高温太阳能热利用铝硅合金储热体储热特性研究

摘要

聚光类高温太阳能热利用技术广泛应用于包括太阳能热发电在内的许多工农业生产过程中。由于太阳能受到地理、昼夜、季节等规律性变化以及阴晴云雨等随机因素的影响，各种太阳能热利用系统通常需要配备储热系统，以保证其供热的稳定性及连续性，这对聚光类高温太阳能热利用系统尤为重要。在目前聚光类高温太阳能集热技术已经日趋成熟的情况下，尚有一定发展空间的储热技术及其系统对高温太阳能热利用系统的性能有着重要的影响。
　　本文率先提出了应用于聚光类高温太阳能热利用系统中集吸热、储热及供热于一体的铝硅合金储热体的概念，并对其进行设计、制作及试验研究。该储热体采用铝硅合金作为相变储热材料，可以直接吸收经聚光镜反射的太阳辐射并将其储存起来，达到即吸热即储热的目的（因此在后面将吸热及储热过程统一称之为储热过程），在集热器与储热体之间不需要用于热量传递的热流体及其管路系统，可以大大简化聚光类高温太阳能热利用系统的吸热、储热系统，可靠性也可以得到提高。储热体在供热时则利用热流体及其供热系统向外供热。
　　具有吸热、储热及供热功能的铝硅合金储热体是高温太阳能热利用系统中的主要设备，也是本文研究的重点，研究的主要内容包括在不同的加热及提热功率下铝硅合金及其壳体、热流体及其管道分别在储热及供热过程中的温度变化及其传热温差，熔化及凝固的速度等。本文从理论分析、数值模拟及实物试验等三个方面对上述内容进行研究。
　　为获得该型储热体传热过程中的特点，本文首先利用传热学基本理论及其知识对储热体内的传热过程进行传热机理分析，包括储热过程中吸热面的导热及吸热熔化后液态铝硅合金的自然对流传热，供热过程中热流体的管内对流换热或沸腾换热、热流体壁面及放热凝固后固态铝硅合金的导热等，建立了这些传热过程的微分方程及其定解条件，得出了一些具有指导意义的结论:1）储热过程中的传热热阻主要是吸热面的导热热阻;2）无论是储热过程还是供热过程，液态铝硅合金自然对流的旺盛与否主要根据格拉晓夫数Gr的大小来判断;3）供热过程中的传热热阻主要是热流体壁面及固态铝硅合金的导热热阻。
　　数值模拟可以节省大量的工作时间，较为高效的对物体进行研究。本文对适合在聚光类高温太阳能利用中使用的多种铝硅合金储热体结构进行了较为系统的模拟，具体包括:1）适合在碟式聚光太阳能热利用系统中应用的直立圆柱型铝硅合金储热体的物理和数学模型，模拟了其分别在底部加热、顶部放热时铝硅合金的温度变化和熔化或凝固情况，得出了底部温度和顶部温度的变化规律及其与储热体直径、高度的关系;2）适合在塔式聚光太阳能热利用系统中应用的直立圆柱型铝硅合金储热体的物理和数学模型，模拟了其分别在半边圆周加热、中心管放热时铝硅合金的温度变化和熔化或凝固情况，得出了加热面、中心管温度的变化规律及其与储热体及中心管直径、高度的关系;3）适合在槽式聚光太阳能热利用系统中应用的水平圆柱型铝硅合金储热体的物理和数学模型，模拟了其分别在底部半边圆周加热、中心管放热时铝硅合金的温度变化和熔化或凝固情况，得出了底部温度、顶部温度及中心管温度的变化规律及其与储热体、中心管直径的关系;4）铝硅合金储热体中中心提热管的物理及数学模型，并对以空气作热流体的管内对流换热过程进行模拟，得出了不同流速下空气温度沿管长的变化关系，并计算了相应的管内对流换热系数。
　　实验研究包括两个方面，一个是模拟试验，一个是样机试验。模拟试验是在实验室内利用电加热来代替高热流密度的太阳辐射，对铝硅合金储热体进行模拟研究，以获得储热体在储热及供热过程中铝硅合金及热流体温度的变化情况，与数值模拟的结果进行比较和验证，并计算储热体的储热效率，为铝硅合金储热体的定型设计提供依据。具体包括:
　　1)对碟式高温太阳能热利用系统中直立圆柱型铝硅合金储热体进行实验研究，实验用铝硅合金储热体的尺寸分别为φ300×300mm、φ300×200mm、φ200×200mm，吸热面的厚度均为5mm，分别在100kW/m2及200 kW/m2的储热及供热热流密度下进行，发现储热体内铝硅合金温度的变化过程与数值计算比较接近;
　　2)利用管式电阻炉对槽式高温太阳能热利用系统中水平圆柱型铝硅合金储热体进行实验研究，储热体的尺寸为φ89(32)×900mm，即套管外径89mm，内管外径32mm，管长900mm，管壁厚度均为3mm，分别在20kW/m2及50kW/m2储热及供热热流密度下进行，发现铝硅合金温度及其熔化、凝固情况均符合储热及供热的要求;
　　3)利用管式电阻炉来模拟铝硅合金的储热温度，对空气、水蒸汽及导热油这三种热流体的大温差管内对流换热分别进行实验研究。实验在两个管径、四个流速及两个管壁温度下进行，所得结果整理成大温差管内对流换热的实验关联式，可用于储热体内提热管设计的相关依据;
　　4)利用设计储热能力分别为200 kWh、50 kWh两台电热相变储能供热装置，对铝硅合金储热体的供热过程进行实验研究。实验表明大装置的供热功率为8.1～15.5kW，对外供热的温度大都在650K以上，储热效率为91.7％;小装置的供热功率为2.15～3.3kW，对外供热的温度基本在540K以上，储热效率为88.3％。
　　样机试验是在室外利用碟式太阳能聚光器对对铝硅合金储热蒸汽锅炉进行样机试验研究，包括铝硅合金储热蒸汽锅炉的研制、试验系统的搭建、多碟式太阳能聚光器热效率试验、高温热管与铝硅合金传热性能试验及铝硅合金储热蒸汽锅炉性能试验等，获得铝硅合金储热体在实际情况下运行时的性能参数，为铝硅合金储热体在聚光类高温太阳能热利用系统中的应用打下基础。具体如下:
　　1)根据广州地区的太阳辐射资料，结合实验室多碟式太阳能聚光器的性能参数，对铝硅合金储热蒸汽锅炉进行了设计、加工制作及安装调试，搭建了铝硅合金储热蒸汽锅炉的试验系统。该锅炉的设计参数为10kWh储热容量，3.5Mpa/415℃过热蒸汽。
　　2)利用简易接收装置对包括多碟式太阳能聚光器效率在内的接收器热效率进行了测试。在太阳直射辐照度0～600W/m2之间时，接收器静态平均热效率为45.6％。，该效率可以作为锅炉设计的依据并对其热效率进行评价。接收器的非稳态效率方程式为ηc=0.65-22.13tm-ta/Ga。
　　3)利用高温热管与铝硅合金传热测试平台对其传热性能进行了试验，测试结果表明:高温热管与铝硅合金之间的蒸发段传热密度为54.4kJ/m2，试验用单根热管的热输送功率为0.75kW。试验结果为铝硅合金储热蒸汽锅炉中高温热管的应用提供了依据。
　　4)重点对铝硅合金储热蒸汽锅炉进行了试验，得出了平均太阳直射辐射在445W/m2—765 W/m2、瞬时辐射在200W/m2～900W/m2范围内该锅炉的光斑温度、铝硅合金温度、水蒸气压力及温度、锅炉热效率等参数随时间（太阳直射辐射）的变化过程，获得了该型锅炉在实际工况下运行的第一手资料，为该型锅炉的定型设计打下了基础。
　　由于铝硅合金具有较大的导热系数和储热密度，因此具有吸热、储热及供热功能的铝硅合金储热体，将大大简化高温太阳能热利用系统的储热系统，降低其初投资和运行费用，提高整个系统的运行效率和性价比。具有吸热、储热及供热功能的铝硅合金储热体的提出为高温太阳热利用储热技术的发展提供了新方向，研究结果显示了其在高温太阳能热利用领域具有广阔的应用前景和潜在的巨大经济价值。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 高温太阳能热利用技术及其发展

1．2．1 聚光类太阳能热发电技术

1．2．2 太阳能热发电技术的研究及发展

1．3 高温太阳能热利用储热技术的国内外研究进展

1．3．1 储热材料的研究及应用情况

1．3．2 储热体的研究及应用情况

1．4 选题背景

1．4．1 研究中存在的问题

1．4．2 课题的来源及研究内容

第二章 铝硅合金储热体传热过程的理论分析

2．1 引言

2．2 铝硅合金储热体的储热过程

2．2．1 底部吸热面的导热

2．2．2 液态铝硅合金的对流换热

2．3 铝硅合金储热体的供热过程

2．3．1 固态铝硅合金及其壁面的导热

2．3．2 热流体的对流换热

2．3．3 热流体的沸腾换热

2．4 储热体内铝硅合金的相变问题

2．4．1 储热过程铝硅合金的相变分析

2．4．2 供热过程铝硅合金的相变分析

2．4．3 储热体的放热强度

2．5 本章小结

第三章 铝硅合金储热体的数值模拟

3．1 引言

3．2 数值传热学基础

3．2．1 求解问题的基本思想

3．2．2 数值模拟的离散方法

3．2．3 数值模拟的主要环节

3．3 铝硅合金储热体的数值模拟

3．3．1 铝硅合金储热体的控制方程

3．3．2 铝硅合金储热体的定解条件

3．3．3 液固界面及焓的处理方法

3．3．4 离散方法

3．3．5 求解方法

3．4 铝硅合金储热体数值模拟结果及其分析

3．4．1 碟式系统铝硅合金储热体数值模拟

3．4．2 塔式系统铝硅合金储热体数值模拟

3．4．3 槽式系统铝硅合金储热体数值模拟

3．4．4 铝硅合金储热体管内对流换热数值模拟

3．5 本章小结

第四章 铝硅合金储热体的实验研究

4．1 引言

4．2 碟式系统铝硅合金储热体的实验研究

4．2．1 储热过程

4．2．2 供热过程

4．3 槽式系统铝硅合金储热体的实验研究

4．3．1 储热过程

4．3．2 供热过程

4．4 储热体管内对流换热的实验研究

4．4．1 空气管内对流换热

4．4．2 水蒸汽管内对流换热

4．4．3 导热油管内对流换热

4．5 电热相变储能供热装置的实验研究

4．5．1 电热相变储能供热装置

4．5．2 电热相变储能供热装置实验结果及其分析

4．6 本章小结

第五章 铝硅合金储热蒸汽锅炉的试验研究

5．1 引言

5．2 铝硅合金储热蒸汽锅炉

5．2．1 铝硅合金储热蒸汽锅炉的设计

5．2．2 锅炉的加工制作

5．2．3 锅炉的安装及试验系统搭建

5．3 多碟式太阳能聚光器热效率试验

5．3．1 试验装置

5．3．2 试验结果及其分析

5．4 高温热管与铝硅合金传热试验

5．4．1 高温热管及其试验系统

5．4．2 试验结果及其分析

5．5 铝硅合金储热蒸汽锅炉试验

5．5．1 接收器光斑

5．5．2 铝硅合金

5．5．3 水蒸气

5．5．4 锅炉热效率

5．6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科技成果

声明

致谢