基于數字孿生技術的儲能裝置熱點溫度計算與分析

摘要：隨著我國新能源發電裝機容量的不斷擴大，電儲熱技術作為能源消納已廣泛應用，儲熱池溫度過高會帶來儲熱流體氣化和加熱柱損壞等問題，且熱點溫度不能直接測量。本文基于有限元分析技術建立儲熱裝置溫度場數值分析模型，對儲熱池內部流體場和溫度場進行計算與分析，通過光纖測溫對儲熱裝置壁面的溫度進行采集，基于數字孿生技術建立儲能裝置熱點溫度感知系統，由該系統推算儲熱池內的熱點溫度。最后，通過儲熱裝置模型驗證本文方法的正確性，本文建立的熱點溫度感知系統可實時監測儲熱裝置的溫度。

關鍵詞：電儲熱、數字孿生、熱點溫度、新能源

引言

能源是人民生活和社會進步的源泉，隨著十四五規劃“碳達峰、碳中和”的提出，我國可再生能源的占比不斷升高。由于新能源發電的波動性和不確定性，電網的調峰能力明顯下降，多余電量就地消納困難，出現“棄風棄光”現象，客觀的影響了新能源發電的經濟性。因此，我國大力發展儲能技術，由于電儲熱可以就地消納，在儲能技術中脫穎而出，電儲熱技術可極大地促進我國新能源儲能技術的發展[1-3]。

電儲熱系統內部的熱源一般選取高溫流體，利用電力系統中的低谷電加熱熱源，將電能轉換為熱能儲存在蓄熱池內，到電網用電高峰期，熱源放熱向電力系統發電，以供使用。儲熱池內的溫度可達幾百攝氏度，熱點溫度過高會使儲熱流體氣化發生爆炸，也會使加熱柱損壞影響壽命，同時，由于熱點溫度過高導致不能直接測量。因此，如何建立一套儲熱裝置熱點溫度感知系統是十分必要的。

本文采用有限元分析技術建立儲熱裝置溫度場數值分析模型，對儲熱裝置的流場、溫度場進行計算與分析，通過光纖測溫對儲熱裝置的壁面溫度進行采集，基于數字孿生技術建立儲能裝置熱點溫度感知系統，由該系統推算儲熱池內的熱點溫度，該系統可實時監測儲熱裝置的溫度，最后，通過儲熱裝置模型驗證本文方法的正確性。

1儲熱裝置的物理計算模型

本文建立的儲熱裝置模型基本參數如表1所示。儲熱裝置模型如圖1所示。

儲熱裝置中的蓄熱流體采用熔融鹽，其具體參數如表2所示。

2儲熱裝置的數學計算模型

本文基于數值孿生技術建立儲能裝置熱點溫度感知系統，結構示意圖如圖2所示。系統的分析流程圖如圖3所示。

3計算結果分析

儲熱裝置區域的流體流線圖如圖4所示，可知，加熱管通電發出熱量加熱熔融鹽流體，使熔融鹽流體在加熱池內從下至上往復流動。

儲熱裝置中部切面的流速分布如圖5所示，由圖可得，兩個加熱管之間的熔融鹽流體流速快，靠近儲熱池壁流速慢，這是由于隨著熔融鹽流體溫度升高，流體密度降低，產生浮升力，使熔融鹽加速向上流動，而兩個加熱管之間的熔融鹽流體溫度最高，因此流速最快。

實驗測得的數據如表3所示，由表可知，實驗與計算誤差最大值為13.56%，最小誤差為2.1%。由分析可知，采用本文建立的系統，可以有效地預測儲熱區域熱點溫升，有利于對熱點溫度進行控制。

4結論

本文基于數字孿生技術建立了儲能裝置熱點溫度感知系統，并通過該系統對儲熱裝置模型進行了計算與分析，得到的結論如下：

（1）本文建立的基于數字孿生技術的儲熱裝置熱點溫度感知系統可通過壁面低溫區的溫度推測熱點溫度，使儲熱裝置溫度監測成為可能;

（2）采用本文建立的系統計算的溫度與實驗進行對比，誤差最大值為13.56%，最小誤差為-2.1%，滿足實際需要;

（3）通過本文建立的系統，可以預警儲熱裝置的高溫限值，有利于改善儲熱裝置的運行性能，提升儲熱裝置的使用壽命。

由上述分析可知，通過本文方法建立的儲熱裝置熱點溫度感知系統可實時監測儲熱池內的熱點溫度，該方法對儲熱裝置的設計和運行質量的提高有較大幫助。

參考文獻

[1]凌兆偉，王順江，句容濱等，高壓超大容量電儲熱接納風電調度方法[J]. 東北電力技術，2020，41（11）：59～62.

[2]金齊，劉紅，尹洪超.耦合電鍋爐和儲熱的熱電聯合系統風電消納分析[J]. 應用能源技術，2021，5（281）：30-35.

[3]劉光宇，朱凌，俞瑋捷等，數字孿生虛擬仿真實驗平臺在實踐教學中的應用，中國現代教育裝備，2021，8（367）：52～58.

作者簡介：劉晨熙（2005-），女，遼寧沈陽人，滿族，高中生，研究方向：多能源互聯網。