















摘 要:熔鹽罐是熔鹽儲能系統的重要組成部分,其保溫性能直接影響到系統的運行效率和能耗。以某太陽能熱發電項目中的熔鹽罐為例,通過建立熔鹽罐溫降計算模型,研究了影響熔鹽罐熱損失和24 h溫降的主要因素,并提出了熔鹽罐保溫效果優化措施。研究結果表明:1)熔鹽溫度、熔鹽罐直徑、熔鹽液位和保溫層厚度對熔鹽罐24 h溫降的影響較大,而環境溫度和環境對流換熱系數對24 h溫降的影響較小。熔鹽溫度由290 ℃增至565 ℃,熔鹽罐的24 h溫降增加了0.52 ℃,約增加113%;熔鹽罐直徑從30 m增至45 m,24 h溫降減少了約17%;熔鹽液位由7 m升至13 m,24 h溫降降低了約50%;保溫層厚度由0.4 m增至0.7 m,熔鹽罐24 h溫降降低了約35%;熔鹽罐24 h溫降在環境溫度年最高值和年最低值兩種工況下相差不大,僅為0.1 ℃;環境對流換熱系數由5 W/(m2·K)增至20 W/(m2·K)時,熔鹽罐24 h溫降僅增加0.02 ℃,說明其對熔鹽罐24 h溫降的影響較小。2)由于不同影響因素分析結果中熔鹽罐側壁和頂部的單位時間熱損失占總熱損失的比例均較大,約為73.6%~82.8%,而對于特定項目,熔鹽罐的直徑、熔鹽液位、熔鹽溫度和環境溫度均為給定值,因此在進行熔鹽罐保溫設計時,增加保溫層厚度是減少熔鹽罐熱損失和24 h溫降的有效措施。
關鍵詞:太陽能熱發電;熔鹽罐;保溫性能;熱損失;24 h溫降;儲能
中圖分類號:TK513.5 文獻標志碼:A
0" 引言
熔鹽儲能系統是太陽能熱發電站的重要組成部分[1],具有高效儲能、調峰能力強、發電穩定性好、環保節能等諸多優勢。熔鹽罐是熔鹽儲能系統的核心部件,主要作用是通過儲存高溫液體熔鹽來儲存熱量。西班牙的太陽能熱發電項目CESA-1中的熔鹽儲能系統和美國的塔式太陽能熱發電站Solar Two中的熔鹽儲能系統均采用雙熔鹽罐 [2-3];摩洛哥NOOR Ⅲ塔式太陽能熱發電站的熔鹽儲能系統也采用了雙熔鹽罐,熔鹽罐的直徑為41 m,側壁高為14 m,儲鹽量達1.65×104 m3[4];中國的首航節能敦煌100 MW熔鹽塔式太陽能熱發電站的熔鹽儲能系統同樣采用雙熔鹽罐,儲鹽量達3萬t,儲熱時長可達11 h[5]。熔鹽罐一般為圓筒形,熔鹽通過熔鹽泵被輸送到吸熱器、蒸發器等需要換熱的裝置中,從而實現熱能的傳遞和利用。由于熔鹽罐的保溫性能會直接影響到熔鹽儲能系統的運行效率和能耗,因此,對熔鹽罐的溫降進行研究具有重要意義。
張曉明等[4]對熔鹽罐進行了保溫設計,并采用商用軟件ANSYS Fluent模擬得到了熔鹽罐罐體和罐內熔鹽的溫度分布規律,驗證了熔鹽罐保溫設計的合理性。萬亮等[5]利用ANSYS Fluent軟件建立了熔鹽罐預熱瞬態模型,對熔鹽罐的預熱過程進行了分析,并研究了預熱氣體流量和噴射角等因素對熔鹽罐罐體溫度分布和預熱時間的影響。杜中玲[6]利用ANSYS Fluent軟件建立了熔鹽罐的數學模型,計算分析了保溫層厚度、熔鹽液位、環境溫度和風速等因素對熔鹽罐熱損失的影響。王鈺森[7]利用ANSYS Fluent軟件分析了熔鹽罐本體及罐內熔鹽的溫度分布和熱損失的影響因素。張曉明[8]分別通過實驗和ANSYS Fluent軟件研究了熔鹽罐內熔鹽溫度熱分層現象,以及風速和環境溫度等因素對罐內熔鹽溫度分布的影響。崔凱平等[9]為解決熔鹽熱分層對熔鹽罐安全運行的影響,利用ANSYS Fluent軟件對熔鹽罐內熔鹽進行了流體動力學模擬計算,模擬結果顯示:通過再循環可減少熔鹽溫度梯度,降低熔鹽罐內熔鹽的溫差。房彥山等[10]利用ANSYS Fluent軟件建立了熔鹽罐地下通風系統計算模型,研究了罐底的散熱能力和溫度分布特性。程虎等[11]利用ANSYS Fluent軟件建立了熔鹽罐基礎計算模型,分析了罐基礎的溫度分布情況,分析結果顯示:當地基溫度小于70 ℃時,罐基礎的散熱損失小于100 W/m2。佘抒陽[12]對斜溫層熔鹽罐進行了研究,利用ANSYS Fluent軟件分析了熔鹽罐的儲熱性能及力學性能。施素麗等[13]利用ANSYS Fluent軟件對單熔鹽罐進行了數學建模,研究了隔板徑向尺寸對單熔鹽罐釋熱性能的影響規律。
綜上可知,大多數學者采用ANSYS Fluent軟件對熔鹽罐進行了溫度場和熱損失分析,但未進一步對熔鹽罐的24 h溫降進行研究。在熔鹽罐設計過程中,需保證熔鹽罐24 h的溫降不超過閾值(通常取1 ℃),以達到高效儲能的目的;而熔鹽罐基礎需要進行通風,因此,需在保證熔鹽罐基礎中混凝土的溫度滿足材料許用溫度的同時,風量不能過大,以滿足熔鹽罐的熱損失要求。另外,采用ANSYS Fluent軟件進行模擬分析,不僅建模過程復雜,計算耗時長,不能很好地滿足工程應用,而且還需要支付高昂的商用軟件版權費用。基于此,本文以某太陽能熱發電項目中的熔鹽罐為例,通過建立熔鹽罐溫降計算模型(下文簡稱為“本模型”),分析影響熔鹽罐熱損失和24 h溫降的主要因素,并提出熔鹽罐保溫效果優化措施,以便使其更好地滿足工程應用。
1 建立模型
熔鹽罐的保溫方式是通過在罐體外部設置保溫層來減少熱量向外界環境散失。由于保溫層采用的保溫材料的導熱率較小,具有良好的熱阻性能,能夠有效減緩熱量傳遞。
1.1" 建立熔鹽罐模型
本文以某太陽能熱發電項目中的熔鹽罐為例,熔鹽罐及罐基礎的簡化模型圖如圖1所示。圖中:d為熔鹽罐直徑;L為熔鹽罐側壁高度。該熔鹽罐的保溫層采用硅酸鋁作為保溫材料,可起到保溫、防止熱量散失的作用。罐基礎包括細砂墊層、砂石墊層、陶粒土層、C20混凝土層、保溫磚、鋼板環墻和土壤;其中,C20混凝土層的最高溫度為70 ℃,而該層中的通風管可起到防止C20混凝土溫度過高的作用。
本文采用理論公式計算熔鹽罐24 h溫降,并作出如下假設:1)熔鹽罐內壁滿足等溫邊界條件,溫度為設計溫度;2)熔鹽罐外部滿足對流邊界條件,溫度為環境溫度;3)熔鹽罐底部通過通風管進行動態散熱,假設C20混凝土層上表面溫度為定值(70 ℃);4)土壤底部滿足等溫邊界條件,溫度為年平均空氣溫度;5)熔鹽罐金屬的導熱系數較大,忽略其導熱熱阻;6)熔鹽罐的直徑相對于其厚度足夠大,假設熔鹽罐壁面為平壁;7)忽略熔鹽罐的熱輻射損失。
1.2" 熔鹽罐溫降計算
熔鹽罐的底面積A0可表示為:
(1)
由于熔鹽罐頂部為弧形,其面積較難計算,本文根據經驗采用1種近似算法,在圓形面積的基礎上乘以系數a,a取1.05,近似得到熔鹽罐頂部面積。因此,熔鹽罐側壁和頂部的總面積A1可表示為:
(2)
熔鹽罐底部的熱流密度q0和其熱流Q0可分別表示為:
(3)
Q0=q0 A0" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " (4)
式中:T0為熔鹽罐底部的溫度,可等效為熔鹽溫度;T1為C20混凝土層上表面溫度,本文取70 ℃;di和ki分別為熔鹽罐基礎第i層材料(細砂墊層、砂石墊層、陶粒土層)的厚度和導熱系數;n為熔鹽罐基礎材料的總層數,此處取3。
熔鹽罐側壁的熱流密度q1可表示為:
(5)
式中:T2為熔鹽罐內壁的溫度,可等效為熔鹽溫度;T3為環境溫度;h為環境對流換熱系數; dj和kj分別為熔鹽罐保溫材料硅酸鋁的厚度和導熱系數。
熔鹽罐外表面溫度Twal可表示為:
(6)
熔鹽罐側壁的熱流Q1可表示為:
Q1 = q1A1" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "(7)
熔鹽罐總熱流Q可表示為:
Q = Q0+Q1 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "(8)
熔鹽罐24 h的熱損失EL可表示為:
EL=Q·24·60·60" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "(9)
熔鹽變化1 ℃具有的熱能Es可表示為:
Es=ρA0L1cs" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " (10)
式中:ρ為熔鹽罐內熔鹽的密度;L1為熔鹽的液位;cs為熔鹽的比熱容。
熔鹽罐24 h的溫降T4可表示為:
(11)
若熔鹽罐24 h的溫降小于閾值,則可得到此時對應的熔鹽罐保溫層硅酸鋁和罐基礎中陶粒土層的厚度;否則,需重新設置硅酸鋁和陶粒土層的厚度,并重新進行計算,直到滿足熔鹽罐24 h的溫降小于閾值這一要求。
1.3" 熔鹽罐基礎通風量計算
在熔鹽罐的設計過程中,需要選取合適的風機給熔鹽罐基礎的C20混凝土層通風,防止混凝土因溫度過高而失效;同時,風量又不能過大,以免造成熱量損失。熔鹽罐基礎通風散熱需要的風量可表示為:
(12)
式中:Qw為通風管中由風帶走的熱流;ca為空氣比熱容;ΔT為通風管進出口溫差,假設為20 ℃,并考慮到20%的工程余量。
其中,通風管中由風帶走的熱流可表示為:
(13)
式中:qd為熔鹽罐基礎中C20混凝土層下部的熱流密度,其可表示為:
(14)
式中:Td為土壤底部溫度;dk和kk分別為熔鹽罐基礎第k層材料(分別為C20混凝土層和土壤)的厚度和導熱系數;K為熔鹽罐基礎材料的總層數,此處取2。
不同溫度下的熔鹽物性參數如表1[5]所示。熔鹽罐保溫材料及罐基礎各層材料的導熱系數及厚度如表2所示。
2" 模型驗證
為驗證本模型的準確性,以文獻[6]中熔鹽液位為3 m時的熔鹽罐熱損失進行對比分析。當本模型的熔鹽罐尺寸及材料參數與文獻[6]中的參數一致時,得到本模型的熔鹽罐熱損失,并將其與文獻[6]得到的熔鹽罐熱損失進行對比,具體如表3所示。
由表3可知:本模型得到的熔鹽罐罐底單位時間熱損失比文獻[6]得到的少0.2 kW,誤差為10.0%;本模型得到的熔鹽罐側壁和頂部單位時間熱損失比文獻[6]得到的多1.6 kW,誤差為17.4%,這是因為本文建立模型時考慮熔鹽罐頂部為弧形,增加了散熱面積,同時假設了熔鹽罐內壁為等溫壁面,所以本模型得到的值略大。綜上可知,本模型更為保守,可滿足工程實際需求。
3" 結果分析
本模型以側壁高為14.5 m的熔鹽罐作為分析時的基本高度,然后通過改變環境溫度、環境對流換熱系數、保溫層厚度、熔鹽溫度、熔鹽罐直徑和熔鹽液位等影響因素,對熔鹽罐的熱損失、外表面溫度和24 h溫降進行分析。
3.1" 環境溫度的影響
在熔鹽罐直徑為32.5 m、熔鹽溫度為565 ℃、熔鹽液位為13 m、環境對流換熱系數為10 W/(m2·K)、保溫層厚度為0.5 m的條件下,計算環境溫度分別為年最高溫度35 ℃、年平均溫度2 ℃和年最低溫度-40 ℃時熔鹽罐的熱損失、外表面溫度和 24 h溫降,具體如表4所示。
熔鹽罐的單位時間總熱損失和24 h溫降隨環境溫度變化的趨勢圖如圖2所示。
結合表4和圖2可以看出:熔鹽罐側壁和頂部的單位時間熱損失及熔鹽罐的總熱損失均隨著環境溫度的升高而降低。由于單位時間下的熔鹽罐側壁和頂部熱損失約占總熱損失的80%,因此,為了降低熱損失,主要考慮增加熔鹽罐側壁和頂部保溫層的厚度。環境溫度年最高溫度與年最低溫度的溫差可達75 ℃,引起的熔鹽罐單位時間總熱損失差值為34 kW,分別約占環境溫度年最低溫度和年最高溫度下熔鹽罐單位時間總熱損失的9.8%和10.9%。熔鹽罐24 h溫降隨著環境溫度的升高由1.04 ℃降至0.94 ℃,差值為0.1 ℃,分別約占環境溫度年最低溫度和年最高溫度下熔鹽罐24 h溫降的9.6%和10.6%。熔鹽罐外表面溫度在夏、冬季節比環境溫度分別高10 ℃和12 ℃。
3.2" 環境對流換熱系數的影響
在熔鹽罐直徑為32.5 m、熔鹽溫度為565 ℃、熔鹽液位為13 m、保溫層厚度為0.5 m、環境溫度取年平均溫度2 ℃的條件下,計算環境對流換熱系數分別為5、10、15和20 W/(m2·K)時熔鹽罐的熱損失、外表面溫度和24 h溫降,具體如表5所示。
熔鹽罐的單位時間總熱損失和24 h溫降隨環境對流換熱系數變化的趨勢圖如圖3所示。
結合表5和圖3可以看出:隨著環境對流換熱系數的增大,熔鹽罐24 h溫降也隨之增大,并趨于定值;雖然熔鹽罐單位時間總熱損失也隨之增大,但環境對流換熱系數由10 W/(m2·K)增加到20 W/(m2·K)時,熔鹽罐單位時間總熱損失的增幅明顯減小。隨著環境對流換熱系數由5 W/(m2·K)增至20 W/(m2·K)時,熔鹽罐單位時間總熱損失僅增加7 kW,24 h溫降僅增加0.02 ℃,說明環境對流換熱系數對熔鹽罐熱損失和24 h溫降的影響較小。熔鹽罐外表面溫度隨著環境對流換熱系數的增大而減小,環境對流換熱系數為20 W/(m2·K)時,熔鹽罐外表面溫度為8 ℃,僅比環境溫度高6 ℃。
3.3" 保溫層厚度的影響
在熔鹽罐直徑為32.5 m、熔鹽溫度為565 ℃、熔鹽液位為13 m、環境溫度取年平均溫度2 ℃、環境對流換熱系數為10 W/(m2·K)的條件下,計算保溫層厚度分別為0.4、0.5、0.6、0.7 m時熔鹽罐的熱損失、外表面溫度和24 h溫降,具體如表6所示。
熔鹽罐的單位時間總熱損失和24 h溫降隨保溫層厚度變化的趨勢圖如圖4所示。
結合表6和圖4可以看出:隨著保溫層厚度的增加,熔鹽罐的單位時間總熱損失、外表面溫度和24 h溫降均逐漸減小。保溫層厚度由0.4 m增加到0.7 m時,熔鹽罐的單位時間總熱損失減少了136 kW,約降低35%;24 h溫降降低了0.41 ℃,約降低了35%。由此可知,增加保溫層厚度是減少熔鹽罐熱損失和24 h溫降的有效措施。
3.4" 熔鹽溫度的影響
在熔鹽罐直徑為32.5 m、熔鹽液位為13 m、環境溫度取年平均溫度2 ℃、環境對流換熱系數為10 W/(m2·K)、保溫層厚度為0.5 m的條件下,計算熔鹽溫度分別為290、400、500、565 ℃時熔鹽罐的熱損失、外表面溫度和24 h溫降,具體如表7所示。
熔鹽罐的單位時間總熱損失和24 h溫降隨熔鹽溫度變化的趨勢圖如圖5所示。
結合表7和圖5可以看出:隨著熔鹽溫度的增加,熔鹽罐的單位時間總熱損失、外表面溫度和24 h溫降均逐漸增大。當熔鹽溫度由290 ℃增至565 ℃時,熔鹽罐單位時間總熱損失增加了164 kW,約增加101%;24 h溫降增加了0.52 ℃,約增加113%。由此說明,同等條件下,熔鹽溫度越高,熔鹽罐熱損失越大,高溫熔鹽罐則更加需要關注保溫設計。
3.5" 熔鹽罐直徑的影響
受熔鹽泵尺寸的影響,大型熔鹽罐高度基本保持不變,通常采用增大熔鹽罐直徑的方法來增大熔鹽罐的容積。在熔鹽溫度為565 ℃、熔鹽液位為13 m、環境溫度取年平均溫度2 ℃、環境對流換熱系數為10 W/(m2·K)、保溫層厚度為0.5 m的條件下,計算熔鹽罐直徑分別為30、35、40、45 m時熔鹽罐的熱損失、熔鹽質量和24 h溫降,具體如表8所示。
熔鹽罐的單位時間總熱損失和24 h溫降隨熔鹽罐直徑變化的趨勢圖如圖6所示。
結合表8和圖6可以看出:隨著熔鹽罐直徑的增加,熔鹽罐的單位時間總熱損失和熔鹽質量逐漸增加,24 h溫降卻呈減小趨勢。當熔鹽罐直徑從30 m增至45 m時,熔鹽罐單位時間總熱損失約增加86%,熔鹽質量約增加125%,24 h溫降約減少17%。這是因為隨著熔鹽罐直徑的增加,熔鹽罐表面積隨之增大,熱損失也必然增大;同時,由于熔鹽液位不變,熔鹽質量增加時,熔鹽具有的熱能也隨之增加,且增加量大于熱損失量,因此熔鹽罐24 h溫降呈現減小趨勢。
3.6" 熔鹽液位的影響
在熔鹽罐直徑為32.5 m、熔鹽溫度為565 ℃、保溫層厚度為0.5 m、環境溫度取年平均溫度2 ℃、環境對流換熱系數為10 W/(m2·K)的條件下,分別計算熔鹽液位為7、9、11、13 m時的熔鹽罐24 h溫降,結果如圖7所示。
從圖7可以看出:隨著熔鹽液位的增加,熔鹽罐24 h溫降由1.82 ℃降至0.98 ℃,24 h溫降顯著減小,約降低了46%。由此說明,熔鹽液位對熔鹽罐24 h溫降具有重大影響。這是因為隨著熔鹽液位升高,熔鹽所具有的熱能隨之增加,熔鹽罐24 h溫降也隨之降低。因此在進行熔鹽罐24 h溫降計算時,要明確熔鹽的液位。
3.7" 小結
綜上可知,不同環境溫度、環境對流換熱系數、保溫層厚度、熔鹽溫度、熔鹽罐直徑和熔鹽液位時,熔鹽罐側壁和頂部的單位時間熱損失占單位時間總熱損失的比例均較大,約為73.6%~82.8%。由于針對特定項目,熔鹽罐的直徑、熔鹽液位、熔鹽溫度和環境溫度均為給定值,因此在進行熔鹽罐保溫設計時,增加保溫層厚度是減少熔鹽罐熱損失和24 h溫降的有效措施。
4" 結論
本文以某太陽能熱發電項目中的熔鹽罐為例,通過建立熔鹽罐溫降計算模型,分析了影響熔鹽罐熱損失和24 h溫降的主要因素,并提出了熔鹽罐保溫效果優化措施,得到以下結論:
1)熔鹽溫度、熔鹽罐直徑、熔鹽液位和保溫層厚度對熔鹽罐24 h溫降的影響較大,而環境溫度和環境對流換熱系數對24 h溫降的影響較小。熔鹽溫度由290 ℃增至565 ℃,熔鹽罐的24 h溫降增加了0.52 ℃,約增加113%;熔鹽罐直徑從30 m增至45 m,24 h溫降減少了約17%;熔鹽液位由7 m升至13 m,24 h溫降降低了約46%;保溫層厚度由0.4 m增至0.7 m,熔鹽罐24 h溫降降低了約35%;熔鹽罐24 h溫降在環境溫度年最高值和年最低值兩種工況下相差不大,僅為0.1 ℃;環境對流換熱系數由5 W/(m2·K)增至20 W/(m2·K)時,熔鹽罐24 h溫降僅增加0.02 ℃,說明其對熔鹽罐24 h溫降的影響較小。
2)由于不同影響因素分析結果中熔鹽罐側壁和頂部的單位時間熱損失占單位時間總熱損失的比例均較大,約為73.6%~82.8%,而對于特定項目,熔鹽罐的直徑、熔鹽液位、熔鹽溫度和環境溫度均為給定值,因此在進行熔鹽罐保溫設計時,增加保溫層厚度是減少熔鹽罐熱損失和24 h溫降的有效措施。
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Research on Calculation Model of Temperature
Drop in Molten Salt Tanks
Dai Shaomeng,Wei Yuan,Huo Xiaoguang,Li Songgang,Zhang Mogeng,Lu Jinchang
(SEPCOIII Electric Power Construction Co.,Ltd.,Qingdao 266100,China)
Abstract:The molten salt tank is an important component of the molten salt energy storage system,and its insulation performance directly affects the operating efficiency and energy consumption of the system. This paper takes the molten salt tank in a CSP project as an example,establishes a temperature drop calculation model for the molten salt tank,studies the main factors affecting the heat loss and 24 h temperature drop of the molten salt tank,and proposes optimization measures for the insulation effect of the molten salt tank. The research results show that: 1) Molten salt temperature,molten salt tank diameter,molten salt liquid level,and insulation layer thickness have a significant impact on 24 h temperature drop of molten solt tank,while environmental temperature and environmental convective heat transfer coefficient have a relatively small impact on 24 h" temperature drop. The temperature of the molten salt increased from 290 ℃ to 565 ℃,and the 24 h temperature drop of the molten salt tank increased by 0.52 ℃,an increase of about 113%. The diameter of the molten salt tank increased from 30 m to 45 m,and the 24 h temperature drop decreased by about 17%. When the molten salt liquid level increased from 7 m to 13 m,the 24 h temperature drop decreased by about 46%. The thickness of the insulation layer increased from 0.4 m to 0.7 m,24 h temperature drop of the molten salt tank decreased by about 35%. The 24 h temperature drop of the molten salt tank is not significantly different under the two operating conditions of annual maximum environmental temperature and annual environmental minimum temperature,with differences of 0.1 ℃,respectively. When the environmental convective heat transfer coefficient increases from 5 W/(m2·K) to 20 W/(m2·K),the 24 h temperature drop of the molten salt tank only increases by 0.02 ℃,indicating that its impact on the 24 h temperature drop of the molten salt tank is relatively small. 2) Due to the analysis of different influencing factors,the unit time heat loss of the side wall and top of the molten salt tank accounts for a relatively large proportion of the total heat loss,about 73.6%~82.8%. For specific projects,the diameter,molten salt level,molten salt temperature,and ambient temperature of the molten salt tank are all given values. Therefore,when designing the insulation of the molten salt tank,increasing the insulation layer thickness is an effective measure to reduce heat loss and 24 h temperature drop of malten salt tank.
Keywords:CSP;molten salt tank;insulation performance;heat loss;24 h temperature drop;energy storage