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

发布时间：2020-08-02 18:38

【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。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM615
【图文】：

如图1-1 所示，从图中可以看到我国光热资源分布较为集中，且主要分布在人口少的西藏、青海、新疆等西部地区，开发利用的潜力巨大。我国作为世界最大的发展中国家，也是传统能源消耗大国，煤炭在我国能源结构中占主要比例，由于大量煤炭的使用，给我国造成了严重的环境问题，如北方的雾霾等，因此积极推进太阳能利用具有重要意义，目前我国太阳能热发电装机容量在全球装机容量占比不到 1%，2016 年被认为是中国太阳能光热发电开始大幅发展的元年，国家积极推进光热发电的建设投资，已建成多个示范项目，在建或规划中的商业太阳能光热发电项目装机容量超过 3GW[4]。目前我国太阳能光热发电技术仍处于发展阶段，缺乏相关的实际项目经验，光热电站系统设计缺乏参考资源，集成技术，系统建模模拟与仿真技术也处于起始阶段，因此对光热发电的研究对我国在太阳能热利用上具有重要意义，而储热设备对于光热发电站是必不可少的，储热设备在电站建设成本中也是占着较大的比重，另外对于太阳能发电系统的优化设计能在增加极少的成本的前提下增加系统发电效率，增加电站的经济性，对于推广太阳能热发电技术有积极作用。传统的太阳能光热发电普遍采用水蒸汽作为工质推动的有机朗肯循环系统，然而由于水的自身物性决定了循环的热源温度不能过低，实际上当热源温度低于370℃时，使用水作为工质的朗肯循环效率将会很低，且由于汽轮机内膨胀过程大部分处于湿蒸汽区，因此技术要求高且运行维护任务重。因此高温太阳能发电需要在规模足够大的情况下才有经济价值。高温太阳能热发电普遍采用熔融盐作

图 2-1 云南普洱某光热系统实拍图2.0 储热系统简介储热系统主要包括三个部分，储热介质、换热设备、储热罐。由于太阳能随时间的不稳定性，储热系统在太阳能热发电系统中成为一个必不可少的部件 。而显热储热是目前应用最广的也是技术最成熟的储热方式，因此本文采用显热储

图 2-2 单罐储热系统[31] 双罐储热系统双罐储热系统克服了单罐斜温层蓄热的缺点，使用两个储热罐，分别和热流体，使冷热流体彼此隔离开，避免了冷热流体之间的传热造成的提高了储热效率，该系统如图 2-3 所示。储热时，储热介质从冷罐流吸热后流至热罐，放热时，储热介质从热罐流出经换热器放热后流至

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本文编号：2778902