液态铅铋槽式太阳能集热管设计及性能分析

摘要

槽式光热发电技术具有风险低、技术可靠、经济性好等优点被广泛应用。当前，商业化应用的传统槽式集热管为单层真空玻璃套管结构，传热介质以导热油和熔盐为主。受其结构及传热介质热物性的影响，高温工况下传统槽式集热管的集热效率相对较低。本文在总结国内外研究现状和最新进展的基础上，提出采用具有良好热物理性能的液态铅铋合金(LBE)作为新型传热介质，系统分析了槽式集热管集热性能与结构优化设计，并初步分析了50MW光热电站系统。论文的主要研究内容和结论如下:
　　(1)分析了非均匀热流下集热管内液态LBE的传热特性，通过与经验公式对比，验证了非均匀热流下换热计算公式的有效性。基于槽式集热管二维稳态传热模型，对比分析了不同介质下的集热性能及其影响规律。重点研究了直射太阳辐射强度(DNI)、出口温度、环形真空区压强、涂层发射率及环境温度与风速对集热管性能的影响。结果表明，四种传热介质中液态金属传热下的集热效率高于融盐与导热油;出口温度565℃时熔盐的效率为53.2％，低于液态LBE的59.45％;环境风速的改变对槽式集热管效率的影响不明显。
　　(2)针对当前传统槽式真空集热管能量损失大、集热效率低的问题，对传统槽式真空集热管进行了优化设计，提出了一种含有中间玻璃套管的新型槽式集热管，对其集热性能及其影响因素进行了理论分析。结果表明，该新型槽式集热管在能量损失方面优于传统集热管，涂层发射率和真空区压强对能量损失的影响较大，环境风速的影响较小。工作温度为800℃时新型集热管的能量损失较传统集热管低448.25W/m，发射率为1时则为1800W/m。
　　(3)基于目前槽式光热电站系统的特点，设计了50MW液态LBE传热的槽式光热发电系统。结果表明，采用液态LBE传热介质的槽式光热发电系统峰值效率为25.16％，较熔盐高3％;年发电效率为18.04％，较熔盐系统高2.21％，因此液态LBE槽式光热发电系统热力性能优于传统熔盐电站。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 太阳能利用概述

1．2 光热发电技术介绍

1．2 槽式集热管研究现状

1．3 本文研究的主要内容及意义

第二章 物理模型与计算方法

2．1 液态LBE传热模型

2．1．1 集热管壁热流密度

2．1．2 液态LBE传热物理模型

2．1．3 数学模型及求解方法

2．1．4 网格无关性检验

2．2 槽式集热管传热理论基础

2．2．1 集热管物理模型

2．2．3 稳态传热过程及理论

2．2．5 计算模型验证

2．3 本章小节

第三章 传统槽式集热管性能分析

3．1 非均匀热流下液态LBE传热特性

3．1．1 温度场与流场特性

3．1．2 热工水力特性

3．2 集热管性能分析

3．2．1 太阳直射辐射强度的影响

3．2．2 出口温度的影响

3．3．3 真空区压强的影响

3．3．4 环境风速的影响

3．3 本章小节

第四章 新型槽式集热管设计与性能分析

4．1 新型集热管设计

4．2 计算结果与分析

4．2．1 玻璃套管层数的影响

4．2．2 金属内管温度的影响

4．2．3 吸收涂层的影响

4．2．4 真空区压强的影响

4．2．5 环境风速的影响

4．3 本章小结

第五章 液态LBE槽式光热发电系统初步设计

5．1 系统设计及参数

5．2 发电系统性能分析

5．2．1 性能评价指标

5．2．2 性能分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文

在学期间参与项目情况