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研究团队与发表信息

本研究由Christian Schwager（第一作者，通讯作者，来自德国亚琛应用技术大学Solar-Institut Jülich (SIJ)）、Robert Flesch（德国航空航天中心DLR太阳能研究所）、Peter Schwarzbözl（DLR科隆分部）等合作完成，发表于期刊《Solar Energy》第232卷（2022年），页码362–375，在线发布于2022年1月11日。

学术背景

研究领域：本研究属于聚光太阳能发电（Concentrated Solar Power, CSP）领域，聚焦熔盐塔式（Molten Salt Solar Tower, MST）接收器的动态建模与仿真。
研究动机：商用MST系统的实际运行效率常因接收器瞬态行为（如启停、云遮等）受限，而现有仿真工具多忽略局部温度分布、两相流（two-phase flow）过渡等细节，导致年发电量预测偏差高达11%。因此，开发高精度动态模型对优化运行策略至关重要。
研究目标：提出一种基于均质两相流模型（homogeneous two-phase model）的熔盐接收器动态仿真方法，实现启停、排空与填充等瞬态过程的精确模拟，并耦合光场射线追踪（raytracing）数据，以预测局部温度、控制行为及系统净性能。

研究流程与方法

1. 两相流模型开发

• 核心假设：在垂直管中，熔盐与空气的流速和温度局部一致，简化Navier-Stokes方程，将两流体模型（six PDEs）简化为均质模型（three PDEs），显著提升数值稳定性。
  
• 关键方程：
  
  • 质量守恒（式2.7）、动量守恒（式2.11）、能量守恒（式2.9）及液相连续性方程（式2.10）。
    
  • 引入体积分数（ϕ）与质量分数（ξ）描述相变，并通过人工压缩率（κ）优化数值收敛性。
    

2. 吸收管壁模型

• 离散化方法：将管壁沿流动方向离散为多单元，周向分为前、后两半壳，径向设三层温度（外表面、核心、内表面）。
  
• 创新点：
  
  • 冠部温度近似算法：通过抛物线函数（式2.30）估算最高温点（crown temperature），避免增加微分方程数量。
    
  • 内部辐射模型：考虑空管状态下前、后半壳间的辐射换热（式2.37），填充熔盐后自动关闭该效应。
    

3. 接收器系统集成

• 组件建模：包括面板、集管（header）、排水阀等，采用Modelica Dymola®平台实现。
  
• 控制策略：嵌入过程控制系统（PCS），管理启停流程，如预热（preheat）阶段通过浮动设定点控制通量密度。
  

4. 验证与仿真

• CFD对比验证：单管填充过程模拟显示，液位与入口压力误差<0.2%，冠部温度偏差4–5 K（保守估计）。
  
• 全系统启动仿真：模拟不同日照条件下的启动流程（如冬季慢启动vs夏季快启动），分析温度瞬变（transients）与计算性能。
  

主要结果

1. 模型验证：

   • 稳态下，冠部温度与CFD结果吻合（图6），填充过程的液压特性高度一致（图7）。
     
   • 动态填充中，管壁温度变化趋势匹配CFD（图8），但简化模型忽略周向通量梯度，导致前后壁温差初期偏差。
     

2. 启动仿真：

   • 场景1（低通量）：预热22分钟达到290°C，填充耗时0.5分钟，总启动时间39分钟（图10–11）。
     
   • 场景2（高通量）：启动时间缩短21%（31分钟），温度瞬变峰值≤1 K/s（图15），符合材料应力限制。
     

3. 计算性能：

   • 单管填充仿真中，计算时间随离散化程度呈指数增长（图16）。
     
   • 全系统启动（45分钟）耗时16.5分钟，计算效率比（computing time ratio）37%，填充阶段因高瞬态需纳秒级步长（图18）。
     

结论与价值

科学价值：
- 提出首个适用于熔盐接收器系统级仿真的均质两相流模型，解决了传统两流体模型数值不稳定的问题。
- 通过冠部温度近似与内部辐射模型，在低计算成本下实现局部温度梯度的精确预测。

应用价值：
- 为MST电站的启停策略、云遮应对提供高保真仿真工具，减少实际发电量与预测值的差距（如避免11%的过高预测）。
- 支持操作辅助系统开发，通过实时预测优化通量分配与流量控制，提升系统可用性与发电效率。

研究亮点

1. 方法创新：均质两相流模型将微分方程数量减半，首次实现全接收器系统的瞬态仿真。
   
2. 工程实用性：耦合光场射线追踪（STRAL软件）与动态通量分布，填补了局部温度预测的空白。
   
3. 验证严谨性：通过CFD数据多维度验证，涵盖稳态、动态及极端工况（如填充过程）。
   

其他有价值内容

• 网格依赖性分析（图17）：10个垂直单元会低估温度瞬变18%，但640单元仅提升盐膜温度精度1.3 K，为模型简化提供依据。
  
• 未来方向：进一步研究多云条件下的排空-填充策略，并开发简化模型用于实时操作辅助系统。
  

此研究为熔盐塔式电站的动态行为建模设立了新基准，其开源模型框架（如Dymola®实现）可促进学界与工业界的进一步协作。