基于數(shù)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(fā)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(shù)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(shù)字孿生技術建立儲能裝置熱點溫度感知系統(tǒng)，由該系統(tǒng)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(tǒng)可實時監(jiān)測儲熱裝置的溫度。

關鍵詞：電儲熱、數(shù)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(guī)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(fā)電的波動性和不確定性，電網(wǎng)的調峰能力明顯下降，多余電量就地消納困難，出現(xiàn)“棄風棄光”現(xiàn)象，客觀的影響了新能源發(fā)電的經(jīng)濟性。因此，我國大力發(fā)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(fā)展[1-3]。

電儲熱系統(tǒng)內部的熱源一般選取高溫流體，利用電力系統(tǒng)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(wǎng)用電高峰期，熱源放熱向電力系統(tǒng)發(fā)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(fā)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(tǒng)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(shù)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(shù)字孿生技術建立儲能裝置熱點溫度感知系統(tǒng)，由該系統(tǒng)推算儲熱池內的熱點溫度，該系統(tǒng)可實時監(jiān)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(shù)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(shù)如表2所示。

2儲熱裝置的數(shù)學計算模型

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

本文基于有限元數(shù)值分析方法對儲熱裝置的流場和溫度場進行計算與分析，加熱問題的方程組由質量、動量和能量守恒方程以及k、和紊流粘度方程組成，其中守恒方程的通用表達式為：

式中，為平均速度梯度引起的湍流動能k的產生項，C1ε，C2ε為常量，σk，σε為k方程和ε方程的紊流普朗特數(shù)（Pr數(shù)）。

熱傳遞的方式有傳導、輻射和對流，變壓器溫度場計算主要考慮傳導和對流。

3計算結果分析

儲熱裝置區(qū)域的流體流線圖如圖4所示，可知，加熱管通電發(fā)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(shù)據(jù)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(tǒng)，可以有效地預測儲熱區(qū)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(shù)字孿生技術建立了儲能裝置熱點溫度感知系統(tǒng)，并通過該系統(tǒng)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(shù)字孿生技術的儲熱裝置熱點溫度感知系統(tǒng)可通過壁面低溫區(qū)的溫度推測熱點溫度，使儲熱裝置溫度監(jiān)測成為可能;

（2）采用本文建立的系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)可實時監(jiān)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

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[2]金齊，劉紅，尹洪超.耦合電鍋爐和儲熱的熱電聯(lián)合系統(tǒng)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(shù)字孿生虛擬仿真實驗平臺在實踐教學中的應用，中國現(xiàn)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(lián)網(wǎng)。