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基于超临界CO_2布雷顿循环的塔式太阳能热电站的热性能分析

杨雪  
【摘要】:太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源,采用太阳能光热发电技术可以避免对一次能源的依赖。中国预计在2020年前完成太阳能光热电站5GW装机容量。采用朗肯循环的塔式太阳能热电站循环效率在35%~45%。而超临界二氧化碳(S-CO_2)再压缩分流布雷顿循环效率在700℃时能够达到50%以上。目前制约太阳热发电大规模发展的主要因素是其高昂的发电成本,提高系统效率是降低发电成本的主要途径之一。本文通过对基于超临界CO_2布雷顿循环的塔式太阳能热电站进行能量和?效率分析,研究影响电站热效率和?效率的主要参数和子系统,并对?损最大的吸热器子系统进行传热特性及强化传热研究。主要内容如下:首先:以北京八达岭1MW太阳能实验电站为例,使用MATLAB编程软件对基于超临界CO_2布雷顿循环的塔式太阳能热电站进行能量和?效率分析,并分析不同当地太阳直接辐射能、聚光比、透平入口参数、主压缩机入口参数、部件效率、分流比等对电站及动力循环热效率和?效率的影响,为获得应用于塔式电站的S-CO_2布雷顿循环最佳参数及各参数之间的关系。其次:通过自编程计算塔式电站各子系统能量和?效率分析,寻找提高电站热效率的最佳子系统,发现在各子系统中,吸热器?损最大,?效率最低。因此,可通过强化吸热器传热来获得更高的电站效率。然后:选用横纹管和光滑圆管管内区域作为研究对象,通过CFD软件对熔盐横纹管和光滑圆管进行强化传热数值模拟。采用标准k-ε模型和非结构化网格对横纹管和圆管进行数值计算。研究不同流速、热流密度、物性等对吸热管传热和流动影响,并将不同加热管模拟结果进行比较。结果表明:横纹管相比于圆管能够减少管内流体温度不均匀性,且在横纹管凹槽前后出现旋涡,产生扰动,使得流体的阻力增加,Nu数增加,同时使得加热侧熔盐温度相比于圆管较低,能够避免熔盐分解、吸热管爆破等现象。最后:采用横纹管能够有效降低吸热管对流传热及辐射热损失,采用场协同理论和(Nu/Nu_0)/(f/f_0)~(1/3)准则对不同结构参数横纹管进行性能比较。发现横纹管平均场协同角小于圆管,且增加槽深和选择适当节距有利于吸热管强化传热;Re的增大仅增加吸热管内的湍流强度并没有改善速度场与温度场的协同性。


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