高溫太陽能熱利用鋁硅合金儲熱體儲熱特性研究.pdf

1、聚光類高溫太陽能熱利用技術(shù)廣泛應(yīng)用于包括太陽能熱發(fā)電在內(nèi)的許多工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。由于太陽能受到地理、晝夜、季節(jié)等規(guī)律性變化以及陰晴云雨等隨機因素的影響，各種太陽能熱利用系統(tǒng)通常需要配備儲熱系統(tǒng)，以保證其供熱的穩(wěn)定性及連續(xù)性，這對聚光類高溫太陽能熱利用系統(tǒng)尤為重要。在目前聚光類高溫太陽能集熱技術(shù)已經(jīng)日趨成熟的情況下，尚有一定發(fā)展空間的儲熱技術(shù)及其系統(tǒng)對高溫太陽能熱利用系統(tǒng)的性能有著重要的影響。
　　本文率先提出了應(yīng)用于聚光類高溫太陽

2、能熱利用系統(tǒng)中集吸熱、儲熱及供熱于一體的鋁硅合金儲熱體的概念，并對其進(jìn)行設(shè)計、制作及試驗研究。該儲熱體采用鋁硅合金作為相變儲熱材料，可以直接吸收經(jīng)聚光鏡反射的太陽輻射并將其儲存起來，達(dá)到即吸熱即儲熱的目的（因此在后面將吸熱及儲熱過程統(tǒng)一稱之為儲熱過程），在集熱器與儲熱體之間不需要用于熱量傳遞的熱流體及其管路系統(tǒng)，可以大大簡化聚光類高溫太陽能熱利用系統(tǒng)的吸熱、儲熱系統(tǒng)，可靠性也可以得到提高。儲熱體在供熱時則利用熱流體及其供熱系統(tǒng)向外供熱。

3、
　　具有吸熱、儲熱及供熱功能的鋁硅合金儲熱體是高溫太陽能熱利用系統(tǒng)中的主要設(shè)備，也是本文研究的重點，研究的主要內(nèi)容包括在不同的加熱及提熱功率下鋁硅合金及其殼體、熱流體及其管道分別在儲熱及供熱過程中的溫度變化及其傳熱溫差，熔化及凝固的速度等。本文從理論分析、數(shù)值模擬及實物試驗等三個方面對上述內(nèi)容進(jìn)行研究。
　　為獲得該型儲熱體傳熱過程中的特點，本文首先利用傳熱學(xué)基本理論及其知識對儲熱體內(nèi)的傳熱過程進(jìn)行傳熱機理分析，包括儲熱過

4、程中吸熱面的導(dǎo)熱及吸熱熔化后液態(tài)鋁硅合金的自然對流傳熱，供熱過程中熱流體的管內(nèi)對流換熱或沸騰換熱、熱流體壁面及放熱凝固后固態(tài)鋁硅合金的導(dǎo)熱等，建立了這些傳熱過程的微分方程及其定解條件，得出了一些具有指導(dǎo)意義的結(jié)論:1）儲熱過程中的傳熱熱阻主要是吸熱面的導(dǎo)熱熱阻;2）無論是儲熱過程還是供熱過程，液態(tài)鋁硅合金自然對流的旺盛與否主要根據(jù)格拉曉夫數(shù)Gr的大小來判斷;3）供熱過程中的傳熱熱阻主要是熱流體壁面及固態(tài)鋁硅合金的導(dǎo)熱熱阻。
　　數(shù)

5、值模擬可以節(jié)省大量的工作時間，較為高效的對物體進(jìn)行研究。本文對適合在聚光類高溫太陽能利用中使用的多種鋁硅合金儲熱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的模擬，具體包括:1）適合在碟式聚光太陽能熱利用系統(tǒng)中應(yīng)用的直立圓柱型鋁硅合金儲熱體的物理和數(shù)學(xué)模型，模擬了其分別在底部加熱、頂部放熱時鋁硅合金的溫度變化和熔化或凝固情況，得出了底部溫度和頂部溫度的變化規(guī)律及其與儲熱體直徑、高度的關(guān)系;2）適合在塔式聚光太陽能熱利用系統(tǒng)中應(yīng)用的直立圓柱型鋁硅合金儲熱體的物理

6、和數(shù)學(xué)模型，模擬了其分別在半邊圓周加熱、中心管放熱時鋁硅合金的溫度變化和熔化或凝固情況，得出了加熱面、中心管溫度的變化規(guī)律及其與儲熱體及中心管直徑、高度的關(guān)系;3）適合在槽式聚光太陽能熱利用系統(tǒng)中應(yīng)用的水平圓柱型鋁硅合金儲熱體的物理和數(shù)學(xué)模型，模擬了其分別在底部半邊圓周加熱、中心管放熱時鋁硅合金的溫度變化和熔化或凝固情況，得出了底部溫度、頂部溫度及中心管溫度的變化規(guī)律及其與儲熱體、中心管直徑的關(guān)系;4）鋁硅合金儲熱體中中心提熱管的物理及

7、數(shù)學(xué)模型，并對以空氣作熱流體的管內(nèi)對流換熱過程進(jìn)行模擬，得出了不同流速下空氣溫度沿管長的變化關(guān)系，并計算了相應(yīng)的管內(nèi)對流換熱系數(shù)。
　　實驗研究包括兩個方面，一個是模擬試驗，一個是樣機試驗。模擬試驗是在實驗室內(nèi)利用電加熱來代替高熱流密度的太陽輻射，對鋁硅合金儲熱體進(jìn)行模擬研究，以獲得儲熱體在儲熱及供熱過程中鋁硅合金及熱流體溫度的變化情況，與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行比較和驗證，并計算儲熱體的儲熱效率，為鋁硅合金儲熱體的定型設(shè)計提供依據(jù)。具

8、體包括:
　　1)對碟式高溫太陽能熱利用系統(tǒng)中直立圓柱型鋁硅合金儲熱體進(jìn)行實驗研究，實驗用鋁硅合金儲熱體的尺寸分別為φ300×300mm、φ300×200mm、φ200×200mm，吸熱面的厚度均為5mm，分別在100kW/m2及200 kW/m2的儲熱及供熱熱流密度下進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)儲熱體內(nèi)鋁硅合金溫度的變化過程與數(shù)值計算比較接近;
　　2)利用管式電阻爐對槽式高溫太陽能熱利用系統(tǒng)中水平圓柱型鋁硅合金儲熱體進(jìn)行實驗研究，儲熱體的

9、尺寸為φ89(32)×900mm，即套管外徑89mm，內(nèi)管外徑32mm，管長900mm，管壁厚度均為3mm，分別在20kW/m2及50kW/m2儲熱及供熱熱流密度下進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)鋁硅合金溫度及其熔化、凝固情況均符合儲熱及供熱的要求;
　　3)利用管式電阻爐來模擬鋁硅合金的儲熱溫度，對空氣、水蒸汽及導(dǎo)熱油這三種熱流體的大溫差管內(nèi)對流換熱分別進(jìn)行實驗研究。實驗在兩個管徑、四個流速及兩個管壁溫度下進(jìn)行，所得結(jié)果整理成大溫差管內(nèi)對流換熱的實驗

10、關(guān)聯(lián)式，可用于儲熱體內(nèi)提熱管設(shè)計的相關(guān)依據(jù);
　　4)利用設(shè)計儲熱能力分別為200 kWh、50 kWh兩臺電熱相變儲能供熱裝置，對鋁硅合金儲熱體的供熱過程進(jìn)行實驗研究。實驗表明大裝置的供熱功率為8.1～15.5kW，對外供熱的溫度大都在650K以上，儲熱效率為91.7％;小裝置的供熱功率為2.15～3.3kW，對外供熱的溫度基本在540K以上，儲熱效率為88.3％。
　　樣機試驗是在室外利用碟式太陽能聚光器對對鋁硅合金儲熱

11、蒸汽鍋爐進(jìn)行樣機試驗研究，包括鋁硅合金儲熱蒸汽鍋爐的研制、試驗系統(tǒng)的搭建、多碟式太陽能聚光器熱效率試驗、高溫?zé)峁芘c鋁硅合金傳熱性能試驗及鋁硅合金儲熱蒸汽鍋爐性能試驗等，獲得鋁硅合金儲熱體在實際情況下運行時的性能參數(shù)，為鋁硅合金儲熱體在聚光類高溫太陽能熱利用系統(tǒng)中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。具體如下:
　　1)根據(jù)廣州地區(qū)的太陽輻射資料，結(jié)合實驗室多碟式太陽能聚光器的性能參數(shù)，對鋁硅合金儲熱蒸汽鍋爐進(jìn)行了設(shè)計、加工制作及安裝調(diào)試，搭建了鋁硅合金

12、儲熱蒸汽鍋爐的試驗系統(tǒng)。該鍋爐的設(shè)計參數(shù)為10kWh儲熱容量，3.5Mpa/415℃過熱蒸汽。
　　2)利用簡易接收裝置對包括多碟式太陽能聚光器效率在內(nèi)的接收器熱效率進(jìn)行了測試。在太陽直射輻照度0～600W/m2之間時，接收器靜態(tài)平均熱效率為45.6％。，該效率可以作為鍋爐設(shè)計的依據(jù)并對其熱效率進(jìn)行評價。接收器的非穩(wěn)態(tài)效率方程式為ηc=0.65-22.13tm-ta/Ga。
　　3)利用高溫?zé)峁芘c鋁硅合金傳熱測試平臺對其傳熱

13、性能進(jìn)行了試驗，測試結(jié)果表明:高溫?zé)峁芘c鋁硅合金之間的蒸發(fā)段傳熱密度為54.4kJ/m2，試驗用單根熱管的熱輸送功率為0.75kW。試驗結(jié)果為鋁硅合金儲熱蒸汽鍋爐中高溫?zé)峁艿膽?yīng)用提供了依據(jù)。
　　4)重點對鋁硅合金儲熱蒸汽鍋爐進(jìn)行了試驗，得出了平均太陽直射輻射在445W/m2—765 W/m2、瞬時輻射在200W/m2～900W/m2范圍內(nèi)該鍋爐的光斑溫度、鋁硅合金溫度、水蒸氣壓力及溫度、鍋爐熱效率等參數(shù)隨時間（太陽直射輻射）的變

14、化過程，獲得了該型鍋爐在實際工況下運行的第一手資料，為該型鍋爐的定型設(shè)計打下了基礎(chǔ)。
　　由于鋁硅合金具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)和儲熱密度，因此具有吸熱、儲熱及供熱功能的鋁硅合金儲熱體，將大大簡化高溫太陽能熱利用系統(tǒng)的儲熱系統(tǒng)，降低其初投資和運行費用，提高整個系統(tǒng)的運行效率和性價比。具有吸熱、儲熱及供熱功能的鋁硅合金儲熱體的提出為高溫太陽熱利用儲熱技術(shù)的發(fā)展提供了新方向，研究結(jié)果顯示了其在高溫太陽能熱利用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在的巨大