作者：

王坤(王坤.)

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摘要：

隨著能源與環境問題的日益加劇，聚光型太陽能熱發電技術作為一種可再生能源的重要利用方式，近年來得到了快速發展。然而，與傳統燃煤火力發電相比，其發電成本仍然相對較高。因此，進一步提高系統效率、降低發電成本是目前太陽能熱發電技術的發展目標。在太陽能熱發電系統中發展更加高效、緊湊的超臨界二氧化碳（supercritical　carbon　dioxide,　s-co2）布雷頓循環是提高系統效率、降低發電成本的有效方式之一。而目前s-co2太陽能熱發電系統的集成研究剛剛起步，缺乏一體化熱力學模型與綜合評價體系。另一方面，聚焦后的太陽能表現出強烈的非均勻性，這給吸熱器的安全高效運行帶來極大挑戰，特別是當與s-co2布雷頓循環結合時，太陽能熱發電系統需要更高的運行溫度。高溫運行條件下，非均勻的太陽能流分布帶來的挑戰更加嚴峻。因此需要對聚光傳熱過程進行優化調控，提高系統的安全性。

鑒于此，本研究以提高太陽能熱發電系統效率與安全性、降低發電成本為目標，提出將新型的s-co2布雷頓循環與相對成熟的熔鹽吸熱技術相結合，圍繞s-co2布雷頓循環在太陽能熱發電系統中的高效集成及其聚光、傳熱過程的優化調控，從系統層面與部件層面展開了深入研究。在系統層面，建立了s-co2太陽能熱發電系統的光-熱-功一體化熱力學模型，對系統進行了多參數協同優化，并首次構建了s-co2太陽能熱發電系統的綜合評價體系；在部件層面上，分別對定日鏡場、吸熱器及換熱器中存在的聚光、傳熱過程進行了優化調控，以期實現系統的高效安全運行。具體研究內容及主要結論如下：

1）針對s-co2太陽能熱發電系統建立了光-熱-功一體化完整熱力學模型，結合太陽能熱發電系統的特點有針對性地提出了系統效率、比功、吸熱溫差等3個性能評價指標，采用遺傳算法對系統進行了多參數間的協同優化。系統性能受多個參數影響，簡單的參數分析不能得到使系統性能達到最優的參數組合，需進行多參數間的協同優化；目前廣泛應用的太陽鹽不能完全滿足s-co2太陽能熱發電系統的需要，過低的極限使用溫度限制了系統性能的進一步提升，需要開發具有更高使用溫度的新型鹽；多目標優化給出的高溫熔鹽最佳運行溫度范圍是668℃~782℃。

2）首次構建了s-co2太陽能熱發電系統的綜合評價體系，并舉例說明了該評價體系在最佳循環形式篩選中的應用。不同形式的s-co2循環需在各自最優的運行參數組合下對其性能進行對比，簡單的參數分析不能給出滿意的對比結果；而基于多目標優化構建的s-co2太陽能熱發電系統在效率-比功-吸熱溫差三維空間內的綜合評價體系，能夠對系統性能進行綜合評估，且可完成最佳循環形式的篩選。

3）針對帶腔體吸熱器的塔式聚光集熱系統，提出了一種蒙特卡洛光線追跡（monte　carlo　ray　tracing，mcrt）方法與杰勃哈特（gebhart）方法耦合的完整光學模型。該模型能夠準確描述吸熱器內太陽輻射能流分布的時空變化規律，并揭示腔體效應（太陽輻射在腔體內多次反射并逐漸吸收的過程）對太陽能流分布的影響：不同時刻下吸熱器進光口處的太陽能分布形狀基本相同，但腔體內部吸熱面上的太陽能流分布隨時間變化顯著，且表現出強烈的非均勻性；腔體效應除了能夠減小吸熱器的反射損失外，還能對投射到腔體內部的部分太陽能進行重新分配，在一定程度上均化太陽能流分布。

4）提出了兩種太陽能流分布的調控方法，以最小的光學損失為代價，最大程度地均化了吸熱器內的太陽能流分布。以均化吸熱器內的太陽能流分布以及減小光學損失為優化目標，分別對定日鏡場的跟蹤策略與吸熱面上的太陽吸收率分布進行了多目標優化，首次定量獲得了太陽能流分布均勻性與光學效率之間此消彼長的權衡關系。據此對吸熱面上的太陽吸收率分布進行了優化布置以及獲得了定日鏡場最優的聚焦跟蹤策略。典型工況下，優化布置后的太陽吸收率分布能夠將吸熱器的反射損失增加量控制在2.5%以內，而能流峰值最大可減小131kw·m-2；優化后的跟蹤策略能夠使太陽能流峰值從456kw·m-2減小到280kw·m-2，而光學損失僅從23.08%增加到24.61%。

5）在全鏡場條件下發展了塔式腔體熔鹽吸熱器的光-熱耦合模擬方法，以實時獲得的太陽輻射能流分布作為邊界條件，揭示了吸熱器內的復雜耦合換熱特性，特別是根據太陽能流分布的非均勻特點，有針對性地對熔鹽流路進行了合理布置，實現了對吸熱性能的優化調控。在非均勻太陽能流邊界條件下，不同的熔鹽流路布置會給吸熱器性能造成顯著差異：熔鹽逆流布置時，低溫熔鹽從太陽能流密度高的區域流入，熱損失較大；而熔鹽順流布置時，低溫熔鹽從太陽能流密度低的區域進入，能夠避免吸熱壁面溫度迅速升高，熱損失較小，吸熱效率較高。

6）針對管殼式換熱器殼側熔鹽的對流換熱，提出了一種大小孔支撐板強化換熱結構，并對其內的熔鹽對流換熱性能進行了實驗研究。大小孔支撐板顯著強化了殼側熔鹽的對流換熱，且強化效果優于弓形支撐板，擬合得到的換熱實驗關聯式為：　nus=3.482*res^0.4105*prs^0.1435。

關鍵詞：

超臨界二氧化碳循環多目標優化聚光型太陽能熱發電熔鹽吸熱器一體化集成

作者機構：

[ 1 ]西安交通大學能源與動力工程學院

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