填充床蒸汽蓄热系统内流动与传热的实验和理论研究

Thermal energy storage system is one of important component of solar energy generation system (SEGS), serving as a key technology in solving instability of solar irradiation and reducing cost of the power generation. This project, combining direct steam generation (DSG) system with a packed bed full of solid material, develops a new heat storage system-Packed Bed Steam Thermal Energy Storage System. This system focuses on the poor performance, low heat efficiency and low entropy efficiency occurred in the 1st parabolic trough solar thermal energy generation system, and a method is proposed that latent heat and sensible heat of superheat steam generated in direct steam generation system are stored in packed bed and phase-change theory and percolation theory are combined with the 1st and 2nd laws of thermodynamics. This project will reveals heat transfer characteristics in porous media under medium or high temperature condition when heat transfer fluid flows through packed bed, investigate percolation and pressure-drop characteristics, couple the heat transfer and percolation characteristics, and provide theoretical and experimental data for the optimization and applications of packed bed thermal energy storage under medium or high temperature condition.

蓄热系统是太阳能热发电系统的重要组成之一，是解决太阳辐照不稳定、降低发电成本的关键技术。本项目将直接产生蒸汽系统与采用固体材料为蓄热介质的填充床系统相结合，提出了一种新型蓄热系统-填充床蒸汽蓄热系统。它针对第一代槽式太阳能热发电系统在200℃至400℃温度区间上蓄热系统蓄热性能差、热效率及火用效率低等关键问题，提出了将直接产生蒸汽系统的过热蒸汽的潜热和显热储存到填充床中的方法，将相变传热机理和渗流理论与热力学第一、二定律有机结合。通过本项目研究，将揭示中高温条件下传热介质在固体蓄热介质之间传热机理，探索传热介质在填充床内的渗流流动特性和压降机理，丰富填充床内部传热介质流动特性与相间传热机理之间的内在联系，为填充床蓄热系统的优化以及在中高温领域上的应用提供理论和实验依据。

蓄热系统是太阳能热发电系统的重要组成之一，是解决太阳辐照不稳定、降低发电成本的关键技术。本项目将直接产生蒸汽系统与采用固体材料为蓄热介质的填充床系统相结合，提出了一种新型蓄热系统-填充床蒸汽蓄热系统。本课题首先完成了填充床蒸汽蓄热系统内的所使用的固体蓄热介质的筛选，通过对6种常见的固体蓄热介质的比热参数进行测量，选择了价格较为低廉且比热参数较大的材质为氧化铝的蓄热球，并对其比热参数进行了系统的测量得到了较为真实可信的热物性参数；结合测量到的比热参数对填充床蒸汽蓄热系统的经济性进行了比较，比较了填充床蒸汽蓄热系统与传统的蒸汽蓄热器的投资成本，之后又与导热油及熔融盐系统的建设成本进行了比较，得到了填充床蒸汽蓄热系统具有较好的建设经济性；然后设计了一个小型的填充床系统，并对填充床蒸汽蓄热系统内流动与传热进行了实验研究，得到了不同质量流量条件下的斜温层分布情况；在研究上述蓄热过程之后深入地研究了传热介质与蓄热介质表面相变传热及流动情况，研究了传热介质与固体蓄热介质之间强化换热的机理研究，最后对填充床蒸汽蓄热系统内蓄热过程进行了数值模拟研究，研究了饱和蒸汽和过热蒸汽在填充床内部发生相变及非相变过程中的温度场分布。根据本课题研究所得到的结论，设计并搭建了国内外首台1MW/1MWh的填充床蒸汽蓄热系统，进一步说明了课题的研究成果对填充床蒸汽蓄热系统的大规模产业化商用的设计具有重要的作用和价值。