塔式太阳能电站光热耦合系统能量时空协同传输机理研究

The"Concentrator-Receiver"couple system,which is distinguished from the boiler of conventional coal-fired plants, is the most important equipment in solar power tower plants. Due to the instability of energy sources, the couple system is easily governed by the weather status, which makes the operation conditions complicated and changed frequently, and has the strongly nonlinearity, time-variance features with multiple variables, that makes the operation modes diversity and complexity. In order to study the energy cooperative transmission mechanism and dynamic, steady characteristics of light-heat couple system, on the one hand, recurring to the dynamic modeling method, the couple system dynamic models are developed, which couple the models with optics, heat transfer and hydrodynamic knowledge. Based on the simulation platform, the energy cooperative transmission mechanism and system characteristics will be analyzed fully, and the system efficiency affected by system structure will be evaluated in detail. On the other hand, the developed models will be improved and optimized based on the solar tower power plant experiment platform in Beijing. The result of this project is to provide a significant guidance for the optimal design and high-efficient operation of system in the future.

塔式太阳能电站和常规电站相比，最直接的区别是利用"聚光-吸热"装置代替了传统的锅炉系统进行能量转换。由于电站能量来源的不稳定性，因此光-热耦合系统受天气情况影响比较大，造成其运行工况变化频繁、复杂，使其具有多变量耦合的强非线性、时变性的特点，导致其运行模式多样和复杂。为了研究光-热耦合系统能量时空协同传输转换规律及耦合系统的动、静特性，本课题一方面通过动力学建模手段，建立起耦合系统涉及非成像光学、传热学及流体动力学等的动态数学模型，搭建起模拟平台，据此对耦合系统的能量传输规律及耦合系统特性进行全面的分析，并全面评估系统结构对系统效率的影响。另一方面，本项目利用北京延庆国内首个塔式电站的实验平台，对模型进行改进及优化。本课题结果可以为塔式电站的优化设计及高效安全运行提供指导方案。

塔式太阳能电站和常规电站相比，最直接的区别是利用"聚光-吸热"装置代替了传统的锅炉系统进行能量转换。由于电站能量来源的不稳定性，因此光-热耦合系统受天气情况影响比较大，造成其运行工况变化频繁、复杂，使其具有多变量耦合的强非线性、时变性的特点，导致其运行模式多样和复杂。因此非常有必要对光-热耦合系统能量时空协同传输转换规律及耦合系统的动、静特性展开研究。本项目的主要研究内容和成果如下：.1）利用基于“蒙特卡洛”的光线追迹法建立了延庆1MW光热电站定日镜场中心点聚焦的光学数学模型。通过此模型，对全年典型天中吸热器腔内入射能流密度的分布特征及其变化规律进行了深入分析，结果表明从镜场入射进来的能流密度任何时候都主要分布在吸热器的腔内背侧面，两侧面次之；当太阳从东边升起直至正午时，太阳入射能量主要分布在吸热器腔内的“左-中”区域，而当太阳越过正午，其能量分布逐渐转移到“右-中”区域。上述模拟结果最后通过实验对比，验证了所建模型的有效性。.2）利用模块化建模方法，根据质量、能量以及动量守恒定律，建立了吸热系统的非稳态全工况的热物理数学动态模型。该模型不仅能够对腔内管中单相流体（水/蒸汽）吸热过程中各参数的变化进行仿真，而且还能够对管内水工质因吸热而发生相变过程中的参数变化进行动态仿真；建立了吸热器内并联蒸发面工质质量流量分配的数学模型，研究结果表明：在总质量流量一定的情况下，各蒸发面受热面的质量流量与入射在该表面的能流密度大小成反比。.3）基于“STAR-90”仿真平台，搭建了光-热耦合系统的仿真模型。为了验证所建模型的有效性，通过输入和延庆光热电站实验过程中相同的初始条件以及操作步骤，对仿真结果和实验结果进行了对比验证。结果表明，本论文所建模型具有很高的可靠性。. 本项目的研究结果可以为塔式光热电站的光-热耦合系统优化设计以及高效安全运行提供指导方案。