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在世界范圍內的快速發(fā)展與推廣，直接蒸汽式(DSG)塔式太陽能熱發(fā)電技術由于低成本、高效率的優(yōu)勢在我國受到廣泛關注。針對DSG塔式電站定日鏡場聚光模式復雜和電站啟機耗時過長的問題，本論文根據水/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特結構展開電站系統集成設計與熱經濟性仿真研究。
　　基于分段式吸熱器結構建立定

2、日鏡場聚光模型并分析其聚光特性。通過聚光熱流分配與迭代計算，得到位于西班牙塞維利亞10MWeDSG塔式電站定日鏡場最佳設計方案，此時定日鏡場整體效率為72.17％，指向蒸發(fā)段和過熱段的定日鏡數量分別為442個和182個，該定日鏡場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，同時可提供蒸發(fā)段和過熱段各自所需的熱量。經計算，年運行工況下，定日鏡場效率不完全隨著太陽高度角的增加而增加，但全年內分段式吸熱器表面最大熱流值往往發(fā)生在夏

3、至12:00，因此在進行定日鏡場和分段式吸熱器設計時，需對該時刻下分段式吸熱器表面熱流進行校驗以確保工程安全性。
　　建立分段式吸熱器熱力模型以揭示其運行特性。設計工況下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行對比，得到分段式吸熱器熱效率提高了3.2％，對應發(fā)電效率提高了0.88％。不同運行時刻下，盡管蒸發(fā)段采用外置式吸熱器，但由于其表面溫度遠低于過熱段，蒸發(fā)段熱效率大于過熱段約5％-9

4、％;通過動態(tài)分配蒸發(fā)段和過熱段所分別對應的定日鏡數量，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)段管外徑對提高蒸發(fā)段熱效率幾乎沒有影響，原因在于管壁導熱熱阻為主要熱阻;而減少過熱段管外徑能大大提高過熱段熱效率，原因在于對流換熱熱阻為主要熱阻，綜合考慮管內對流和泵功消耗，過熱段管外徑存在最優(yōu)值。
　　基于分段式吸熱器建立DSG塔式電站系統集成模型并對其熱經濟性進行討論。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，當太陽倍數和儲熱時長分別為2.7和9h時，電站標準發(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％，相應的最優(yōu)太陽倍數降低至2.0;通過逐步改變電站各子系統投資成本進行敏感性分析后得到，最低LCOE受定日鏡場和分段式吸熱器投資成本變化的影響最大，且最優(yōu)太陽倍數和儲熱時長僅隨著定日鏡場和儲熱系

6、統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，對應的太陽倍數為1.7，儲熱時長為3h;通過改變電站地理位置或電站各子系統投資成本時得到的結論與固定額定發(fā)電功率時基本類似，由此可得與電站位置和成本敏感性分析相關的結論通用性較強，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，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)太陽倍數和儲熱時長因電站年發(fā)電量和總投資成本變化趨勢相對穩(wěn)定而保持不變。
　　為進一步降低DSG塔式太陽能電站儲熱系統的投資成本，采用“一步法”制備出比熱更高且適用于大規(guī)模工程應用的納米鹽復合儲熱材料。當CuO納米顆粒濃度為0.5wt％時，相對于純二元硝酸鹽，納米鹽復合物在液態(tài)狀態(tài)下比熱提高率可達到11.48％，其終止熔化溫度提高約3℃，因此該納米鹽復合物更適合作為顯熱儲熱材料，