基于分段式吸热器的塔式太阳能发电性能研究

摘要

近年来，随着可再生能源技术在世界范围内的快速发展与推广，直接蒸汽式(DSG)塔式太阳能热发电技术由于低成本、高效率的优势在我国受到广泛关注。针对DSG塔式电站定日镜场聚光模式复杂和电站启机耗时过长的问题，本论文根据水/蒸汽传热流体蒸发和过热过程的传热特性，提出一种由外置式吸热器（蒸发段）和腔式吸热器（过热段）所组成的分段式吸热器，并基于该分段式吸热器的独特结构展开电站系统集成设计与热经济性仿真研究。
　　基于分段式吸热器结构建立定日镜场聚光模型并分析其聚光特性。通过聚光热流分配与迭代计算，得到位于西班牙塞维利亚10MWeDSG塔式电站定日镜场最佳设计方案，此时定日镜场整体效率为72.17％，指向蒸发段和过热段的定日镜数量分别为442个和182个，该定日镜场分配方案不仅保证了分段式吸热器表面热流值不超过安全范围，同时可提供蒸发段和过热段各自所需的热量。经计算，年运行工况下，定日镜场效率不完全随着太阳高度角的增加而增加，但全年内分段式吸热器表面最大热流值往往发生在夏至12:00，因此在进行定日镜场和分段式吸热器设计时，需对该时刻下分段式吸热器表面热流进行校验以确保工程安全性。
　　建立分段式吸热器热力模型以揭示其运行特性。设计工况下10MWeDSG塔式电站分段式吸热器的热效率为86.55％。通过与双外置式吸热器进行对比，得到分段式吸热器热效率提高了3.2％，对应发电效率提高了0.88％。不同运行时刻下，尽管蒸发段采用外置式吸热器，但由于其表面温度远低于过热段，蒸发段热效率大于过热段约5％-9％;通过动态分配蒸发段和过热段所分别对应的定日镜数量，可维持分段式吸热器出口蒸汽温度为额定值。不同管外径下，减少蒸发段管外径对提高蒸发段热效率几乎没有影响，原因在于管壁导热热阻为主要热阻;而减少过热段管外径能大大提高过热段热效率，原因在于对流换热热阻为主要热阻，综合考虑管内对流和泵功消耗，过热段管外径存在最优值。
　　基于分段式吸热器建立DSG塔式电站系统集成模型并对其热经济性进行讨论。在额定发电功率固定为50MWe而土地占用面积可改变的情况下，当太阳倍数和储热时长分别为2.7和9h时，电站标准发电成本(LCOE)最低，为21.4c/kWhe;通过改变电站地理位置可使得年太阳能法向直射辐射强度(DNI)提高55％，电站年发电量提高20.4％，电站最低LCOE降低30.1％，相应的最优太阳倍数降低至2.0;通过逐步改变电站各子系统投资成本进行敏感性分析后得到，最低LCOE受定日镜场和分段式吸热器投资成本变化的影响最大，且最优太阳倍数和储热时长仅随着定日镜场和储热系统投资成本的降低而增加。在土地占用面积固定为4.8km2而额定发电功率可改变的情况下，电站最低LCOE为21.77c/kWhe，对应的太阳倍数为1.7，储热时长为3h;通过改变电站地理位置或电站各子系统投资成本时得到的结论与固定额定发电功率时基本类似，由此可得与电站位置和成本敏感性分析相关的结论通用性较强，受限制域影响不大;通过将固定的土地占用面积由2.15km2逐渐增加至8.11km2时，电站最低LCOE由24.53c/kWhe降低至20.92c/kWhe，但其降低速率在不断减缓，最优太阳倍数和储热时长因电站年发电量和总投资成本变化趋势相对稳定而保持不变。
　　为进一步降低DSG塔式太阳能电站储热系统的投资成本，采用“一步法”制备出比热更高且适用于大规模工程应用的纳米盐复合储热材料。当CuO纳米颗粒浓度为0.5wt％时，相对于纯二元硝酸盐，纳米盐复合物在液态状态下比热提高率可达到11.48％，其终止熔化温度提高约3℃，因此该纳米盐复合物更适合作为显热储热材料，但在作为显热储热材料时应注意时刻保持其工作温度高于终止熔点，从而防止出现储热材料凝固等安全事故。基于扫描电子显微镜(SEM)图像，推测低浓度CuO纳米颗粒表面针状纳米结构的半固体层是纳米盐复合物比热提高的原因。通过对该半固体层假设一个合适的比热值，结合修正后的混合物模型，可较为精确地预测低浓度CuO纳米盐复合物的比热。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 塔式太阳能电站聚光-吸热系统研究

1．2．2 塔式太阳能电站储热技术研究

1．2．3 塔式太阳能电站系统及热经济性评估研究

1．3 论文主要研究内容

第2章 分段式吸热器定日镜场聚光性能研究

2．1 引言

2．2 分段式吸热器及定日镜场布置

2．3 定日镜场设计

2．3．1 定日镜效率计算模型

2．3．2 定日镜场优化模型

2．3．3 定日镜场分配模型

2．4 分段式吸热器表面热流分布计算模型

2．5 定日镜场设计结果及分析

2．6 分段式吸热器表面热流分布结果及分析

2．7 定日镜场聚光模型验证

2．7．1 锥体光学法模型验证

2．7．2 射线追踪法模型验证

2．8 本章小结

第3章 DSG塔式分段式吸热器热性能研究

3．1 引言

3．2 分段式吸热器管束布置方式

3．3 分段式吸热器热力模型

3．3．1 压降计算

3．3．2 传热系数计算

3．3．3 热损失计算

3．3．4 传热特性求解方法

3．4 分段式吸热器热力仿真结果及分析

3．4．1 分段式吸热器热性能分析

3．4．2 分段式吸热器和双外置式吸热器热性能比较

3．4．3 运行时刻对分段式吸热器热性能的影响

3．4．4 管外径对分段式吸热器热性能的影响

3．5 吸热器热力模型验证

3．6 本章小结

第4章 DSG塔式太阳能电站热经济性分析

4．1 引言

4．2 电站系统构成

4．3 系统热经济性评价模型

4．3．1 气象数据

4．3．2 定日镜场和吸热器模型

4．3．3 储热系统和汽轮发电机组模型

4．3．4 系统集成模型

4．3．5 热经济性评价模型

4．4 固定发电功率下的系统优化及分析

4．4．1 定日镜场和分段式吸热器效率

4．4．2 日运行特性

4．4．3 年运行热经济性分析

4．4．4 电站位置对LCOE的影响

4．4．5 电站各子系统投资成本对LCOE的影响

4．5 固定土地占用面积下的系统优化及分析

4．5．1 年运行热经济性分析

4．5．2 电站位置对LCOE的影响

4．5．3 电站各子系统投资成本对LCOE的影响

4．5．4 土地占用面积对LCOE的影响

4．6 本章小结

第5章 DSG塔式太阳能电站储热材料实验研究

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 纳米盐复合物制备方法

5．2．2 纳米盐复合物特性表征

5．3 实验结果与讨论

5．4 机理分析

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介