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王坤(王坤.)

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摘要：

随着能源与环境问题的日益加剧，聚光型太阳能热发电技术作为一种可再生能源的重要利用方式，近年来得到了快速发展。然而，与传统燃煤火力发电相比，其发电成本仍然相对较高。因此，进一步提高系统效率、降低发电成本是目前太阳能热发电技术的发展目标。在太阳能热发电系统中发展更加高效、紧凑的超临界二氧化碳（supercritical　carbon　dioxide,　s-co2）布雷顿循环是提高系统效率、降低发电成本的有效方式之一。而目前s-co2太阳能热发电系统的集成研究刚刚起步，缺乏一体化热力学模型与综合评价体系。另一方面，聚焦后的太阳能表现出强烈的非均匀性，这给吸热器的安全高效运行带来极大挑战，特别是当与s-co2布雷顿循环结合时，太阳能热发电系统需要更高的运行温度。高温运行条件下，非均匀的太阳能流分布带来的挑战更加严峻。因此需要对聚光传热过程进行优化调控，提高系统的安全性。

鉴于此，本研究以提高太阳能热发电系统效率与安全性、降低发电成本为目标，提出将新型的s-co2布雷顿循环与相对成熟的熔盐吸热技术相结合，围绕s-co2布雷顿循环在太阳能热发电系统中的高效集成及其聚光、传热过程的优化调控，从系统层面与部件层面展开了深入研究。在系统层面，建立了s-co2太阳能热发电系统的光-热-功一体化热力学模型，对系统进行了多参数协同优化，并首次构建了s-co2太阳能热发电系统的综合评价体系；在部件层面上，分别对定日镜场、吸热器及换热器中存在的聚光、传热过程进行了优化调控，以期实现系统的高效安全运行。具体研究内容及主要结论如下：

1）针对s-co2太阳能热发电系统建立了光-热-功一体化完整热力学模型，结合太阳能热发电系统的特点有针对性地提出了系统效率、比功、吸热温差等3个性能评价指标，采用遗传算法对系统进行了多参数间的协同优化。系统性能受多个参数影响，简单的参数分析不能得到使系统性能达到最优的参数组合，需进行多参数间的协同优化；目前广泛应用的太阳盐不能完全满足s-co2太阳能热发电系统的需要，过低的极限使用温度限制了系统性能的进一步提升，需要开发具有更高使用温度的新型盐；多目标优化给出的高温熔盐最佳运行温度范围是668℃~782℃。

2）首次构建了s-co2太阳能热发电系统的综合评价体系，并举例说明了该评价体系在最佳循环形式筛选中的应用。不同形式的s-co2循环需在各自最优的运行参数组合下对其性能进行对比，简单的参数分析不能给出满意的对比结果；而基于多目标优化构建的s-co2太阳能热发电系统在效率-比功-吸热温差三维空间内的综合评价体系，能够对系统性能进行综合评估，且可完成最佳循环形式的筛选。

3）针对带腔体吸热器的塔式聚光集热系统，提出了一种蒙特卡洛光线追迹（monte　carlo　ray　tracing，mcrt）方法与杰勃哈特（gebhart）方法耦合的完整光学模型。该模型能够准确描述吸热器内太阳辐射能流分布的时空变化规律，并揭示腔体效应（太阳辐射在腔体内多次反射并逐渐吸收的过程）对太阳能流分布的影响：不同时刻下吸热器进光口处的太阳能分布形状基本相同，但腔体内部吸热面上的太阳能流分布随时间变化显著，且表现出强烈的非均匀性；腔体效应除了能够减小吸热器的反射损失外，还能对投射到腔体内部的部分太阳能进行重新分配，在一定程度上均化太阳能流分布。

4）提出了两种太阳能流分布的调控方法，以最小的光学损失为代价，最大程度地均化了吸热器内的太阳能流分布。以均化吸热器内的太阳能流分布以及减小光学损失为优化目标，分别对定日镜场的跟踪策略与吸热面上的太阳吸收率分布进行了多目标优化，首次定量获得了太阳能流分布均匀性与光学效率之间此消彼长的权衡关系。据此对吸热面上的太阳吸收率分布进行了优化布置以及获得了定日镜场最优的聚焦跟踪策略。典型工况下，优化布置后的太阳吸收率分布能够将吸热器的反射损失增加量控制在2.5%以内，而能流峰值最大可减小131kw·m-2；优化后的跟踪策略能够使太阳能流峰值从456kw·m-2减小到280kw·m-2，而光学损失仅从23.08%增加到24.61%。

5）在全镜场条件下发展了塔式腔体熔盐吸热器的光-热耦合模拟方法，以实时获得的太阳辐射能流分布作为边界条件，揭示了吸热器内的复杂耦合换热特性，特别是根据太阳能流分布的非均匀特点，有针对性地对熔盐流路进行了合理布置，实现了对吸热性能的优化调控。在非均匀太阳能流边界条件下，不同的熔盐流路布置会给吸热器性能造成显著差异：熔盐逆流布置时，低温熔盐从太阳能流密度高的区域流入，热损失较大；而熔盐顺流布置时，低温熔盐从太阳能流密度低的区域进入，能够避免吸热壁面温度迅速升高，热损失较小，吸热效率较高。

6）针对管壳式换热器壳侧熔盐的对流换热，提出了一种大小孔支撑板强化换热结构，并对其内的熔盐对流换热性能进行了实验研究。大小孔支撑板显著强化了壳侧熔盐的对流换热，且强化效果优于弓形支撑板，拟合得到的换热实验关联式为：　nus=3.482*res^0.4105*prs^0.1435。

关键词：

超临界二氧化碳循环多目标优化聚光型太阳能热发电熔盐吸热器一体化集成

作者机构：

[ 1 ]西安交通大学能源与动力工程学院

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