熔盐单罐填充床蓄热系统性能分析及优化设计研究

发布时间：2020-05-04 09:52

【摘要】：应用储能技术可有效缓解可再生能源间歇性和波动性与人类社会能源消费需求之间的矛盾。在诸多储能技术中,中高温熔盐单罐填充床蓄热因其应用温度范围广且成本低廉的优点已成为近年来研究的热点。然而,现阶段我们对熔盐单罐填充床蓄热的设计及运行参数对其运行特性的影响还缺乏全面深刻的认识;同时,在其系统性能优化和规模设计方法上还存在提升的空间;另外,对其在清洁能源中的应用场景和系统集成性能还有待进一步探索。基于此,本文开展了以下研究工作。基于混合扩散模型、焓方法及有效导热系数法开发并验证了适用于任意填充床构型的单罐填充床蓄热一维瞬态传热数学模型和相关的数值分析工具。采用该模型,对实际应用规模的熔盐单罐填充床蓄热系统在不同的填充床构型(显热式、单层相变式、双层相变式和三层混合式)和不同运行工况下的蓄、放热特性进行了对比分析,并研究了关键设计参数对其蓄热性能的影响。结果表明:相变填充层引入可提升填充床蓄热系统的有效蓄热容量和蓄热容量利用因子;不完全蓄热会影响系统有效蓄热容量;系统蓄热容量利用因子随蓄(放)功率的减小、截止温度裕度的增大、填充床高度和半径的增大和随蓄热单元尺寸的减小而增大。基于上述研究结果,分析了填充床构型对熔盐单罐填充床蓄热系统的蓄热性能和成本的影响;并计算了成本最优的填充床构型。研究发现:熔盐单罐填充床蓄热系统在成本最优的填充床构型(相变填充比例在14.1%~14.7%之间,高温相变填填充层体积比例在61%~67%之间)下可实现对同等规模的熔盐双罐蓄热系统36.8%~39.2%的投资成本削减。同时,提出了一种快速、准确、可适用于任意运行工况的熔盐单罐填充床蓄热系统的尺寸设计方法,并对经过尺寸设计的填充床蓄热系统在实际连续运行工况下的蓄热性能进行了评估。研究结果显示:该方法通过采用一种创新的初始条件设置减少了约25%~71%的迭代计算量;在对显热式和单层相变式填充床蓄热系统进行尺寸设计时,需考虑一定的设计裕度,以弥补其在运行中因蓄热量波动而损失的有效蓄热容量。另外,提出了一种基于混合式填充床蓄热系统的核能-太阳能混合能源发电系统的概念设计;对比分析了该系统与同等装机容量的太阳能热发电系统的连续运行性能;通过参数化研究衡量了该系统关键设计参数对其性能的影响,并依此筛选出综合性能最佳的设计参数。研究结果表明:混合能源发电系统具有比太阳能热发电系统更高的产能利用率(85.3%vs.76.0%)和供电率(98.4%vs.61.5%);增加核能装机容量比例可提升系统供电率并降低蓄热规模对系统产能利用率的影响,增加太阳倍数可降低系统产能利用率并提升系统供电率,增加蓄热规模有助于同时提升系统的产能利用率和供电率;系统在最优设计参数下(核能装机容量为50%,太阳倍数为1.27,蓄热系统理论蓄热时长为14.8 h),达到了100%的产能利用率和供电率。综合以上,本课题研究增进了对熔盐单罐填充床蓄热的运行特性的理解,为其性能及成本优化提供了一定的理论指导,为其规模设计提供了高效的解决方案,并对其在清洁能源中的应用场景开发提供了新思路。
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相变蓄热,管壳式,被动式,蓄热介质

也面临一些挑战，，例如：相变介质的蓄热性能会在长变蓄热介质的强化换热技术较为复杂且成本较高[21热通过蓄热介质的反应热来实现热量储存。相比于显蓄热具有以下优势：蓄热介质可常温储存、蓄热能量常见的热化学蓄热介质有：氢氧化钙、碳酸钙、氧化热目前还处于实验室研发阶段，其规模化的应用还反应速率难以精确控制，反应热的输运成本较高，热性较差。按照蓄热系统的结构类型可分为主动式蓄热和被动蓄热介质在蓄、放热过程中是否流动以及是否参与与上述以熔盐双罐蓄热为代表的液体显热蓄热属于主热和固-液相变蓄热基本均属于被动式蓄热技术。

示意图,填充床,蓄热系统,显热

内部温度场达到收敛条件（温度场残差小于10-6）。AB脚本语言开发了基于上述模型的数值计算工具。献报道的实验结果与采用上述模型计算的数值结果个不同的实例验证模型对显热填充床蓄热系统和相。实例参考 Pachecoetal.[27]的实验工作，搭建并测试了显热填充床熔盐蓄热中试系统。该系统的示意图如构与 2.1.1 中介绍的熔盐单罐填充床系统的结构基本对抽出的冷熔盐进行加热，采用空气冷却器对抽出的用质量比为 2:1 的石英石和沙砾的混合物作为填充床轴线上，每隔 15 cm 布置一个热电偶测量传蓄热熔
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL426

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