中高温储热实验系统设计优化及搭建

作     者：何西波 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：裘俊

授予年度：2021年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：储热系统 中高温 优化设计 智能调控 热态实验 

摘      要：太阳能热发电集成相变储热系统,因其清洁、可持续的发电特性和稳定的运行状态,在解决能源危机和环境问题,克服太阳能供应不连续、不稳定等诸多方面具有重要的应用前景。目前关于热发电及储能技术的研究,主要集中于光热转换效率、材料及单元导热性的提升,而系统层面上,能量的高效稳定与梯级利用、实验室环境下系统的搭建与优化、整体的运行控制策略,鲜有关注。针对以上问题,本文设计并搭建了实验室环境下的中高温相变储热实验系统,进一步构建了完整的控制方案,以保证系统在动态的输入条件下,能够实现长时间稳定的热流输出。实验室内储热系统的整体设计、搭建是本文的主要工作。具体包括:结构布局的设计、工艺流程的确定、关键参数的计算及主要设备的设计和制造,最后进行系统各部分的连接与缺陷测试,证明了管道流通性与电控可操作性良好。进一步研究了储热罐内储热单元尺寸及填充结构对整个系统热性能的影响。文中采用球形储热单元,进行数值模拟并结构优化。对比了六种不同粒径大小的单一粒径填充结构,其中,20 mm输出高温热流的性能最佳;30 mm能够长期稳定地输出有效热流。文中还提出了径向相变温度梯度变化的新型填充结构。结果表明,径向相变温度梯度变化能有效地提高系统的储/放热效率,三层径向相变温度梯度变化的填充结构热效率利用最高。系统整体的运行控制策略,保障了长期稳定的热流输出。具体包括:(1)针对相变材料热性能及储热单元填充结构,进行实验研究的主动测试策略;(2)针对外界动态热流输入,进行短期预测、运行模拟与模式切换的被动循环策略;(3)基于系统实际执行模块、本地控制柜和远程监测平台的分层-集中控制策略。这样不仅能满足实验与研究的需要,还为实际工程的推广应用作铺垫。最后,在不同工况下对砖形储热单元和球形储热单元进行实际的热态测试。砖形单元的显热储热实验证明了系统能够完成基本热态运行操作,满足主动测试的实验要求,但需要对实验步骤做进一步做优化,以减少不必要的热量损失,降低实验的总时长。通过制备球形储热单元并进行单元潜热储热实验,发现储热过程中存在一个较短的温度稳定阶段,证明了实验系统能够完成潜热储热的设计目标,这对于下一步深入优化系统的控制方案具有重大意义。