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基于超临界CO2布雷顿循环的塔式太阳能光热系统模拟研究

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基于超临界CO2布雷顿循环的塔式太阳能光热系统模拟研究

作者：裘闰超浙江大学

学位级别：硕士

超临界CO布雷顿循环结合塔式太阳能光热发电技术被认为是下一代太阳能光热技术的发展方向,具有高效率、高能量密度、循环简单等特点。本文对超临界CO布雷顿循环结合塔式太阳能光热发电系统进行了研究。本文首先设计了基于超临界CO循环... 详细信息

超临界CO布雷顿循环结合塔式太阳能光热发电技术被认为是下一代太阳能光热技术的发展方向,具有高效率、高能量密度、循环简单等特点。本文对超临界CO布雷顿循环结合塔式太阳能光热发电系统进行了研究。本文首先设计了基于超临界CO循环的塔式太阳能光热系统。本文对选址处的太阳能资源情况进行了详细地评估和分析,对定日镜的尺寸和布置、吸热器形式及流动方式等参数进行了设计,以及对动力循环系统进行了设计分析。然后,本对基于超临界CO的塔式太阳能光热系统进行了建模研究,包括镜场、吸热器、动力循环系统等模块的数学模型的建立,并将模型结果与美国新能源研究实验室的结果进行了分析对比,验证了该系统模型的可靠性。通过模型的仿真,对基于超临界CO的塔式太阳能光热系统的吸热面积、吸热器的对流损失和辐射损失、吸热器效率、镜场效率、全厂效率等关键参数进行了研究分析。研究结果表明,随着涡轮机入口温度的增加,布雷顿循环效率和镜场效率随之增加,吸热器的效率随之减小,全厂效率呈现先增加后减小,并在750℃左右达到全厂效率的最大值。此外,随着涡轮机入口温度的升高,吸热器的吸热面积、镜场面积随之减小。仿真数据表明,涡轮机入口温度从500℃上升到800℃,吸热器的吸热面积减小了 21.7%,镜场面积减小了 22.2%。最后,本文选取涡轮机入口温度为750℃的工况,对基于超临界CO的塔式太阳能光热系统典型日的运行参数情况进行了分析,得出了在典型日系统的能量供给情况和典型日光热系统逐时的效率情况,即基于超临界CO循环的塔式太阳能光热系统在夏至日光热系统供能比率最高,能到达50%;在冬至日光热系统供能比率最低,只有27.4%;平均供能比率在39.7%左右。典型日的逐时吸热器和全厂效率分析曲线呈先升后降趋势,通过比较四个典型日白天的全厂平均效率得出,夏至日的效率略高于春分和秋分0.8个百分点;冬至日的效率低于春分和秋分5.5个百分点;四个典型日的平均效率在20.36%左右。

关键词：超临界CO2 布雷顿循环塔式太阳能光热系统系统设计模拟研究参数分析

再压缩S-CO_(2)塔式光热发电系统模拟及参数优化

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汽轮机技术 2021年第6期63卷 422-426页

作者：王智闫锐鸣刘亚丽张玲陶鸿俊华北电力大学动力工程系保定071000

建立了再压缩S-CO_(2)布雷顿循环模型,对S-CO_(2)再压缩布雷顿循环的塔式太阳能光热系统的镜场效率、吸热塔效率、冷源损失等指标进行模拟以及对分流比、压比、透平入口温度等参数进行研究,同时计算得出储热所需时长随全年各月的变化曲... 详细信息

建立了再压缩S-CO_(2)布雷顿循环模型,对S-CO_(2)再压缩布雷顿循环的塔式太阳能光热系统的镜场效率、吸热塔效率、冷源损失等指标进行模拟以及对分流比、压比、透平入口温度等参数进行研究,同时计算得出储热所需时长随全年各月的变化曲线。通过时间序列,得出两分两至日镜场系统与储热系统的供能情况。模拟结果表明:镜场遮挡效率和余弦效率随塔高的增加而增大,大气衰减效率和截断效率随塔高增加而减小;储热时长随日均辐射总量和日照时长有明显的季节差异,春秋分以及夏至日储热系统可以保证系统在无光照情况下实现满发,但冬至日储热系统无法蓄满热,则要想使系统持续运行,则夜里发电功率仅为17.34MW。最后根据压比(2~3.6)、分流比、透平入口温度(500℃~800℃)对于系统循环效率的影响曲线,计算得出系统的参数优化值。

关键词： S-CO_(2) 塔式太阳能光热系统时间序列储热参数模拟

定日镜光斑辐射能密度分布仿真的并行Monte Carlo光线跟踪算法研究

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定日镜光斑辐射能密度分布仿真的并行Monte Carlo光线跟踪算法研究

作者：段晓悦浙江大学

学位级别：硕士

塔式太阳能发电系统具有蓄热性好、发电成本低和绿色环保等优势,近年来受到学术界和工业界的广泛关注。为了提升发电效率,需要对塔式太阳能系统中的定日镜镜场设计布局和聚焦策略进行优化。对接收器表面的辐射能密度分布进行仿真是进行... 详细信息

塔式太阳能发电系统具有蓄热性好、发电成本低和绿色环保等优势,近年来受到学术界和工业界的广泛关注。为了提升发电效率,需要对塔式太阳能系统中的定日镜镜场设计布局和聚焦策略进行优化。对接收器表面的辐射能密度分布进行仿真是进行各种优化的基础,其中光线跟踪是辐射能密度分布仿真中最常用的方法。为了获取精确的仿真结果,传统的光线跟踪算法需要根据太阳光线分布模型随机采样大量的光线,并根据随机采样的定日镜表面法向,计算每根光线的反射路径。大量随机变量的采样和存储使得算法的时间和空间复杂度极高。此外,由于光线跟踪算法的离散性和随机性,即使采样大量光线,每次仿真结果的辐射能密度峰值都存在偏差。为此,本文研究了面向定日镜光斑辐射能密度分布仿真的高效、鲁棒的Monte Carlo光线跟踪算法。首先,提出了一个高效、可并行且辐射能密度峰值稳定的准Monte Carlo光线跟踪方法(Quasi Monte Carlo Ray Tracing,简称QMCRT)。在时间复杂度方面,QMCRT借助GPU的高数据吞吐率和并行计算能力对算法进行加速,同时通过采用双向光线跟踪方法提高光线与定日镜的求交效率。在空间复杂度方面,QMCRT预生成两张描述太阳光线分布模型和定日镜微表面法向扰动的随机数查找表。通过使用随机数组合的方式重用两张查找表的数据,在保证了算法随机数密度的同时显著降低了随机数生成对GPU的时间和空间需求。最后,对于传统光线跟踪方法中存在的仿真结果峰值波动问题,QMCRT加入了截尾均值滤波操作,使得QMCRT仿真结果的峰值稳定且接近真值。通过与基于GPU的传统光线跟踪算法、仿真软件SolTrace和Tonatiuh以及真实的测量结果的对比实验,表明了QMCRT算法在计算效率、精度和峰值稳定性上具有优势。本文还设计了一个基于QMCRT算法的大型定日镜场的辐射能密度分布仿真系统。对于定日镜场景的相关处理,系统采用了类封装的方式增加系统的扩展性和可维护性;对于并行的光线跟踪计算则采用传统的面向过程的方式提高计算效率。当未来出现更多类型的定日镜场部件,通过继承的方式对系统进行扩展。实验结果表明,该系统具有扩展性好、易于维护的特点。

关键词：塔式太阳能光热系统 Monte Carlo光线跟踪 GPU 辐射能密度分布峰值

太阳能SCO2布雷顿循环余热利用方案综合性能分析

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太阳能SCO2布雷顿循环余热利用方案综合性能分析

作者：宋凌南昌大学

学位级别：硕士

超临界CO再压缩布雷顿循环(supercritical carbon dioxide recompression Brayton cycle,SCRBC)结合卡琳娜循环(Kalina cycle,KC)和有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)具有结构紧凑、能量转换效率高等优点,被认为是联合循环发电技术的重要发展方向,本文以SCRBC联合循环系统为研究对象,进行了如下研究:为充分利用循环余热资源,进一步提高热力循环能量转换效率,本文搭建了塔式太阳能集热器光热模型(solar tower power,STP),以SCRBC为热力系统顶循环、分别构建了4种余热利用联合循环热力系统方案:1)以KC为系统底循环的SCRBC/KC系统;2)以ORC为系统底循环的SCRBC/ORC系统;3)以KC和ORC并联方式为系统底循环的并联系统(SCRBC/KC-ORC);4)以SCRBC为系统顶循环、KC为SCRBC底循环,同时ORC为KC底循环的串联系统(SCRBC/KC/ORC)。建立了4种不同循环布设形式的动力系统数学模型,利用计算机辅助计算软件并结合物性参数REFPROP软件,针对循环工质及其参数对系统性能的影响进行了全面的热力学分析和(火用)分析,并利用遗传优化算法对目标系统热效率和(火用)经济成本进行了优化计算。研究分析结果表明,在所研究的太阳能光热能参数范围内:就循环布设形式而言,SCRBC/KC/ORC系统性能最高,SCRBC/ORC系统性能其次,SCRBC/KC-ORC系统性能再次,SCRBC/KC系统性能最低;就循环工质选择而言,以R600为工质的ORC并以质量分数50%的氨水溶液为工质的KC作为SCRBC/KC/ORC系统的底循环,可使SCRBC/KC/ORC(R600)系统性能获得最高水平,其次为SCRBC/KC/ORC(R245fa)系统,SCRBC/KC/ORC(R11)系统性能最低;就循环工质参数而言,提高SCRBC透平入口工质温度、SCRBC主压缩机入口工质压力、底循环蒸发器工质蒸发温度和底循环工质膨胀比均有助于提升系统性能。通过对SCRBC/KC/ORC系统进行目标参数优化,大幅度提升了SCRBC/KC/ORC(R245fa)系统性能,使SCRBC/KC/ORC(R245fa)系统成为所优化目标系统中性能最优的系统,热效率和(火用)效率分别为47.69%和70.72%。在以上优化结果的基础上,通过多目标优化对SCRBC/KC/ORC(R245fa)系统的热力性能和(火用)经济性能进行优化,使SCRBC/KC/ORC(R245fa)系统在多目标优化工况下系统最优热效率、(火用)效率和系统(火用)经济成本分别为47.72%、70.76%和6.79$/GJ。通过研究分析和对比,找到了4种不同循环布设形式的最优布设方案:SCRBC/KC/ORC系统。利用遗传优化算法,优化了目标系统性能并计算得出了SCRBC/KC/ORC(R245fa)系统最优性能所对应的最佳系统运行工况,从而提高了整体系统能量转换效率并优化了系统(火用)经济性能。本研究的研究成果,明确了SCRBC联合循环系统优化的方向,对SCRBC应用于太阳能光热参数的热能利用提供一定参考。

关键词：超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环卡琳娜循环有机朗肯循环塔式太阳能光热系统余热回收利用热力学分析遗传优化算法

间接式S-CO2塔式光热发电系统模拟及优化

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间接式S-CO2塔式光热发电系统模拟及优化

作者：闫锐鸣华北电力大学

学位级别：硕士

塔式光热S-CO布雷顿循环发电系统由于其工质的无毒、来源广泛、稳定性高等优点可以很好的满足光热发电向大规模、高参数方向发展的要求。对于塔式光热S-CO布雷顿循环发电系统,其系统效率由镜场效率、储热效率和布雷顿循环系统效率共同... 详细信息

塔式光热S-CO布雷顿循环发电系统由于其工质的无毒、来源广泛、稳定性高等优点可以很好的满足光热发电向大规模、高参数方向发展的要求。对于塔式光热S-CO布雷顿循环发电系统,其系统效率由镜场效率、储热效率和布雷顿循环系统效率共同决定。对集热系统进行设计,包括对厂址DNI全年变化情况、日照时长进行分析;对定日镜尺寸数量进行设计;对镜场的布置方式进行模拟。得出镜场效率以及损失的变化规律,以及效率变化曲线。建立再压缩S-CO布雷顿循环模型,对S-CO再压缩布雷顿循环的塔式太阳能光热系统的分流比、压比、透平入口温度等参数进行研究。发现吸热器总热损从透平入口温度为500℃时的6.19MW上升至800℃时的14.54MW上升百分比为134.9%。系统循环效率随透平入口温度的增大,在750℃左右达到最大;分流比(流经主压缩机的质量流量与循环总流量的比值)为0.7左右时系统循环效率达到最大。采用遗传算法基于循环效率对压比进行了寻优。对储热系统熔融盐种类进行分析和比较,发现氯化物相较其它熔融盐具备价格低廉且种类众多,具有粘度低、比热大、导热系数大、相变潜热大及稳定性好等优点,可以按照不同的比例进行混合制备低熔点的混合型熔盐。本文采用Li Cl-KCl(质量分数分别为45%和55%)二元混合熔融盐作为吸热工质。并且计算得出储热系统效率以及储热时长随季节的变化规律。结果表明全年平均蓄热所需时长为11.59h。整个蓄热系统可保证电站在无光源状态下满发10h。对储热罐进行模拟计算,得出罐内熔融盐的温度云图随时间的变化,发现储热罐内熔融盐温度在12h内从900℃下降到858℃,其平均温度高于800℃,从而满足循环要求。

关键词：超临界二氧化碳塔式太阳能光热系统储热罐参数模拟