太阳能热驱动多联供关键过程及系统构建模拟研究

发布时间：2020-04-30 01:01

【摘要】：近年来随着我国社会经济建设的快速发展,以煤炭为主的一次能源消耗量越来越大,同时因燃烧化石燃料而造成的空气污染也愈演愈烈,严重威胁人们的生活环境,迫切需要找到一种可持续的清洁能源,太阳能取之不尽、用之不竭,由太阳能热驱动的分布式联供系统正逐渐成为可再生能源研究和应用的热点。抛物槽式太阳能集热技术成熟度高、规模灵活、投资成本相对较低,非常适合分布式联供系统,其集热效率随流体工作温度、入射角角度和辐照强度的变化曲线是联供系统方案设计的基本输入参数,而单位集热面积上的年有效入射辐射、年有效热量输出是进行系统经济性评价的前提。以1000 m~2槽式太阳能集热器具体结构为基础,结合天津地理位置、典型气象年和室外大型槽式集热器实验数据,研究了东西轴和南北轴两种跟踪方式不同工况下的集热性能。两种跟踪方式下,单位集热面积上的年有效入射直射辐射量分别为3662.51 MJ/(m~2·y)和4621.10MJ/(m~2·y),对太阳法向直射辐射的捕获率分别为72.47%和91.44%;流体平均工作温度为200℃、反射镜洁净系数为0.95时,集热器的年平均光热转化效率分别为47.93%和54.93%;流体平均工作温度升高至300℃时,集热器的年平均光热转化效率分别为30.60%和41.20%。太阳能热驱动联供系统多目标输出的技术特点使有机朗肯循环成为最适合的动力循环方式,而工质筛选是构建有机朗肯循环所面临的首要问题。目前已有很多针对工质筛选的研究,但却没有特定的一种或者几种工质被广泛的推荐或认可,备选工质、传热窄点和性能指标的不同是造成这种现象的重要原因。基于这种现状,以循环热效率为目标对权威数据库Refprop中的全部纯工质进行研究,结果表明:热源温度200℃以下时,热效率最高的前四种工质为R141b、R123、乙醚和戊烷,考虑ODP和安全性之后,首选工质为R1233zd,R245fa的性能属于中等;热源温度200℃以上时,如考虑易燃性和毒性只有硅氧烷可用,但其热效率最低,标准大气压下其冷凝温度基本在200℃左右;此外受临界温度较低的影响,近似等熵工质在亚临界有机朗肯循环中的应用前景有限。已有以热效率为目标函数的工质筛选研究缺少对影响热效率的关键物性参数的论证分析,尚未认识到由工质物理属性导致的介于有机朗肯循环与卡诺循环之间的次理想循环热效率的存在。首先分析过热度是否能提高循环热效率,研究发现在无回热的有机朗肯循环中,过热度不能提高循环热效率;其次再分析影响循环热效率的关键参数,发现蒸发显热与潜热的比值越小,循环热效率越高;最后利用计算物质潜热的Watson方程推导出介于卡诺效率和实际循环效率之间的次理想循环效率,缩小了实际循环和理想循环之间的差距,明确了高效有机工质热效率的提升空间。液相压缩热力过程是有机朗肯循环中唯一的耗能过程,实际应用中约占气相膨胀输出功的10~30%,但目前缺少有机工质物性和液相压缩热力过程等熵效率之间关联的研究。采用4种有机工质R245fa、R123、R152a和R600a,对隔膜泵压缩过程中等熵效率的变化进行了实验测量,结果表明:等熵效率随体积流量增大而增大,随进出口压差增大而增大。在对隔膜泵传动机理进行分析后,证明压缩过程开始时膜片对液体的撞击速度是引起压缩过程熵增的主要原因。提出一个复合物性参数α_V/ρc_p,用于评价工质物性对等熵效率的影响,在相同的体积流量和进出口压差情况下,复合参数值越小,液相压缩过程等熵效率越高。在对集热过程和有机朗肯循环各热力过程的研究基础上,针对太阳能驱动的CCHP系统提出一种新的设计思路,指出系统的“最小结构配置”,并将设计过程划分为两个阶段,提高了设计的可行性。系统A仅保证建筑供暖(冷),对其进行优化设计后,得到换热器内的传热窄点为39.1℃;系统A结合有机朗肯循环形成系统B,对其进行优化设计后,得到有机朗肯循环蒸发器和冷凝器内的传热窄点分别为10.69℃、8.44℃,系统收益率为122.03 W/m~2。使用Dymola平台对系统B进行了动态响应仿真研究,发现在没有完整主动控制策略的情况下,导热油工作温度超过设计值37.79℃,蒸发器出口处工质过热度达到86.46℃。
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空气质量指数,空气质量监测

消费的 85.9%，其中石油占比 32.9%，天然气占比 23.8%，煤炭占比 29.2%；除此之外，核能占比 4.4%，水力发电占比 6.8%，可以看到化石能源仍是当前社会的主要能量来源。由于化石能源的生成周期漫长，可能需要数百万年，因此被称为不可再生能源；而太阳能、风能、地热能等能源没有生成周期的限制，一定程度上属于储量无限大的资源，被称为可再生能源。2015 年可再生能源发电量在全球一次能源消费中的比重才占 2.8%[1]，不过国际能源署 (International EnergyAgency) 在 2016 年可再生能源市场中长期规划中表示，2015 年全球新增发电量中绝大多数来自可再生能源[2]。目前，每年巨额的化石能源消耗已经引发了严重的环境问题，特别是在中国，2015 年我国能源消费总量折合 43 亿吨标煤，煤炭消费量占总量的 64%，图 1-1 是由中国中央气象台发布的 2016 年 12 月 18 日至 20 日的全国空气质量监测报告[3]，污染肆虐触目惊心，更重要的是这种空气污染事件不再是偶然发生，而是已经逐渐演变成经常性事件。特别是在中东部地区，空气污染情况十分严重，在秋冬季节很多大中型城市长期笼罩在雾霾的阴影之下，这迫使人们充分认识到，忽视环境保护而一

太阳能热利用,主要技术,形式,太阳能热发电

(c) (d)图 1-2 太阳能热利用的主要技术形式：(a) 塔式；(b) 槽式；(c) 碟式；(d) 菲涅尔式igure 1-2 Main technologies of solar thermal utilization: (a) tower; (b) parabolic trough; (c) di(d) Fresnel表 1-1 不同类型太阳能热发电技术对比Table 1-1. Comparison of different solar thermal power technologies参数槽式系统塔式系统碟式系统规模 30~320 MW 10~20 MW 5~25 kW运行温度 (℃) 390 565 750峰值效率 (%) 20 23 24年净效率 (%) 11~16 7~20 12~25商业化情况可商业化示范阶段试验阶段技术开发风险低中高成本依赖于规模不依赖规模
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK519

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