数值性能调查抛物面太阳能辅助使用不同的传热流体热电厂

文摘

抛物面太阳能收集器获得更高的太阳能热转换效率由于他们最大的集中度。目前的研究主要通过整合抛物面太阳能集热器蒸汽循环发电和加热过程。压水、导热油VP1和超临界二氧化碳检查工作液体在抛物面太阳能收集器。当前研究的目的是观察每个传热流体的最佳操作条件的不同入口温度和流量抛物面太阳能集热器的工作流体,并结合这些参数预测导致的最大能量和火用效率收集器。操作参数变化调查整个系统效率,输出工作,过程升温速率。研究发现宣布低温水是一种有效的传热流体的水平,而导热油VP1有效给予更高的温度范围。综合系统效率更高,最大流速和较低的入口温度。效率的太阳能收集器位于地图的研究,它表明,最大(火用)效率提升的入口温度750 K,是观察到的37.75%。

1。介绍

可再生能源资源被认为是最好的替代方案,以解决严重的生态问题创建由于化石燃料的消耗1]。虽然有各种类型的可再生能源资源(地热、太阳能、风能等),太阳能是一个独特的选择,因为它可以丰富(2]。聚光太阳能系统,也称为聚光太阳能发电(CSP)技术,获得更多的利益由于他们有用热量生产在升高的温度下。特别是菜太阳能收集器是一个有效的来源,将太阳能转换成有用的热能也达到最大热效率由于较高的集中度3]。其操作依赖于太阳辐射到一个小接收器的浓度与工作流体的交流热。腔接收机的应用已被发现是一种非常有用的技术为太阳能辐射适当集中在抛物面太阳能菜(4]。有用得热量从太阳能碟收藏家可以作为输入源烘干机,氢生产系统,兰金和布雷顿循环(5,6]。

文献由两个数值和实验工作关于抛物线盘腔接收器。Daabo et al。7各种抛物面腔接收器)进行数值分析研究其光学性能。结果表明,圆锥形状的接收器接收和最大吸收太阳能辐射单位面积与光学效率比别人更接近75.3%。接收机采用优化方法的优化进行了检查和差价合约最合适的太阳能接收器的位置在一个集中器收集器通过Przenzak et al。8]。流体流动的优化值计算是0.6 m / s没有过热的接收机的身体,同时也降低了对流和辐射的热量损失。Jilte et al。9]调查这道菜收集器与不同空腔形状数学和研究进行了五倾向和三种不同的等温壁的温度。锥形腔接收机显示最低的对流热损失比其他调查接收器。Kaushika和Reddy10)提出了一个方法,设计和开发一种低成本的蒸汽发电系统与抛物线碟(PD)系统集成。太阳能蒸汽转换效率是发现在723 K的80%到70。抛物面碟使用腔接收器被Loni数值建模和热优化et al。11]。

实验工作已经完成分析的精力充沛和exergetic表演SK-14圆柱形谐振腔太阳能盘系统(12]。观察热损失系数为4.6 W / K下的光学效率更高的太阳能输电线为52%。默罕默德(13)设计和开发一个抛物面太阳能热水器(PDS)对国内使用。热的效率在52%和56%之间显示的可靠性设计系统。Reddy et al。14)进行了一项实验工作20米²模糊焦点菜接收机原型。Madadi et al。15)从理论上和实验上分析了精力充沛和PDSC exergetic表演。两种不同的腔接收器,即圆柱和圆锥,考虑了不同的参数。这是观察到几乎35%到60%的(火用)破坏是由于来自太阳的热传递到接收方。圆柱形谐振腔接收机显示比对方更好的结果。

此外,利用传热流体(开支)有一个巨大的对太阳能集热器的效率的影响。最信托基金用于聚光太阳能发电(CSP)技术是石油,而熔融盐也测试人员(16,17]。Loni et al。18)进行了一项研究使用不同腔接收器的PDC利用水和Behran油作为传热液体。另一项研究是由Loni et al。19]在培养皿中使用空气作为信托基金收集器结合有机郎肯循环(兽人)。汗等。20.)检查数值与三种不同的纳米流体,PD腔接收机和盘系统是伴随着上海合作组织₂布雷顿循环发电。阿比德et al。21)进行分析,不同的组织₂再压缩布雷顿循环。热源是抛物面太阳能集热器使用压水。阿比德et al。22)执行另一项研究使用不同的纳米流体和熔融盐在抛物槽和抛物线碟收藏家蒸汽循环。

的其他信托基金利用太阳能集热器是气体(空气、氦气、氮气和有限公司₂)和氩23]。超临界二氧化碳已经吸引了大量的关注由于其非凡的热物理性质。其临界点很低(305 K和7.8 MPa),助攻属性加强在该地区附近三相点。无数的研究提出了建议₂作为传热介质高温太阳能热应用程序(24- - - - - -27]。

此外,纳米流体在太阳能集热器的使用增强了传热的速度也提高了对流换热系数,有用得热量,太阳能集热器的热效率。Mebarek-Oudina [28)数值研究了层流静止不同的纳米流体自然对流传热包含在一个圆柱环使用离散热源。目的是调查体积分数的影响,瑞利数,传热速率基本流体类型。得出Raileigh纳米颗粒的数量和体积分数有影响传热的热效率和增长率。Mebarek-Oudina [29日)进行自然对流传热的数值研究稳定垂直环使用不同的热源的长度。这是观察到长度较小的加热器的传热率更高;然而,通过增加加热器传热速率减少长度。Kherbeet et al。30.]报道nanofluid流动和传热的数值研究层流对流流毗邻水平和三维微尺度提出面临的一步。这表明面临的向前一步增加了传热,而努塞尔特数也加强与上升高度。Abbassi et al。31日)进行了参数调查nanofluid-filled焚烧炉的矩形热块底部来评估不同参数的影响(纳米粒子体积分数、瑞利数、外部磁场强度,等等)。得出结论,增加宽度和高度的加热器也提高了熵代但它已经减少了增加了哈特曼数。Goodarazi et al。32)进行的一项研究的非牛顿流nanofluid羧甲基氧化cellulose-aluminum超小型电子管。目的是探索纳米颗粒的存在和滑移现象和温度跳跃。Olia et al。33]所述的现代发展对纳米流体的传热流体的应用抛物槽太阳能收集器。得出纳米流体不仅提高(火用)效率,能源效率,对流传热系数也减轻系统的熵的一代。

Gheynani et al。34)研究纳米颗粒浓度的影响和直径不同的传热特性的非牛顿羧甲基纤维素/措流体在一个超小型电子管使用有限体积法的数值模拟。谭(35)提出了一个碾碎的干燥植物碾碎的质量的基础上,对最优生产温度、湿度。不确定性分析进行了数据的准确性。干燥过程能量和火用效率是24.95%和44.05%,分别。谭(36)进行了一项实验优化提高PEM燃料电池的效率和发展PEM燃料电池的模拟和建模。第一和第二定律效率几乎是47.6%和50.4%,分别。

Topal et al。37trigeneration系统进行了热力学分析,把single-fuel源转化为力量,加热,冷却和集中在这种系统的模拟的直接cocombustion家禽废弃物。发现cocombustion家禽废弃物是最好的环保补救把废物带走。Topal et al。38)进行了热力学分析,可以循环流化床电厂微量橄榄坑和检查对(火用)破坏和二氧化碳排放量的影响。总(火用)破坏的植物被发现295兆瓦(火用)效率为31.26%。谭和Sivrioglu39technoeconomic)开发了一个通用模型,涡轮发电厂的成本分析。简单的回收期和单位成本计算涡轮发电厂为4.32年和3.142美元/千瓦,分别。

介绍,有很多研究抛物面太阳能集热器的性能调查但缺乏研究液态和气态物质评估同时为第一和第二定律分析。研究的目的是检查详细的能量和火用效率PDSC使用导热油,压水和上海合作组织₂传热流体。产生的热能收集器进一步利用权力再生蒸汽循环发电的目的和过程热。导热油VP1的共晶混合物氧化二苯(数和联苯。它可以用来作为液体传热流体或boiling-condensing传热介质其最高温度。不同入口温度水平和质量流率调查评估工作输出,过程热率,综合效率,和收集器效率的太阳能热电厂集成。不同的温度和流量组合为每个传热流体进行测试,最后,一个独特的方法,太阳能效率提出了地图描述太阳能接收器的效率。地图上显示了三个信托基金的最优条件exergetically和热不同操作温度水平。

1.1。系统描述

拟议的抛物面太阳能dish-integrated兰金循环发电和热过程呈现在图1。太阳能来自太阳的辐射和发病率的孔径反映腔接收机。接收机内部的信托基金循环需要收集的热量接收器。大约在650 K高温流体移动到锅炉的蒸汽循环(点9)。加热流体热量转移到水进入锅炉(5点),循环收集器以相对较低的温度(10点)。蒸汽在更高的压力和更高的温度膨胀通过涡轮的热电联产厂(6点),一小部分(1/4^th)的蒸汽从汽轮机中提取过程加热(7点),而其余进入涡轮的涡轮被扩展(状态点8)。液体的状态在出口处的冷凝器是饱和的,用泵加压1,进入给水加热器(FWH)在更高的压力。过程后的一小部分蒸汽加热器(点3)合并的压水给水加热器(FWH)和混合再次注入对锅炉进行进一步的过程。

2。方法和热力学分析

目前的工作是有关数学方程,用于PD太阳能接收器的热力学建模和再生兰金循环。表1显示了上述系统的输入设计参数。数值验证数学模型的帮助下开发工程方程解算器(ee) [40]。抛物面碟系统提出了在目前的研究是来自阿比德et al。41),而采用郎肯循环从[42]。完整的详细的系统中可以找到相应的引用。

2.1。第一和第二定律分析太阳能抛物面集热器

太阳能集热器的性能有重要的作用,它是密切相关的有用得热量收集器。有用的能源使用以下两个方程可以计算:

可用的太阳能收集器可以确定

传热系数( )太阳能集热器的工作流体与接收管在方程(2)可以使用努塞尔特数计算:

雷诺数是由。

Gnielinski的相关性43紊流)( 和 )是

普朗特数(44和摩擦系数进行评估

这道菜的能源效率收集器是由

另一个重要参数,需要确定太阳能接收器的输出(火用),提出了方程(9)。火用是最大可能的工作可以从任何过程(45]。方程(9)考虑不同的参数,如有用热量可用,压力损失、质量流量、温度(46]。

Petela模型是最建立模型计算太阳能(火用)的速率。

最后,火用效率是发现用火用有用的(火用)和(火用)的太阳之间的比率。

接收者可以找到的(火用)破坏使用以下关系。

太阳系的得热量是由著名Hottel-Whillier方程(47]。

而除热因子和集电极效率因素进行了总结

2.2。精力充沛,Exergetic郎肯循环的分析

焓是最重要的参数之一,对蒸汽循环分析。有必要首先计算每个状态的焓系统来计算输出参数的其余部分。涡轮机的效率了

工作泵,消耗的增加和传播工作流体的压力,给出

涡轮作为完成的工作

锅炉热输入速率和热可以确定冷凝器的拒绝,拒绝的理由是(41]

过程的热能可以评为加热器

的净输出功率循环可以计算

热蒸汽循环的或能源效率决定

检查系统的(火用)值在所有的点都必须确定为了计算(火用)破坏率。方程(22)给相关点(火用)的关系。

提供的(火用)的锅炉和电容测量

最后,蒸汽循环的(火用)效率和系统综合效率

3所示。结果与讨论

这项研究集中于抛物面太阳能集热器的集成利用三种不同的信托基金,即上海合作组织₂、导热油VP1和压水再生兰金循环,热发电和过程。本节讨论结果调查系统的细节。质量流率的变化在不同的三个传热流体的入口温度水平检查太阳能集热器。研究整体的性能参数被认为是精力充沛,exergetic效率,输出功率和速率过程热量,接收机热(火用)效率,对流换热系数。蒸汽兰金循环产生875千瓦的电力,570千瓦加热处理,及其热(火用)效率是46.7%和76.3%,分别。表2下面显示了有用的太阳能集热器的吸热,净电力生产和过程热率检查信托基金在三个不同的入口温度水平。从表中很明显,对于降低进气温度,水是更好的工作流体;然而其有效性变得不那么高的温度。VP1导热油的性能变得更好在升高温度高于550 K,而上海合作组织₂在上层温度水平上的表现也不错。热力学性质的再生兰金循环展示在表3。

图2说明了系统综合效率的变化对一系列入口温度从350 K到650 K。这些图可以在许多方面来解释。可以看出,高流量和低温度为最大的总能量和火用效率的调查信托基金。然而,质量流率的0.15千克/秒以上,属性的变化变得停滞不前,这意味着没有理由使用高质量流率从热的观点。根据方程(25),集成系统的整体节能工作的比例是涡轮的输出和处理过程的热效率加热器太阳能的能量。此外,分子的更高的价值取决于更高的热量由太阳能集热器根据方程(1)。

此外,所有的入口温度水平,综合效率压水是最高的比其他调查液体。在信托基金的效率值的最大区别是在近0.01千克/秒,但在那之后,这种差异不断减少。0.3千克/秒的质量流率,效率上的所有研究液体收敛一点。入口温度650 K,导热油效率VP1方法非常靠近水值,因为水的性能变得不那么有效后600 K (24]。压水目睹有3.85%和10%的效率高于therminol VP1和上海合作组织₂的信托基金,分别为0.01千克/秒的质量流率。然而,这些值减少到0.11%和0.31%的高质量流率0.3千克/秒。

图3与质量流率的变化及其对净功率的影响生产和过程热的速度在四个不同的入口温度水平。性能参数之间的大幅上升0.01和0.15千克/秒和后保持不变,直到0.3千克/秒。很明显从图3获得更高的价值在降低进气温度,和加压水是观察到最高的过程热量和功输出比其他两个信托基金调查。净输出功率利用压水收集器循环增加到2.44%的流量范围从0.01和0.15千克/秒;然而,在0.15到0.3公斤/秒,增加低至0.17%。导热油VP1和上海合作组织₂6%和11.9%增加0.01到0.15公斤/秒但是非常少工作产出增加(分别为0.17%和0.51%)。的质量流率进一步上升,清楚地表明,在某个点之后,质量流率的增加没有热的重要性提高。上海合作组织的变异是最高₂值附近的所有入口温度由于其行为临界区(20.]。最高的工作量获得生产和过程热速率对压水350 K 1173千瓦和764千瓦,分别。更高的入口温度650 K,性能参数找到减少近19%。

图4描述了质量流率的影响在热exergetic抛物面接收的效率四个入口温度水平。热效率的研究流体具有相同趋势正如上面所讨论的其他性能参数(火用)效率的行为以相反的方式与质量流率的上升。PD收集器和水作为信托基金热效率最高(74.43%)在350 K和0.3千克/秒的质量流率,同时为上海合作组织发现了最小值₂(74.2%)。从exergetic的角度来看,上海合作组织₂有一个占主导地位的功能比其他信托基金和(火用)效率最高(37.56%)发现在较高的温度(650 K)和低流量(0.01千克/秒)。(火用)效率最高的上海合作组织的价值₂是由于其较低的比热容比导热油VP1和压水23]。(火用)效率的比率从太阳能收集器有用的(火用)可用的(火用)22)和更高的流体的入口温度接收机将最大(火用),但是太阳能(火用)是独立的入口温度和保持不变的温度的值。收集器(火用)取决于有用得热量从收集器,质量流量和温度的液体其次是方程(9)。

数据5(一个)- - - - - -5 (d)代表集成系统效率的仿真结果,输出工作,过程热率和收集性能以及传热系数对进气温度。操作参数 是一个参数表达收集器效率。它反映了入口温度的信托基金直接正常的辐照,在模拟和环境温度保持恒定。结果被认为是在环境温度为300 K, DNI 1000 W / m²和流量的0.02千克/秒。进气温度增加在350 K和650 K步50 K。更高价值的入口温度提供了更大的温度导致最大的接收器表面热损失来自接收者的表面。更高的热损失减少收集器的有用的热产生最终结果在降低产生的净功率和过程系统的热效率。

在图5(一个),整体能源和(火用)效率的集成系统采用水从34.4%减少到28.5%和37%到30.6%,分别,它显示了减少近20.8%。这一趋势是导热油注意到VP1和上海合作组织₂基于集成系统减少近17.93%和17.87%,相应的行动。压水被发现1.95%和4.95%的效率比系统操作与导热油VP1和上海合作组织₂分别在350 K。然而,500 K后,系统的性能使用水作为开支减少,在650 K,导热油VP1被发现比水更好的0.52%。同样,图5 (b)有一个非常类似的趋势如上所述;导热油VP1主导角色在升高的温度下。集热器热效率呈现在图5 (c)有一个非常相似的行为工作产出和综合效率,即。发现,更高的热效率较低温度350 K。然而,对(火用)效率,上海合作组织₂的收藏家之间的最高价值相比其他开支。最大值是上海合作组织的记录₂、导热油VP1和水为37.37%,36.86%,和36.98%,分别为650 K。图5 (d)显示的图形表示吸收器的对流传热系数和信托基金调查。很明显,上海合作组织₂的最小值相比其他开支。传热系数( )更稳定VP1导热油的温度水平,而对于水,是常数较低温度500 K后,由于蒸发而急剧下降。

图6(一)所刻画的三个研究流体的密度和热容。的值的压水在低温下有上升趋势;然而,突然减少后观察到550 K,而上海合作组织₂已显示出增加近23.3%。合成油是发现有更好的热物理性质导热油的温度上升增加了48.5。找到所有开支的密度下降与上升的温度。最大值的密度可以看到石油在较低的温度,和一个常数是上海合作组织的发现₂描绘了一个戏剧性的变化,而水在550 K (41]。导热系数值在图6 (b)显示了相似的趋势的粘度;最大可以看到在400 K值对水和减少可以观察到。导热油降低至61.5%,而上海合作组织的小幅上升₂注意到。

以下部分提供了最佳操作条件,研究传热流体在太阳能碟收集器在不同入口温度水平。质量流量的组合和接收机工作流体的入口温度,导致更高的热量和(火用)效率将假定的最优条件。表4和图7由结果对各级进气温度的最佳值。低温水平高达450 K,最佳流量是0.07千克/秒和相应的效率值列表在他们面前。在550 K,质量流率的最优值可以看到0.20千克/秒,而较高的进气温度在0.30千克/秒的最佳特性。exergetic效率的最高价值对于所有这三个研究流体在750 K获得流量的0.30千克/秒;然而,更高的热效率是目睹了在350 K值和0.07千克/秒。这张桌子也证明了最高的(火用)性能并不与热效率越高,因此,可以选择最优操作场景,考虑到能源和(火用)。收集器的效率图是非常有用的和是一个创新的工具来评估收集器性能在不同的标准。此外,验证的抛物线碟接收机进行了通过比较收集器使用的热效率₂O₃与模型/热油作为信托基金由Loni et al。48)在图8。该模型显示了0.85%的差异相比,效率评估对进气温度时的参考模型。

4所示。结论

PD太阳能辅助热电厂热力性能调查提出了研究。三个工作液体/信托基金,即上海合作组织₂、压水、导热油,用来收集太阳能集热器产生的热量。进一步收集的热量用于驱动再生蒸汽兰金循环发电和处理同时加热。首先,PDSC热力学建模,考虑三个信托基金(上海合作组织₂VP1、压水、导热油)和这些建模结果是进一步利用评估集成系统的性能。流速的不同组合和进气温度测试和一个最佳场景提出了导致最大的太阳能集热器的能量和火用效率。并给出了主要结果如下:(我)高流量和低温度提供最大的总能量和火用效率的调查信托基金。压水观察到有一个集成的效率比上海高10%和3.85%₂分别和导热油VP1-based信托基金流量的0.01千克/秒。然而,这些值减少到0.11%和0.31%的高流量0.3千克/秒(2)净输出功率提出了集成系统的水作为信托基金在收集器循环流率增加到2.44%从0.01到0.15千克/秒;然而,在0.15到0.3公斤/秒,这个增量是低至0.17%。导热油VP1和上海合作组织₂有6%和11.9%之间的流量增加0.01和0.15千克/秒但非常少增量工作输出值(分别为0.17%和0.51%)进行进一步的质量流率的上升。最高的净功率(1173千瓦)和过程热的速度(764千瓦)获得了在350 K压水,分别。更高的入口温度650 K,性能参数找到减少近19%(3)PD收集器和水作为信托基金热效率最高(74.43%)的流量在350 K和0.3千克/秒,同时为上海合作组织发现了最小值₂(74.2%)。从exergetic的角度来看,上海合作组织₂优于其他传热流体(iv)压水被发现1.95%和4.95%比系统操作更高效导热油VP1和上海合作组织₂、工作流体的温度350 K。然而,系统的性能使用水作为信托基金开始减少温度上升,在650 K,导热油VP1观察超过水更好的效率为0.52%(v)创新型太阳能效率提出了地图,目的是找到最优操作区域能量收集器和(火用)效率。最大(火用)效率的37.75%是观察到750 K的温度和流量的0.3千克/秒

命名法

首字母缩略词

CSP:	聚光太阳能发电
CFD:	计算流体动力学
FWH:	给水加热器
信托基金:	传热流体
PDC:	抛物面碟收集器
上海合作组织2:	超临界二氧化碳。

符号

:	光圈(m2)
:	接收器(m2)
:	比热容(J / kg-K)
:	水力直径(米)
:	有用的(火用)
:	摩擦系数
:	除热的因素
:	集电极效率因素
:	太阳辐射(W / m2)
:	焓(焦每千克)
:	导热系数(W / m k)
:	质量流率(千克/秒)
:	普朗特数
:	有用的热量(千瓦)
:	锅炉的热效率(千瓦)
:	意思是流体温度(K)
:	热损失系数(W / m2K)。

希腊字母

:	泵效率(%)
:	涡轮效率(%)
:	密度(公斤/米3)
:	Petela效率
:	能源效率(%)
:	(火用)破坏率(千瓦)。

数据可用性

数据将根据要求提供。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者希望表达他们的感谢金融国家国际合作项目的支持下,中国(2016 yfe0107600 yfe0202000和2017年),中国国家自然科学基金(51976196)和浙江省的国际合作项目(2019 c04026)。

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