【摘要】：應(yīng)用儲能技術(shù)可有效緩解可再生能源間歇性和波動性與人類社會能源消費需求之間的矛盾。在諸多儲能技術(shù)中,中高溫熔鹽單罐填充床蓄熱因其應(yīng)用溫度范圍廣且成本低廉的優(yōu)點已成為近年來研究的熱點。然而,現(xiàn)階段我們對熔鹽單罐填充床蓄熱的設(shè)計及運行參數(shù)對其運行特性的影響還缺乏全面深刻的認(rèn)識;同時,在其系統(tǒng)性能優(yōu)化和規(guī)模設(shè)計方法上還存在提升的空間;另外,對其在清潔能源中的應(yīng)用場景和系統(tǒng)集成性能還有待進(jìn)一步探索�；诖�,本文開展了以下研究工作�；诨旌蠑U(kuò)散模型、焓方法及有效導(dǎo)熱系數(shù)法開發(fā)并驗證了適用于任意填充床構(gòu)型的單罐填充床蓄熱一維瞬態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型和相關(guān)的數(shù)值分析工具。采用該模型,對實際應(yīng)用規(guī)模的熔鹽單罐填充床蓄熱系統(tǒng)在不同的填充床構(gòu)型(顯熱式、單層相變式、雙層相變式和三層混合式)和不同運行工況下的蓄、放熱特性進(jìn)行了對比分析,并研究了關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對其蓄熱性能的影響。結(jié)果表明:相變填充層引入可提升填充床蓄熱系統(tǒng)的有效蓄熱容量和蓄熱容量利用因子;不完全蓄熱會影響系統(tǒng)有效蓄熱容量;系統(tǒng)蓄熱容量利用因子隨蓄(放)功率的減小、截止溫度裕度的增大、填充床高度和半徑的增大和隨蓄熱單元尺寸的減小而增大�；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果,分析了填充床構(gòu)型對熔鹽單罐填充床蓄熱系統(tǒng)的蓄熱性能和成本的影響;并計算了成本最優(yōu)的填充床構(gòu)型。研究發(fā)現(xiàn):熔鹽單罐填充床蓄熱系統(tǒng)在成本最優(yōu)的填充床構(gòu)型(相變填充比例在14.1%~14.7%之間,高溫相變填填充層體積比例在61%~67%之間)下可實現(xiàn)對同等規(guī)模的熔鹽雙罐蓄熱系統(tǒng)36.8%~39.2%的投資成本削減。同時,提出了一種快速、準(zhǔn)確、可適用于任意運行工況的熔鹽單罐填充床蓄熱系統(tǒng)的尺寸設(shè)計方法,并對經(jīng)過尺寸設(shè)計的填充床蓄熱系統(tǒng)在實際連續(xù)運行工況下的蓄熱性能進(jìn)行了評估。研究結(jié)果顯示:該方法通過采用一種創(chuàng)新的初始條件設(shè)置減少了約25%~71%的迭代計算量;在對顯熱式和單層相變式填充床蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行尺寸設(shè)計時,需考慮一定的設(shè)計裕度,以彌補其在運行中因蓄熱量波動而損失的有效蓄熱容量。另外,提出了一種基于混合式填充床蓄熱系統(tǒng)的核能-太陽能混合能源發(fā)電系統(tǒng)的概念設(shè)計;對比分析了該系統(tǒng)與同等裝機(jī)容量的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)運行性能;通過參數(shù)化研究衡量了該系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)對其性能的影響,并依此篩選出綜合性能最佳的設(shè)計參數(shù)。研究結(jié)果表明:混合能源發(fā)電系統(tǒng)具有比太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)更高的產(chǎn)能利用率(85.3%vs.76.0%)和供電率(98.4%vs.61.5%);增加核能裝機(jī)容量比例可提升系統(tǒng)供電率并降低蓄熱規(guī)模對系統(tǒng)產(chǎn)能利用率的影響,增加太陽倍數(shù)可降低系統(tǒng)產(chǎn)能利用率并提升系統(tǒng)供電率,增加蓄熱規(guī)模有助于同時提升系統(tǒng)的產(chǎn)能利用率和供電率;系統(tǒng)在最優(yōu)設(shè)計參數(shù)下(核能裝機(jī)容量為50%,太陽倍數(shù)為1.27,蓄熱系統(tǒng)理論蓄熱時長為14.8 h),達(dá)到了100%的產(chǎn)能利用率和供電率。綜合以上,本課題研究增進(jìn)了對熔鹽單罐填充床蓄熱的運行特性的理解,為其性能及成本優(yōu)化提供了一定的理論指導(dǎo),為其規(guī)模設(shè)計提供了高效的解決方案,并對其在清潔能源中的應(yīng)用場景開發(fā)提供了新思路。
【圖文】：

也面臨一些挑戰(zhàn)，，例如：相變介質(zhì)的蓄熱性能會在長變蓄熱介質(zhì)的強化換熱技術(shù)較為復(fù)雜且成本較高[21熱通過蓄熱介質(zhì)的反應(yīng)熱來實現(xiàn)熱量儲存。相比于顯蓄熱具有以下優(yōu)勢：蓄熱介質(zhì)可常溫儲存、蓄熱能量常見的熱化學(xué)蓄熱介質(zhì)有：氫氧化鈣、碳酸鈣、氧化熱目前還處于實驗室研發(fā)階段，其規(guī)�；膽�(yīng)用還反應(yīng)速率難以精確控制，反應(yīng)熱的輸運成本較高，熱性較差。按照蓄熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型可分為主動式蓄熱和被動蓄熱介質(zhì)在蓄、放熱過程中是否流動以及是否參與與上述以熔鹽雙罐蓄熱為代表的液體顯熱蓄熱屬于主熱和固-液相變蓄熱基本均屬于被動式蓄熱技術(shù)。

內(nèi)部溫度場達(dá)到收斂條件（溫度場殘差小于10-6）。AB腳本語言開發(fā)了基于上述模型的數(shù)值計算工具。獻(xiàn)報道的實驗結(jié)果與采用上述模型計算的數(shù)值結(jié)果個不同的實例驗證模型對顯熱填充床蓄熱系統(tǒng)和相。實例參考 Pachecoetal.[27]的實驗工作，搭建并測試了顯熱填充床熔鹽蓄熱中試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的示意圖如構(gòu)與 2.1.1 中介紹的熔鹽單罐填充床系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本對抽出的冷熔鹽進(jìn)行加熱，采用空氣冷卻器對抽出的用質(zhì)量比為 2:1 的石英石和沙礫的混合物作為填充床軸線上，每隔 15 cm 布置一個熱電偶測量傳蓄熱熔
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TL426

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本文編號：2648366