鋁硅合金的傳熱性能及其在太陽能熱發(fā)電中的應用研究.pdf

1、我國聚光太陽能熱發(fā)電技術相對于國外還處于起步階段，儲能材料及其系統(tǒng)是聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的關鍵部件，不同儲能材料的性能對聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率及成本都有重要的影響，也是實現(xiàn)全天候太陽能熱發(fā)電的關鍵。國內(nèi)外相變儲能方式在太陽能熱發(fā)電中的研究，還處于實驗室階段。目前可應用于聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中作為熱流體或儲能材料的主要有熔鹽、導熱油、高溫混凝土、金屬合金等。各類儲能材料有不同的缺點限制，但目前商業(yè)應用于太陽能熱發(fā)電的儲能材料，主

2、要采用顯熱方式。
　　與其他儲能材料相比，鋁硅合金具有潛熱大、性能穩(wěn)定、導熱系數(shù)大、過冷度小等良好綜合性能，而目前國內(nèi)外尚缺乏鋁硅合金在聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的應用各類數(shù)據(jù)，Al-Si合金的傳熱性能等大量的基礎科學問題還沒有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)參考。對Al-Si合金在聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的探索研究，有利擴寬聚光太陽能熱發(fā)電的儲能溫度，對提高發(fā)電效率降低成本等具有重要的意義。
　　本文以探索Al-Si合金儲能材料在太陽能高溫聚光熱發(fā)電的

3、應用為目的，以Al-Si合金儲能材料的傳熱性能為主線展開研究。在此基礎上原創(chuàng)性地提出了一種新型熱管式太陽能Al-Si合金儲能鍋爐。由于大量的基礎科學問題沒有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)參考，因此先進行了一個熱循環(huán)實驗，選出綜合熱物理性能比較好的Al-Si合金，再進行四個傳熱基礎實驗，著重以下幾個方面進行研究:1）Al-13％Si合金與高溫熱管的傳熱研究，2）Al-13％Si合金與水的換熱研究，3）Al-13％Si合金與水蒸汽的換熱研究，4）高太陽熱流密度

4、下接收器的熱效率研究。為Al-13％Si合金在聚光太陽能熱發(fā)電中的應用提供數(shù)據(jù)和理論基礎，并探索其在聚光太陽能熱發(fā)電中的應用。
　　Al-Si合金和高溫熱管換熱實驗結(jié)果表明:Al-13％Si合金與高溫熱管之間的傳熱密度為54.4kJ/m2。并模擬了Al-13％Si合金與高溫熱管傳熱，模擬了幾種不同的對流條件工況下的溫度分布變化過程，得出換熱系數(shù)為200W/(m2·k)空氣溫度為25℃的對流邊界條件來模擬熱損失時，模擬結(jié)果和實驗實際

5、測試結(jié)果是比較吻合的。獲得不同的對流條件工況下溫度云圖。實驗結(jié)果為設計熱管式Al-13％Si合金儲能鍋爐提供依據(jù)。Al-13％Si合金和水的換熱的實驗表明:Al-13％Si合金相變儲能材料的釋熱過程持續(xù)到40min時，Al-13％Si合金的溫度從相變點下降到150℃。在控制流速的變化下，進出口水的溫差在40min內(nèi)從40℃變化到15℃。通過計算分析Al-13％Si合金相變儲能材料與水換熱的熱流密度在40min內(nèi)隨水速變化，從126kW/

6、m2到10kW/m2之間變化。三種工況的熱效率分別是77.8％，84.9％，83.4％。Al-13％Si合金和水蒸汽換熱的實驗結(jié)果表明:Al-13％Si合金被加熱到620℃時，流速1.2g/s時，出口溫度最高428℃，變化下降也比較快。流速為0.8g/s時，出口溫度最高439℃。流速為0.4g/s時，出口溫度最高442℃。換熱準則式Nuf=6.1972 Re0.2992 Pr0.4（其中Pr范圍為0.93-0.96,Re大于2300，l

7、/di大于60）。同時模擬了Al-13％Si合金和水蒸汽的換熱，模擬結(jié)果和實驗結(jié)果比較吻合，還對Al-13％Si合金在空腔式接收器中的熔化過程模擬和接收器的熱應力模擬計算。通過高太陽能熱流密度下接收器的熱效率研究，實驗結(jié)果表明:在太陽直射輻照度0-600W/m2之間時，平均有效熱效率為44.22％。用最小二乘法回歸整理出接收器的非穩(wěn)態(tài)效率方程式ηc=0.64269-22.1061tm-ta.Ga。最后根據(jù)前面的實驗研究，對太陽能儲能鍋爐

8、進行了設計，包括碟式聚光器的功率分析、儲熱體的能量及Al-Si合金重量的確定、熱設計及水動力計算、鍋筒的強度計算。并進行該鍋爐的壓強校合，獲得鍋爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
　　本文的研究內(nèi)容是熱管式太陽能儲熱鍋爐的一些前期基礎工作，最主要創(chuàng)新為:提出并設計利用相變儲能材料Al-Si合金，應用于一種結(jié)構(gòu)緊湊和同時能吸熱儲熱的太陽能儲能鍋爐。該儲熱鍋爐采用熔點在550～600℃之間的金屬作為相變儲熱材料，能被加熱到650℃，有利于拓寬太陽能熱發(fā)