光媒互补系统评价方法与变辐照聚光集热主动调控机制

发布时间：2020-08-26 11:37

【摘要】：太阳能热发电因其连续稳定的潜力被认为是可再生能源规模化利用的重要方向。但太阳能光热发电当前仍存在着年均发电效率低,发电成本高的问题。对此,将太阳能与化石能源综合互补,利用化石能源高效发电提升太阳能净发电效率就成为发展太阳能的一个有效途径。此外,太阳能聚光集热过程是太阳能化石能源互补及太阳能光热发电的关键过程。该过程能的损失大,效率低一直是聚光太阳能热利用的重要难题。本学位论文依托国家基础研究项目计划(973项目)及中国科学院知识创新工程重要方向项目等重要科技项目,针对光煤互补发电的多能互补系统分析评价及关键太阳能聚光集热过程,开展了多能源互补评价、槽式太阳能聚光集热能损减少的理论及实验研究。目前光煤互补发电系统的研究多是针对于具体机组、具体互补形式的案例型研究。所采取的分析评价方法以及取得的分析结果直接推广至其他形式存在一定限制。本研究不再受具体光煤互补形式及机组的限制,建立了光煤互补发电系统的统一物理模型,分别得出了适合各类光煤互补发电系统的“节煤系数”和太阳能净发电效率提升“增效因子”的解析表达式。进一步探究光煤互补发电系统燃煤节省的“叠加效应”与太阳能净发电效率提升的“增效作用”。最后,综合燃煤节省的“节煤系数”以及太阳能净发电效率提升的“增效因子”解析式,给出了光煤互补发电系统的综合评价因子,实现了光煤互补发电系统相互间的综合评价与比较。由于聚光镜方位不能随太阳方位协同变换,槽式太阳能单轴跟踪过程存在聚光集热损失大,年均聚光集热效率的问题。此外,二维槽式跟踪由于机械复杂度过高等实际问题难以大规模应用。对此,提出槽式太阳能聚光镜方位角与太阳方位部分协同变换的广角跟踪方式。该方式既可减少太阳能聚光集热过程能量损失,提升聚光集热效率。同时较机械复杂度高的二维跟踪具有大规模应用的潜力。在此建立了槽式广角跟踪聚光集热过程物理模型。以槽式聚光镜接收有效辐射量最大为目标,得到了全纬度范围内槽式太阳能广角跟踪主动调控方法,并开展了实验验证。综合槽式太阳能广角跟踪运行调控方法,设计并研制300 kWth槽式太阳能广角跟踪聚光集热平台。基于该平台,对槽式太阳能聚光集热过程能损减少及广角跟踪聚光方式展开了实验研究。实验结果显示广角跟踪可将槽式太阳能冬季聚光集热效率提升10个百分点,全年聚光集热效率可实现5个百分点提升。进一步开展了槽式聚光集热过程的不可逆损失实验研究,发现聚光过程不可逆损失在冬季占总损失的70%。广角跟踪正是通过聚光过程不可逆损失减小实现聚光集热性能提升。在此基础上,针对槽式聚光光学/散热损失难于现场直接测量的问题,提出具有通用性的直接测试方法。将方法应用于300 kWth槽式太阳能实验平台,验证方法有效性。测得实验台光学效率为70.7 7%,表明设计研制的槽式太阳能试验台具有良好的光学性能。太阳辐照瞬时变动会直接影响槽式太阳能聚光集热量、集热温度等参数。对于以无储能为特色的光煤互补系统,该影响会直接传递至光煤互补系统中,对系统性能及安全性造成影响。对此,本研究为实现槽式太阳能聚光集热稳定可控,提出了主动散焦的跟踪方式。并将主动散焦方式与可提升槽式太阳能聚光集热性能的广角跟踪相结合,进一步提出槽式太阳能复合调控方法。基于300 kWth槽式太阳能广角跟踪聚光集热平台,通过实验验证广角-主动散焦的槽式太阳能复合调控方法有效性。实验结果表明在辐照强度瞬时变动35%情况下,复合调控的槽式太阳能镜场可将聚光集热量波动控制设计值附近2%以内,验证了复合调控方法有效性。之后,将验证过的复合调控方法应用于光煤互补系统案例之中,同参比系统相比,复合调控DSG光煤互补系统的太阳能净发电效率、污染气体减排及太阳能度电成本等性能、环境及经济性方面全面占优。证明了复合调控方法对于光煤互补系统综合性能的提升。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM615
【图文】：

热发电,线聚焦,原理图,集热

．。逡逑塔式聚光集热是一种点聚焦聚光集热技术。如图１－ｌｃ所示，塔式聚光集热逡逑过程是利用广布的双轴跟踪定日镜将太阳光反射至镜场中心的塔顶，于塔顶的吸逡逑热器处完成光热转换。由于采用点聚焦技术，塔式聚光集热的聚光比（３００？１５００）逡逑及聚光集热温度（８００？１２００°Ｃ）较槽式及菲涅尔更高。因此其多采用熔盐、水等逡逑耐高温的传热介质。此外，由于更高的聚光集热温度，塔式聚光集热可以驱动更逡逑高温度的动力循环，故较线聚焦技术具有更高理论效率。目前，全世界在役塔式逡逑光热发电站装机总量为０．７７邋ＧＷ，在建的塔式光热发电站装机总量为２．４３邋ＧＷ逡逑［９］逡逑0逡逑

分解水,制氢,金属氧化物,金属

为降低反应温度，有学者提出的利用太阳能多步热化学循环间接分解水制氢逡逑的方法获得了广泛关注。在多种太阳能热化学循环分解水制氢方法中，比较典型逡逑的是金属／金属氧化物两步循环水解制氢方法［２２］。该方法基本过程如图１－２［２３１所逡逑示。首先，在较低温度下水与低价金属氧化物／金属发生反应，释放氢气。之后，逡逑在较高温度下，金属单质／低价金属氧化物被还原，释放氧气。以上两步反应形成逡逑循环。金属／金属氧化物两步分解水制氢可将反应温度降至１５００邋°Ｃ以下，具有逡逑较高的理论效率（８２％［２４］）。此外，该方式实现光解水制氢的同时还实现了氢氧分逡逑离。但是，两步法反应的金属须在熔融状态下才能与水发生反应。该状态下金属逡逑极易在表面形成致密的氧化膜，阻碍反应的进一步进行。金属氧化物分解为金属逡逑单质和氧气时，为避免金属被进一步氧化，还需对金属进行速冷。该过程导致高逡逑温金属显热的大量流失

示意图,甲醇裂解,发电系统,示意图

太阳能热解水或驱动甲烷重整所需反应温度较高，辐射热损失较大，在反应逡逑器设计及材料耐受性存在着诸多挑战。对此，本研究团队金红光院士在２００５年逡逑率先提出了太阳能驱动甲醇裂解的发电系统，系统整个流程如图１－３所示％。逡逑２００？３００邋°Ｃ温度太阳热驱动甲醇裂解产生合成气（氢气、一氧化碳）。藉此，低逡逑品位的太阳热能可转化为高品位的化学能。通过燃气轮机或内燃机等高参数热功逡逑循环，合成气化学能高效率地转化为电能向外供应。整个过程中，低品位的太阳逡逑能通过甲醇裂解转化提升至燃烧热能的品位并被高效利用，因此整个系统的太阳逡逑能净发电效率可达到３５％［３３］。逡逑ｖＶ逡逑Ｍｉｄｄｌｅ邋ｌｅｍｐｅｒａｌｕｒｃ逦．邋（邋ｙ邋＿逡逑ｓｏｌａｒ邋ｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ逡逑／；逦邋逦＾逡逑ｊ邋＾逦｜－邋—邋—邋－？■逦Ｓｙｎｇａｓ邋３逡逑Ｉ邋ｘｌ邋ＲＣＫ，ｏｒ逦ｎ逡逑｜邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ邋／，逦逦邋逦逡逑ｒａｄｉａｔｉｏｎ邋／逦２邋Ｃｏｍｐｒｃｖ＊ｏｒ邋ＣｏｍｈｕＭｏｒ邋＾邋Ｇａｓ邋Ｕｉｒｂｉｎｅ逡逑＼逦ｐｉ—逡逑＼ｙ逦１邋Ｉ￣￣逦Ｓｌｃａｉｎ邋ｔｕｒｂｉｎｅ逡逑ｃｈ；ｈ］Ｔ邋Ａｉ，邋ｉｒ逦ＣＦ？逡逑ＩＩ邋ＨＲＳＧ逡逑＇ｋ邋Ｐｕｍｐ邋Ｃｏｍｋｎｓｏｒ逡逑图１－３太阳能驱动甲醇裂解发电系统示意图逡逑基于上述研究成果，本研宄团队于河北廊坊进一步搭建了邋１００ｋＷｔｈ太阳能甲逡逑醇热化学互补原理样机（图１－４）。该原理样机采用吸热／反应器一体化设计

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