随着能源生产和消费模式的结构转型,传统化石燃料能源逐步被太阳能、风能等清洁能源所替代。在此时代背景下,聚光式太阳能热发电（Concentrating Solar Power,简称CSP）作为一种新兴可再生能源利用技术,为人类合理利用清洁能源提供了新的思路,具有重要的开发价值。针对不同的气象条件,采取不同的光热发电技术路线可有效解决能源与环境的突出矛盾。对于气象资源不理想地区,采取槽式太阳能热发电技术进行中低温热能回收具有广阔的应用背景与独特的技术优势,可有效将能流密度较低、分散性较强的太阳能实现能量形式的科学转换。众所周知,槽式聚光太阳能热发电系统主要由抛物面槽式聚光集热装置、储热装置以及热功转换装置三部分有机耦合组成。然而,中低温参数下的光热发电存在效率较低、成本较高、投资回收期较长等一系列问题亟待解决。本文便以全系统为研究对象,从整体到局部各环节对其中存在的关键性技术问题开展一系列深入研究,采取的方法涵盖了理论计算、模拟仿真和实验研究。首先,根据光学定律、热力学第一与第二定律等理论,对槽式聚光器、太阳能真空集热管、储热罐和后端有无回热装置的热功转换系统依次建立数学模型,在Ebsilon仿真平台中进行了四个典型节气“春分、夏至、秋分、冬至”的逐时仿真,确立了带有回热装置的中低温槽式太阳能热发电系统的总体技术方案。其次,对前端槽式聚光集热系统中的核心设备-聚光器与真空集热管进行了结构优化,提出了顶部带有菲涅尔透镜的新型槽式聚光器与内插螺旋三叶片转子结构的新型太阳能真空集热管两个新概念。利用SolTrace软件,模拟了新型聚光器的光学传播路径及其对真空集热管圆周方向上热流密度分布的影响;利用CFD软件,结合三大控制方程,对转子管与光管两类集热管进行了内部流场传热流动的数值模拟,对速度场、压力场、温度场和场协同耦合能力进行了对比分析,并给出了传热性能综合评价指标最终结果。再次,开展了热功转换系统的动力特性规律研究,提出了采取低沸点有机干工质作为循环介质的新方案。采用Matlab编程计算,研究了中低温太阳能热源驱动的R245fa单工质和8种非共沸混合干工质的亚临界与超临界循环不同工况下的变化规律,并采用层次分析法得到了综合指标评价值与优化后的系统运行参数。最后,在前期理论分析的前提下,完成了槽式聚光集热回路的搭建和实验工作。对比分析了传统槽与新型槽的集热量、集热器进出口导热油温差、瞬时效率等多项指标的分布规律,以及光管、转子管不同类型集热管的热损失性能,验证了新型聚光集热设备设计的合理性及有效性。最终,本文从理论与实验两个角度,对中低温槽式太阳能热发电系统中存在的核心问题进行了深入剖析,全方位地为新型中低温槽式太阳能热发电系统设计、运行及工程化推广提供一定的借鉴意义。
