基于分段式吸熱器的塔式太陽能發(fā)電性能研究.pdf

1、近年來，隨著可再生能源技術(shù)在世界范圍內(nèi)的快速發(fā)展與推廣，直接蒸汽式(DSG)塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)由于低成本、高效率的優(yōu)勢(shì)在我國受到廣泛關(guān)注。針對(duì)DSG塔式電站定日鏡場(chǎng)聚光模式復(fù)雜和電站啟機(jī)耗時(shí)過長的問題，本論文根據(jù)水/蒸汽傳熱流體蒸發(fā)和過熱過程的傳熱特性，提出一種由外置式吸熱器（蒸發(fā)段）和腔式吸熱器（過熱段）所組成的分段式吸熱器，并基于該分段式吸熱器的獨(dú)特結(jié)構(gòu)展開電站系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)與熱經(jīng)濟(jì)性仿真研究。
　　基于分段式吸熱器結(jié)構(gòu)建立定

2、日鏡場(chǎng)聚光模型并分析其聚光特性。通過聚光熱流分配與迭代計(jì)算，得到位于西班牙塞維利亞10MWeDSG塔式電站定日鏡場(chǎng)最佳設(shè)計(jì)方案，此時(shí)定日鏡場(chǎng)整體效率為72.17％，指向蒸發(fā)段和過熱段的定日鏡數(shù)量分別為442個(gè)和182個(gè)，該定日鏡場(chǎng)分配方案不僅保證了分段式吸熱器表面熱流值不超過安全范圍，同時(shí)可提供蒸發(fā)段和過熱段各自所需的熱量。經(jīng)計(jì)算，年運(yùn)行工況下，定日鏡場(chǎng)效率不完全隨著太陽高度角的增加而增加，但全年內(nèi)分段式吸熱器表面最大熱流值往往發(fā)生在夏

3、至12:00，因此在進(jìn)行定日鏡場(chǎng)和分段式吸熱器設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)該時(shí)刻下分段式吸熱器表面熱流進(jìn)行校驗(yàn)以確保工程安全性。
　　建立分段式吸熱器熱力模型以揭示其運(yùn)行特性。設(shè)計(jì)工況下10MWeDSG塔式電站分段式吸熱器的熱效率為86.55％。通過與雙外置式吸熱器進(jìn)行對(duì)比，得到分段式吸熱器熱效率提高了3.2％，對(duì)應(yīng)發(fā)電效率提高了0.88％。不同運(yùn)行時(shí)刻下，盡管蒸發(fā)段采用外置式吸熱器，但由于其表面溫度遠(yuǎn)低于過熱段，蒸發(fā)段熱效率大于過熱段約5％-9

4、％;通過動(dòng)態(tài)分配蒸發(fā)段和過熱段所分別對(duì)應(yīng)的定日鏡數(shù)量，可維持分段式吸熱器出口蒸汽溫度為額定值。不同管外徑下，減少蒸發(fā)段管外徑對(duì)提高蒸發(fā)段熱效率幾乎沒有影響，原因在于管壁導(dǎo)熱熱阻為主要熱阻;而減少過熱段管外徑能大大提高過熱段熱效率，原因在于對(duì)流換熱熱阻為主要熱阻，綜合考慮管內(nèi)對(duì)流和泵功消耗，過熱段管外徑存在最優(yōu)值。
　　基于分段式吸熱器建立DSG塔式電站系統(tǒng)集成模型并對(duì)其熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行討論。在額定發(fā)電功率固定為50MWe而土地占用面積

5、可改變的情況下，當(dāng)太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)長分別為2.7和9h時(shí)，電站標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電成本(LCOE)最低，為21.4c/kWhe;通過改變電站地理位置可使得年太陽能法向直射輻射強(qiáng)度(DNI)提高55％，電站年發(fā)電量提高20.4％，電站最低LCOE降低30.1％，相應(yīng)的最優(yōu)太陽倍數(shù)降低至2.0;通過逐步改變電站各子系統(tǒng)投資成本進(jìn)行敏感性分析后得到，最低LCOE受定日鏡場(chǎng)和分段式吸熱器投資成本變化的影響最大，且最優(yōu)太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)長僅隨著定日鏡場(chǎng)和儲(chǔ)熱系

6、統(tǒng)投資成本的降低而增加。在土地占用面積固定為4.8km2而額定發(fā)電功率可改變的情況下，電站最低LCOE為21.77c/kWhe，對(duì)應(yīng)的太陽倍數(shù)為1.7，儲(chǔ)熱時(shí)長為3h;通過改變電站地理位置或電站各子系統(tǒng)投資成本時(shí)得到的結(jié)論與固定額定發(fā)電功率時(shí)基本類似，由此可得與電站位置和成本敏感性分析相關(guān)的結(jié)論通用性較強(qiáng)，受限制域影響不大;通過將固定的土地占用面積由2.15km2逐漸增加至8.11km2時(shí)，電站最低LCOE由24.53c/kWhe降低至

7、20.92c/kWhe，但其降低速率在不斷減緩，最優(yōu)太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)長因電站年發(fā)電量和總投資成本變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定而保持不變。
　　為進(jìn)一步降低DSG塔式太陽能電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)的投資成本，采用“一步法”制備出比熱更高且適用于大規(guī)模工程應(yīng)用的納米鹽復(fù)合儲(chǔ)熱材料。當(dāng)CuO納米顆粒濃度為0.5wt％時(shí)，相對(duì)于純二元硝酸鹽，納米鹽復(fù)合物在液態(tài)狀態(tài)下比熱提高率可達(dá)到11.48％，其終止熔化溫度提高約3℃，因此該納米鹽復(fù)合物更適合作為顯熱儲(chǔ)熱材料，