北京工业大学:熔盐槽式电站集热系统的模拟优化

时间:2018-02-20 20:12来源:太阳能光热联盟

  面对日益严峻的能源短缺和环境污染问题,储量巨大且安全无污染的太阳能将是支撑我国乃至全世界经济可持续发展的战略性能源。太阳能热发电技术可与低成本大规模的蓄热技术结合,提供连续、稳定、可调的高品质电能,具有广阔的发展前景。

  高温熔融盐(简称熔盐)传热蓄热技术是太阳能热发电的核心技术之一。熔盐作为太阳能热发电的传热蓄热介质,具有使用温度高、热稳定性好、比热容高、对流传热系数高、粘度低、饱和蒸汽压低、价格低等诸多优势;能够提高储能系统的上限温度, 减少储能系统的体积和重量。

  目前,商业化投运的槽式太阳能热发电均以导热油为传热介质,如果采用熔盐作为工作介质,可以提高系统的工作温度和汽轮机的进汽参数,进而提高其发电效率。此外,系统也可根据不同的温度要求选择使用不同的熔盐。我国乃至全球在高温熔盐槽式电站的设计和运维方面的经验都相对匮乏。作为整个槽式电站的核心部分——集热系统,对其性能进行研究至关重要。

  在吴玉庭和马重芳两位教授的指导下,北京工业大学环境与能源工程学院、传热强化与过程节能教育部重点实验室、传热与能源利用北京市重点实验室研究生王慧富、张晓明等对熔盐槽式太阳能热发电站集热系统进行了模拟优化,以下是部分研究内容,特此分享,以供参考:

  一、建立模型与研究方法

  我们利用SAM(System Advisor Model)软件,建立了熔盐槽式太阳能热发电站模型,导入北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室研制的低熔点熔盐作为所建模型的传、蓄热工质,在已有的文献研究基础上,结合理论分析,在集热镜场总面积和蓄热时长等其他系统参数不变的情况下,通过参数分析法研究了槽式电站集热系统的各性能参数随集热器阵列布置方案、镜场工质设计出口温度和集热系统分区数的变化规律,对所建模型的槽式集热系统进行了模拟优化。

  二、结果分析与讨论

  1、附加能耗损失

  不同集热器阵列布置方案下,集热系统工质泵耗功随镜场工质设计出口温度的变化情况如下图所示。

  2、集热系统热性能

  不同集热器阵列布置方案下,集热系统吸收太阳能和“弃光量”随镜场工质设计出口温度的变化情况如下所示。

  不同集热器阵列布置方案下,集热管能量损失随镜场工质设计出口温度的变化情况如下所示。

  不同集热器阵列布置方案下,集热系统内工质压损随镜场工质设计出口温度的变化情况如下所示。

  3、集热系统折合效率

  集热系统折合效率计算公式如下:

 

  槽式集热系统折合效率随集热器阵列布置方案和镜场工质设计出口温度的变化规律如下所示。

  4、集热系统分区数

  集热系统吸收的太阳辐射能和系统折合效率随集热系统分区数的变化情况见下:

  三、结论

  1、对于高温熔盐槽式电站的集热系统,使用开口宽度较宽、聚光比较高的集热器有利于提升集热器热性能;

  2、当单回路集热器数量Nsca=6时,槽式集热系统的集热管能量损失、工质泵耗功、工质压损均为最低;

  3、当Nsca=6时,集热系统吸收太阳辐射能最多,“弃光量”最少,系统折合效率最高,Nsca=8、Nsca=10、Nsca=12时依次降低;每种集热器阵列布置方案都存在最佳的镜场工质设计出口温度,Nsca=6对应的最佳Tdesout值在500~530℃左右,Nsca=8对应的最佳Tdesout值在550~580℃左右,当Nsca再增加时,最佳Tdesout值逐渐升高,超过620℃,甚至更高;

  4、集热系统分区数为2时,系统吸收的太阳辐射能最多,集热系统分区数为4时,系统的折合效率最高,但两者差距很小。

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