【摘要】：近年來隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,以煤炭為主的一次能源消耗量越來越大,同時(shí)因燃燒化石燃料而造成的空氣污染也愈演愈烈,嚴(yán)重威脅人們的生活環(huán)境,迫切需要找到一種可持續(xù)的清潔能源,太陽能取之不盡、用之不竭,由太陽能熱驅(qū)動(dòng)的分布式聯(lián)供系統(tǒng)正逐漸成為可再生能源研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。拋物槽式太陽能集熱技術(shù)成熟度高、規(guī)模靈活、投資成本相對較低,非常適合分布式聯(lián)供系統(tǒng),其集熱效率隨流體工作溫度、入射角角度和輻照強(qiáng)度的變化曲線是聯(lián)供系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基本輸入?yún)?shù),而單位集熱面積上的年有效入射輻射、年有效熱量輸出是進(jìn)行系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性評價(jià)的前提。以1000 m~2槽式太陽能集熱器具體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),結(jié)合天津地理位置、典型氣象年和室外大型槽式集熱器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),研究了東西軸和南北軸兩種跟蹤方式不同工況下的集熱性能。兩種跟蹤方式下,單位集熱面積上的年有效入射直射輻射量分別為3662.51 MJ/(m~2·y)和4621.10MJ/(m~2·y),對太陽法向直射輻射的捕獲率分別為72.47%和91.44%;流體平均工作溫度為200℃、反射鏡潔凈系數(shù)為0.95時(shí),集熱器的年平均光熱轉(zhuǎn)化效率分別為47.93%和54.93%;流體平均工作溫度升高至300℃時(shí),集熱器的年平均光熱轉(zhuǎn)化效率分別為30.60%和41.20%。太陽能熱驅(qū)動(dòng)聯(lián)供系統(tǒng)多目標(biāo)輸出的技術(shù)特點(diǎn)使有機(jī)朗肯循環(huán)成為最適合的動(dòng)力循環(huán)方式,而工質(zhì)篩選是構(gòu)建有機(jī)朗肯循環(huán)所面臨的首要問題。目前已有很多針對工質(zhì)篩選的研究,但卻沒有特定的一種或者幾種工質(zhì)被廣泛的推薦或認(rèn)可,備選工質(zhì)、傳熱窄點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同是造成這種現(xiàn)象的重要原因�；谶@種現(xiàn)狀,以循環(huán)熱效率為目標(biāo)對權(quán)威數(shù)據(jù)庫Refprop中的全部純工質(zhì)進(jìn)行研究,結(jié)果表明:熱源溫度200℃以下時(shí),熱效率最高的前四種工質(zhì)為R141b、R123、乙醚和戊烷,考慮ODP和安全性之后,首選工質(zhì)為R1233zd,R245fa的性能屬于中等;熱源溫度200℃以上時(shí),如考慮易燃性和毒性只有硅氧烷可用,但其熱效率最低,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下其冷凝溫度基本在200℃左右;此外受臨界溫度較低的影響,近似等熵工質(zhì)在亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)中的應(yīng)用前景有限。已有以熱效率為目標(biāo)函數(shù)的工質(zhì)篩選研究缺少對影響熱效率的關(guān)鍵物性參數(shù)的論證分析,尚未認(rèn)識(shí)到由工質(zhì)物理屬性導(dǎo)致的介于有機(jī)朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)之間的次理想循環(huán)熱效率的存在。首先分析過熱度是否能提高循環(huán)熱效率,研究發(fā)現(xiàn)在無回?zé)岬挠袡C(jī)朗肯循環(huán)中,過熱度不能提高循環(huán)熱效率;其次再分析影響循環(huán)熱效率的關(guān)鍵參數(shù),發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)顯熱與潛熱的比值越小,循環(huán)熱效率越高;最后利用計(jì)算物質(zhì)潛熱的Watson方程推導(dǎo)出介于卡諾效率和實(shí)際循環(huán)效率之間的次理想循環(huán)效率,縮小了實(shí)際循環(huán)和理想循環(huán)之間的差距,明確了高效有機(jī)工質(zhì)熱效率的提升空間。液相壓縮熱力過程是有機(jī)朗肯循環(huán)中唯一的耗能過程,實(shí)際應(yīng)用中約占?xì)庀嗯蛎涊敵龉Φ?0~30%,但目前缺少有機(jī)工質(zhì)物性和液相壓縮熱力過程等熵效率之間關(guān)聯(lián)的研究。采用4種有機(jī)工質(zhì)R245fa、R123、R152a和R600a,對隔膜泵壓縮過程中等熵效率的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量,結(jié)果表明:等熵效率隨體積流量增大而增大,隨進(jìn)出口壓差增大而增大。在對隔膜泵傳動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析后,證明壓縮過程開始時(shí)膜片對液體的撞擊速度是引起壓縮過程熵增的主要原因。提出一個(gè)復(fù)合物性參數(shù)α_V/ρc_p,用于評價(jià)工質(zhì)物性對等熵效率的影響,在相同的體積流量和進(jìn)出口壓差情況下,復(fù)合參數(shù)值越小,液相壓縮過程等熵效率越高。在對集熱過程和有機(jī)朗肯循環(huán)各熱力過程的研究基礎(chǔ)上,針對太陽能驅(qū)動(dòng)的CCHP系統(tǒng)提出一種新的設(shè)計(jì)思路,指出系統(tǒng)的“最小結(jié)構(gòu)配置”,并將設(shè)計(jì)過程劃分為兩個(gè)階段,提高了設(shè)計(jì)的可行性。系統(tǒng)A僅保證建筑供暖(冷),對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后,得到換熱器內(nèi)的傳熱窄點(diǎn)為39.1℃;系統(tǒng)A結(jié)合有機(jī)朗肯循環(huán)形成系統(tǒng)B,對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后,得到有機(jī)朗肯循環(huán)蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)的傳熱窄點(diǎn)分別為10.69℃、8.44℃,系統(tǒng)收益率為122.03 W/m~2。使用Dymola平臺(tái)對系統(tǒng)B進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真研究,發(fā)現(xiàn)在沒有完整主動(dòng)控制策略的情況下,導(dǎo)熱油工作溫度超過設(shè)計(jì)值37.79℃,蒸發(fā)器出口處工質(zhì)過熱度達(dá)到86.46℃。
【圖文】：

消費(fèi)的 85.9%，其中石油占比 32.9%，天然氣占比 23.8%，煤炭占比 29.2%；除此之外，核能占比 4.4%，水力發(fā)電占比 6.8%，可以看到化石能源仍是當(dāng)前社會(huì)的主要能量來源。由于化石能源的生成周期漫長，可能需要數(shù)百萬年，因此被稱為不可再生能源；而太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿饶茉礇]有生成周期的限制，一定程度上屬于儲(chǔ)量無限大的資源，被稱為可再生能源。2015 年可再生能源發(fā)電量在全球一次能源消費(fèi)中的比重才占 2.8%[1]，不過國際能源署 (International EnergyAgency) 在 2016 年可再生能源市場中長期規(guī)劃中表示，2015 年全球新增發(fā)電量中絕大多數(shù)來自可再生能源[2]。目前，每年巨額的化石能源消耗已經(jīng)引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問題，特別是在中國，2015 年我國能源消費(fèi)總量折合 43 億噸標(biāo)煤，煤炭消費(fèi)量占總量的 64%，圖 1-1 是由中國中央氣象臺(tái)發(fā)布的 2016 年 12 月 18 日至 20 日的全國空氣質(zhì)量監(jiān)測報(bào)告[3]，污染肆虐觸目驚心，更重要的是這種空氣污染事件不再是偶然發(fā)生，而是已經(jīng)逐漸演變成經(jīng)常性事件。特別是在中東部地區(qū)，空氣污染情況十分嚴(yán)重，在秋冬季節(jié)很多大中型城市長期籠罩在霧霾的陰影之下，這迫使人們充分認(rèn)識(shí)到，忽視環(huán)境保護(hù)而一

(c) (d)圖 1-2 太陽能熱利用的主要技術(shù)形式：(a) 塔式；(b) 槽式；(c) 碟式；(d) 菲涅爾式igure 1-2 Main technologies of solar thermal utilization: (a) tower; (b) parabolic trough; (c) di(d) Fresnel表 1-1 不同類型太陽能熱發(fā)電技術(shù)對比Table 1-1. Comparison of different solar thermal power technologies參數(shù) 槽式系統(tǒng) 塔式系統(tǒng) 碟式系統(tǒng)規(guī)模 30~320 MW 10~20 MW 5~25 kW運(yùn)行溫度 (℃) 390 565 750峰值效率 (%) 20 23 24年凈效率 (%) 11~16 7~20 12~25商業(yè)化情況 可商業(yè)化 示范階段 試驗(yàn)階段技術(shù)開發(fā)風(fēng)險(xiǎn) 低 中 高成本 依賴于規(guī)模 不依賴規(guī)模
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TK519

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本文編號(hào)：2645203