基于温度区间的取热与流量调节用于太阳能驱动 TTES-ORC 系统的热匹配

《Renewable Energy》：Temperature interval based heat extraction and flow regulation for thermal matching in solar driven TTES-ORC systems

　　

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  TTES分层实现了跨温度层级的针对性取热。
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  实验ORC匹配将TTES放热与发电联系起来。
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  基于温度区间的调节协调了取热与ORC流量。
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  变流量调节使年发电量增加32.9%。
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  5 °C的区间使控制频率降低了77.8%，而能量损失仅为6.3%。

引言

由于其丰富性、广泛的适用性以及在与电、热及综合能源应用中的兼容性，太阳能已成为低碳能源系统最重要的可再生能源之一[1]、[2]、[3]。然而，太阳辐射本质上具有间歇性，并表现出显著的日变化、季节变化和天气引起的波动，导致可利用的热输入在时间上存在剧烈变化[4]。因此，储热（TES）对于太阳能热系统至关重要，因为它可以缓冲热输入的波动，随时间推移调整能源供应，并提高可调度的能力[5]。然而，仅集成TES无法确保波动的热输入、热能释放和发电需求之间的稳定协调[6]。近期的研究展示了在可变热源条件下的太阳能热发电技术、储热以及运行调节和系统集成方面的显著进展[7]、[8]。尽管取得了这些进展，太阳能热输入的波动仍在持续干扰热耦合能源系统中的供热条件和热匹配[9]，给其与发电系统的稳定集成带来了挑战。

热分层储热（TTES）系统的特征是在充放电过程中在单一储罐中形成的热分层，高温区和低温区由一个热分层界面隔开[10]、[11]。与传统的双罐储热系统相比，TTES通过将高温区和低温区容纳在单一储罐中（如图1所示），提供了更紧凑的配置，并具有相对较低的成本、较高的存储密度以及在储热和利用方面的灵活性[12]。更重要的是，TTES中的分层温度分布允许热能以多个可用温度层级存储。因此，热分层界面的稳定性对于保持热能质量、存储效率以及这些温度层级供后续取热利用的可用性至关重要[13]。Vera等人[14]通过实验证明了中试规模熔盐结构TTES系统的可行性，而Ferré等人[15]系统地研究了不同流量和温度条件下热分层界面的形成、传播和抽取。Lou等人[16]进一步阐明了热分层退化的机理，并表明分配器优化可以改善分层稳定性。然而，在太阳辐射强烈的日内变化下，TTES仍然容易受到热分层恶化的影响，这会降低热能质量并减少可用温度层级的可用性[17]。因此，TTES不应仅仅被视为被动的储存单元，而应被视为一个具有多个温度层级的主动热源，其实用价值在很大程度上取决于热分层界面的稳定性[18]。尽管已对热分层界面的形成、退化和建模投入了大量精力，但用于温度选择性取热的TTES温度分层研究仍不充分。

在太阳能热发电系统中，热源与发电转换单元之间的有效热匹配是必不可少的，因为温度层级和动态特性的不匹配会显著降低能量转换效率和运行稳定性[19]、[20]。在可用的太阳能热发电技术中，有机朗肯循环（ORC）因其适用于中低温热源[21]而备受关注，其典型热源温度范围为80至200 °C，并采用R245fa和R1233zd(E)等低沸点工质，同时其对可变热源条件具有良好的适应性[22]。当热源温度与ORC运行条件，尤其是工质流量得到适当协调时，这种适应性可以有效转化为稳定的发电[23]。

为了改善热源与ORC之间的热匹配，先前的研究调查了各种热源和运行条件下的ORC性能。Liu等人[24]设计并建造了一个2 kW的ORC实验系统，研究了不同冷源条件下热源与工质之间的匹配特性。Yang等人[25]通过实验评估了不同工质（R1224yd、R1234ze(E)和R1233zdE）在ORC系统中对热源特性的适应性。Wang等人[26]研究了由低温热源驱动的千瓦级ORC的稳态和动态性能，强调了膨胀机转速和冷源温度调节在适应热源变化方面的作用。总体而言，仅靠固定的设计策略不足以在可变运行条件下保持ORC的稳定性能，因为热源与ORC之间的热匹配受多种相互作用因素的支配。尽管先前的研究已经阐明了ORC系统对可变热源条件的响应，但热源温度与相应工质流量之间的关系尚未与TTES中可用的温度层级有效耦合。

太阳能热发电系统的连续可靠运行依赖于能够适应运行条件长期变化的控制策略[27]。先前的研究调查了热耦合能源系统的各种控制方法。Yu等人[28]提出了一种抛物槽式集热器TES系统的动态控制策略，在该策略中主动调节储罐温度和流量状态以减轻太阳能间歇性的影响。Kumar等人[29]通过调整关键运行变量以适应热输入的变化，开发了一种双热源驱动的ORC蒸气压缩制冷系统的协调控制方法。Huang等人[30]采用了一种主动的正弦温度控制策略来抑制热波动；然而，相关的高频控制动作也导致了运行成本的增加。这些研究证实了在可变热源条件下主动调节的必要性，但也突出了改善热性能与增加控制工作量之间的平衡。频繁调整运行参数可能会改善热调节，但会增加控制复杂度和执行器负担。此外，温度区间选择对太阳能驱动热耦合能源系统中热匹配性能和控制频率的影响仍未得到充分的量化。

本研究提出了一种基于温度区间的取热和流量调节策略，用于太阳能驱动的TTES-ORC系统中的热匹配。所提出的策略利用TTES温度分层从合适的轴向层级进行针对性取热，将可用的温度层级与实验建立的ORC温度和流量匹配特性相耦合，并采用基于温度区间的调节来避免不必要的频繁控制动作。与将储热、ORC匹配和流量调节分别对待的方法不同，所提出的框架将这三个要素集成为一个统一的热匹配策略。对TTES的年热行为、实验确定的ORC运行特性以及整体系统性能进行了评估，特别关注了发电与控制频率之间的平衡。

章节片段

系统配置与方法

图2展示了太阳能驱动的TTES-ORC系统的系统配置和运行流程。哈尔滨（45°45′ N, 126°38′ E）的太阳辐射数据来源于Meteonorm v8.0.2，是太阳能热收集子系统的输入，其中抛物槽式集热器将入射的太阳辐射集中到循环传热油上的接收管上。根据Meteonorm v8.0.2的数据，春季的环境温度范围为?16.5至32.2 °C，9.7至33.7 °C

哈尔滨的太阳辐射特性

图5展示了哈尔滨四个代表性日的太阳辐射特性。如图5a所示，太阳高度角遵循明显的日变化模式，在早晨增加，在正午前后达到最大值，并在下午减小。其季节变化显著，最大值出现在夏至，最小值出现在冬至。具体而言，夏季的太阳高度角范围为-21°至67°

结论

本研究研究了在波动的太阳热输入下，集成热分层储热（TTES）的太阳能驱动有机朗肯循环系统的性能。主要结论总结如下：

结果表明，TTES系统在年度运行期间保持了明显的轴向温度梯度，为放热提供了多个可用的温度层级。预测的轴向温度分布使得选择……成为可能

CRediT作者贡献声明

李炳喜：监督、概念化。王伟：撰写 – 审阅与编辑、监督。宋蒙蒙：撰写 – 审阅与编辑、监督、概念化。赵恩宽：验证、调查、数据管理。刘健：撰写 – 初稿、数据管理、概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山东省自然科学基金（项目编号：ZR2024QE546和ZR2024QE544）、国家自然科学基金（项目编号：52406259）、中国黑龙江省科技创新基地奖补项目（项目编号：JD24E002）以及黑龙江省自然科学基金（项目编号：LH2024E003）的支持。

刘健|赵恩宽|宋蒙蒙|王伟|李炳喜