槽式太阳能直接蒸汽热发电系统性能分析与实验研究

【摘要】：随着经济的快速发展,中国对于电力的需求变得越来越大。然而我国电力生产的绝大部分依靠燃煤的火力发电站,这导致了传统能源的短缺和气候变化的加剧。槽式太阳能热发电技术大规模应用不仅能够改变当前以燃煤为主的电力结构,还能有效的节省常规能源,减少CO2的排放量,近年来受到了广泛的关注。为了提高槽式太阳能热发电系统性能和降低发电成本,槽式太阳能直接蒸汽热发电技术被提出并作为槽式热发电技术将来的发展方向。本文对槽式直接蒸汽太阳能聚光器性能和镜场阵列布置方式等基本问题进行了理论分析和模拟计算,着重分析了在不同季节和地区余弦效应损失、入射角修正、集热器末端损失和阵列排间遮挡损失对特定跟踪方式的槽式直接蒸汽太阳能聚光器性能的影响。 基于上述研究分析,本文对直接蒸汽吸热管内流动换热过程进行了模拟分析,将整个管内流动过程划分为过冷区、两相区和过热区分别予以建模,运用VB语言编制了计算程序,对管内流体换热系数、干度、压降、流体温度以及管壁温度等参数进行了耦合求解,并分析了多种因素对槽式直接蒸汽太阳能集热器性能的影响。研究表明:在特定工况下,计算结果与学者S.D. Odeh的实验结果十分吻合,吸热管出口温度和压力的相对误差分别为2.0%与0.2%;管内两相区域平均压降约为451.9Pa/m,是过冷区域平均压降的18倍且为过热区域平均压降的1.28倍左右。 采用拟合所得的吸热管外壁光学聚光比分布函数求得管外壁热流分布,经过UDF子程序传送给FLUENT软件作为该管壁上的热流边界条件,计算分析了吸热管外不均匀热流分布对管内工质及管壁温度分布的影响。吸热管外壁不均匀热流分布导致了管外壁周向温度分布不均,且沿着流动方向周向温差逐渐增大。 本文建立了5MW槽式直接蒸汽太阳能热发电系统的仿真模型,并在我国西藏典型时令下进行了运行性能模拟分析。针对槽式直接蒸汽太阳能热发电系统INDETEP设计运行情况,建立了系统的火用成本模型,分析了设计工况下主要设备产品的单位火用成本分布规律。结果表明太阳能镜场的火用损失高达23245.4kW,占了总入射火用的72.9%。自行设计和搭建了直接蒸汽式吸热管的可视化实验测试系统,为进一步研究直接蒸汽吸热管内两相流动特性打下基础。 【关键词】：槽式直接蒸汽太阳能集热器 太阳能镜场 传热特性 水力特性 热经济学分析
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK514
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-26
• 1.1 研究背景8-11
• 1.2 槽式太阳能热发电技术研究现状11-22
• 1.2.1 国外研究现状12-18
• 1.2.2 国内研究现状18-19
• 1.2.3 槽式太阳能直接蒸汽热发电技术研究现状19-22
• 1.3 槽式直接蒸汽太阳能热发电技术在我国的应用前景22-23
• 1.4 本课题的研究内容和意义23-25
• 1.4.1 本课题的研究内容23-24
• 1.4.2 本课题研究的目的和意义24-25
• 1.5 本章小结25-26
• 第二章 槽式直接蒸汽热发电系统基本问题的研究与分析26-49
• 2.1 我国太阳直射辐射资源分布情况26-28
• 2.2 槽式直接蒸汽式太阳能镜场研究28-48
• 2.2.1 槽式直接蒸汽式聚光器性能分析30-33
• 2.2.2 槽式直接蒸汽太阳能镜场性能分析33-37
• 2.2.3 中国典型地区太阳能镜场光学性能分析37-48
• 2.3 本章小结48-49
• 第三章 槽式直接蒸汽太阳能集热器的传热流动特性研究49-84
• 3.1 槽式直接蒸汽式太阳能集热器传热模型的建立49-60
• 3.1.1 槽式聚光器吸热管传热模型的建立50-52
• 3.1.2 直接蒸汽式吸热管内流动换热模型的建立52-59
• 3.1.3 直接蒸汽式吸热管内水动力模型的建立59-60
• 3.2 槽式直接蒸汽式太阳能集热器流动传热模型求解60-62
• 3.3 数值计算结果讨论与分析62-83
• 3.3.1 仿真模型计算结果验证62-68
• 3.3.2 直接蒸汽式吸热管内流动换热仿真结果分析68-78
• 3.3.3 吸热管内流动换热与水动力特性耦合仿真结果分析78-83
• 3.4 本章小结83-84
• 第四章 热流密度分布对吸热管内工质及管壁温度分布的影响84-94
• 4.1 槽式聚光器吸热管外壁热流分布模型84-89
• 4.2 吸热管外壁热流分布模型求解分析89-90
• 4.3 吸热管内三维数值模拟研究90-91
• 4.4 模拟结果分析与讨论91-93
• 4.5 本章小结93-94
• 第五章 槽式太阳能直接蒸汽热发电系统性能分析94-106
• 5.1 槽式太阳能直接蒸汽式热发电系统模型94-99
• 5.1.1 西藏地区典型时令发电系统仿真与分析95-97
• 5.1.2 模拟计算分析与讨论97-99
• 5.2 典型槽式直接蒸汽式电站热经济学分析99-105
• 5.2.1 槽式直接蒸汽式发电系统火用模型的建立100-101
• 5.2.2 槽式直接蒸汽式热发电系统热经济学分析结果探讨101-105
• 5.3 本章小结105-106
• 第六章 槽式直接蒸汽太阳能集热器的实验研究106-117
• 6.1 槽式直接蒸汽集热器实验测试系统的搭建106-112
• 6.1.1 PLC 高精度控温水箱的制作107-109
• 6.1.2 测试管段加热装置的布置及可视化管段的设计109-111
• 6.1.3 测试管段数据采集系统及相关测量参数111-112
• 6.2 测试结果分析与讨论112-116
• 6.3 本章小结116-117
• 第七章 结论、创新点和今后的研究方向117-121
• 7.1 主要结论117-118
• 7.2 论文的创新之处118-119
• 7.3 今后的研究方向119-121
• 参考文献121-130
• 发表论文和科研情况说明130-132
• 致谢132

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