摘要
转化与利用效率低，以及辐照时域波动导致的难于消纳，是太阳能规模化高效利用面临的主要挑战。搭配储热系统的聚光型太阳能电站则被认为是解决太阳能难以被电网消纳及波动性的技术路线。采用固体颗粒作为吸/储热一体介质相比于传统介质具有操作温度广泛、性质稳定且可搭配高效超临界二氧化碳动力循环从而进一步降低度电成本等优点被认为是下一代太阳能大规模高效化利用的潜在技术路径。 粒子吸热器作为光热电站能量转换的关键部件，其性能直接影响着光热电站的发电效率。但现阶段大多构想尚处于实验室研发阶段，均有不足。传统气固流化床具有优良的传热传质性能受到研究者关注。其中，气固交叉逆流床有望结合气固并行上行床和下行床的优点，即较高的固含率与气固接触效率、较长的颗粒停留时间、较低的气固反混、运行稳定等，可为颗粒高温集热技术提供新的技术途径。为弥补粒子吸热器现有技术不足，本文基于气固交叉逆流技术提出一款新型高温、高效、稳定粒子吸热器设计方案，并开展性能实验和理论分析研究。 首先，设计并搭建可视化气固逆流式流化床冷态实验模型并对其宏观流动特性及其影响因素展开探究，包括不同操作工况、进气布置方式、颗粒直径和管道结构的影响机制。实验结果表明当颗粒粒径为113.5μm，管道内径为40mm时输运管内固含率可高达9％。同时证明了气固逆流式流化床可在较广泛的工况下稳定运行，上升气流可有效延缓颗粒在管内的下降速度，提高管内固含率。基于PV6M气固光纤探针阐明了稀相气固交叉逆流态下的气固两相流型分布及其演变规律。同时，对光纤探针采集的电压信号采用阈值法详细分析了颗粒在气固逆流式流化床内的团聚特性。关于气固逆流式流化床的一系列流动特性研究结果填补了气固逆流领域的研究不足并为后续的高温粒子吸热器结构设计提供了指导意见。 基于前期气固逆流床冷态研究结果，本文提出了密相气固逆流式流化床粒子吸热器结构并搭建了单管实验室级别高温实验测试平台。采用侧边进料口搭配高温颗粒阀门可实现流量自适应调节，降低了运行辅助设备的依赖度。实验采用中频电磁感应加热器作为热源可在10-40kWel功率范围内调节。在高温、大温差运行环境下探究了密相气固交叉逆流体系非线性热输运规律。热态实验结果表明改进后的结构可在气固交叉逆流鼓泡态下稳定运行，固含率可高达40％。同时，密相气固逆流床粒子吸热器在不同工况下获得了101-312℃/m的温升和311-1481W/(m2·K)的全局传热系数，证明了上升气流有效强化了壁面对颗粒的传热过程并使床层温度更加均匀。此外，通过调节电加热器热功率探究了输入热流扰动对粒子吸热器的影响，结果表明该结构在运行时具有一定的自适应性和抗干扰性。基于上述热态实验初步证明了本文所提出的密相气固逆流式流化床粒子吸热器在高温下的可行性。 分别基于计算颗粒流体力学和颗粒解析直接数值模拟方法建立设备尺度和颗粒尺度数值模型。通过设备尺度模型模拟了密相气固逆流式流化床粒子吸热器内颗粒流动过程，获得了气固流型与颗粒轴向速度在管内的轴/径向分布，基于实时固含率信息分析了上升气泡的生成频率与时间分率。模拟结果表明设备尺度数值模型可完整捕捉气固两相流型演变过程，可实时捕捉气泡在管内的生成与破裂过程。向上运动的气泡对固含率和颗粒轴向速度的分布产生直接影响。通过颗粒尺度数值模型研究了考虑壁面热流下的近壁区颗粒受力与传热特性及其影响因素，包括不同输入热流、颗粒与壁面距离，双颗粒排列和边界条件动态变化带来的影响。颗粒尺度模拟结果表明近壁区颗粒CD，loc和Nu均与Reloc呈负相关。温度边界层厚度随着壁面热流的增加而变厚，当颗粒逐渐剥离出温度与速度边界层后，CD,loc几乎不受影响，而Nu则仍旧在一段距离内持续降低。此外，双颗粒垂直排列对目标颗粒带来的影响要大于水平排列的影响。通过多尺度、分层次数值建模从不同角度揭示了颗粒在吸热器内的热输运现象与规律，有效弥补了难以通过实验测得的参数，扩展了研究的广度与深度。 本文基于气固逆流式流化床流动特性提出密相气固逆流式流化床太阳能粒子吸热器，在交叉逆流态下实现密相高温热输运，发展气固两相流型调控新方法，完善了弥散颗粒流态化热输运机理和多尺度数值建模。
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