熔盐单罐填充床蓄热系统性能分析及优化设计研究
赵炳晨
学位类型博士
导师戴志敏
2018
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)
关键词填充床 相变蓄热 运行特性 性能优化 混合能源系统
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。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28530
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
赵炳晨. 熔盐单罐填充床蓄热系统性能分析及优化设计研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2018.
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