效率相比提高15.1%；回热系数为0.6时，过热度从0℃变化到35℃，热电效率相比提高10.4%，相比普通循环提高18.0%。 本文创新性地提出并模拟了一种单罐双腔储热罐；发现抽气回热对热电效率具有提高13.5%的潜力；内回热具有提高热电效率18.0%的潜力。本文的研究对小型太阳能光热发电站的设计具有指导意义。

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