槽式太阳能直接蒸汽热发电系统性能分析与实验研究

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。