储热型有机朗肯循环的储热罐设计与分析

储热型有机朗肯循环的储热罐设计与分析

张晓华

山东理工大学，电气与电子工程学院，淄博，255000

摘要：可再生能源发电逐渐成为各国重视的主流，其中太阳能发电最为广泛，但由于太阳能有不连续、不稳定的缺点，需要建立一个适合的储能系统。本文设计了一种太阳能储能系统，创新的采用单罐双腔式储热罐，建立储热罐物理模型，确定储热罐体积和壁厚。并且选取了有机朗肯循环系统的有机工质为R123。使用FLUENT软件进行静态散热分析，并通过改变不同的隔热板材料及保温层厚度分析。

关键词：太阳能发电；储热罐；隔热板；保温层

1引言

随着世界各国的快速发展，能源的需求量逐步增加，煤炭、石油等被过度不合理使用，对环境造成了污染。全球正在大力发展可再生能源，到2030，可再生能源将成为主要的生产模式，在我国实现碳中和的关键是大力发展可再生能源发电，如光电、风电、水电等，既可以减轻对矿物能源的过度依赖，又可以大幅度降低温室气体排放量。

目前，国内的太阳能热发电技术还处在起步阶段，实践经验不足，太阳能热电厂的系统设计还缺少参考资料，模拟技术等还处在发展初期，因此需要大力发展太阳能储热方向，利用太阳能资源。不仅如此，太阳能发电系统的优化还可以降低投资，在提高发电效率的同时，还可以降低电厂的投资，这对推动太阳能热技术的发展具有重大的现实意。

2储能系统模型的设计与计算

2.1储热罐结构设计原理

本文采用了一种创新的单罐双腔式储热系统，并在此基础上设计了一种圆筒式储热罐，并在中央设置了一层隔热板，以避免热液与冷液的直接接触，从而防止了热液与冷液的直接接触所造成的热量损耗。储热罐结构见图1。由于导热油的密度随着温度的下降而增加，因此，在储热箱的下部应该放置冷流体，在储热箱的上腔中放置热流体，这样就可以防止液体在上下两个腔室之间的流动，从而减少了热量的损耗。

图1储热罐结构图

2.2储热罐计算

根据图1可以计算储热罐参数。接下来将对分别对储热罐结构中各参数进行计算。

储热罐容积：

                         （1）

储热罐壁厚：

                           （2）

3储热罐性能模拟结果分析

3.1不同材料隔热板的性能模拟研究

在所选取的三种隔热板材料中，安装了铝隔热板的储热罐在靠近隔热板的地方产生了明显的温度场。而木制隔热板和泡沫玻璃隔热板附近没有明显的温度变化区域。图2，图3和图4对三种材料的储热罐隔热板下腔温度分布进行了模拟，由于铝的导热系数较大，铝隔热板的内部温度随换热进程而快速上升后基本保持不变，冷热液体通过隔热板快速换热。由于吸热，隔热板的下部分温度升高很快，上部区温度急剧下降，而发泡玻璃和木头隔热板具有较低的导热性能，上部分与下部分冷热流体的热量交换小，所以该隔热板的邻近区域温度没有明显的改变。

图2铝材料温度分布曲线              图3木材料温度分布曲线

图4发泡玻璃温度分布曲线

对于以上的隔热板材料进行对比分析，发现发泡玻璃最适合隔热板的制作。3.2不同保温层厚度的性能模拟研究

本文选择储热罐散热较多的位置，进行模拟研究，侧边保温层和储热罐顶保温层分别为0.1m、0.2m和0.3m进行仿真。

图5（a）表明了当储热罐侧边保温层保持不变时，改变不同的储热罐上部保温层厚度，储热罐内部竖直方向上的温度变化图；图5（b）表明了当储热罐上部保温层保持不变时，改变不同的储热罐侧边保温层厚度，储热罐内部竖直方向上的温度变化图。

当保温层逐渐加厚，温度变化幅度逐渐减小，图（a）发现不同的上部保温层厚度对温度变化的影响很小；图5（b）发现，改变侧边保温层厚度时，温度变化更加明显。当保温层增加到0.2m以上，曲线接近重合。所以可以得出结论：保温层厚度为0.2m时，保温效果已经满足需求，再增加厚度，对保温效果的影响不大。因此在设计储热罐保温层厚度时，选择保温层厚度为0.2m。

（a）(b)

图5 储热温度随保温层厚度的变化关系

4结论

本文建立了太阳能发电系统的储能罐结构，使用FLUENT软件对储热罐进行模拟分析，并且通过改变保温层厚度以及隔热板材料等因素，对储热罐静态散热进行分析。得到如下结论：隔热板采用发泡玻璃，因其具有较低的导热性能，冷热流体交换小，隔热板附近没有明显变化，使系统具有更好的性能。侧边保温层厚度为0.2m保温效果已达到要求。

参考文献

[1] 任品桥,刘宇,孙博学,李小青. 可再生能源发电的环境影响评价研究综述[C].中国材料大会2021论文集

[2] 张学铭.太阳能发电技术综合评价及应用前景探析[J].中国设备工程,2019(23):219-220