PCM-水储热水箱在太阳能热水系统中的应用分析

摘要

在当今资源紧缺的形势下，世界各国科技上探索创新，政策上鼓励推动，并将节能融于文化之中，号召全民节能。太阳能作为新能源具有多方面的开发利用潜能，太阳能热水系统是太阳能利用最普遍的方式之一，但由于太阳能具有间歇性，太阳能热水系统的使用受气候的限制，故需配合电辅助加热。
　　本文提出相变材料(PCM)-水的太阳能联合储能方案——带相变储能太阳能热水系统，首先在总结前人研究的基础上，对PCM的种类、PCM相变温度的范围、PCM储能单元结构等进行选择设计，确定了相变储能保温水箱的物理结构，及PCM与水的换热形式。
　　然后对相变储能保温水箱进行数学建模，通过Matlab平台对水箱的性能进行模拟运行，对比加入PCM前后及加入不同数量PCM的运行情况。模拟结果表明了加入PCM能增加水箱的储热能力，对水箱水温保持有延迟效益等优点。故本文进而将其应用于24小时供热水的传统太阳能加电辅热热水系统中。结果表明PCM联合储能的热水系统，储热水箱中水温波动小，即加入PCM联合储能对水箱中水温有“削峰填谷”的作用，热损失和电辅热耗电量均减小，全年节电率达22％。
　　本文还对带相变储能太阳能热水系统在不同地区的应用情况做了对比研究，结果发现在太阳能资源越丰富的地区，加入PCM带来的节电收益越大;而在平均室外温度越高的地区，加入PCM对热损失的降低更有利。而总体看来，本文提出的带相变储能太阳能热水系统在原来有利用太阳能热水系统的地区均可适用。
　　最后本文对PCM的参数进行了优化探索，分析了相变温度与PCM体积比（PCM体积与水体积之比）对水箱储能性能的影响，给出了水箱储热性能随相变温度和相PCM体积比变化的规律及其选取范围。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．2 国内外发展过程及研究现状分析

1．2．1 相变材料热物性及其工作性能研究

1．2．2 相变储能单元结构及性能研究

1．2．3 相变储能的优化研究

1．3 主要研究内容

第2章 PCM的选择及相变储能结构设计

2．1 PCM的分类及性能介绍

2．1．1 按照温度分类

2．1．2 按照相变形式分类

2．1．3 按照相变材料的化学成分分类

2．2 PCM的选择

2．3 相变储能单元结构设计

2．4 本章小结

第3章 相变储能单元热性能分析

3．1 相变传热数学模型

3．2 数学模型的建立

3．2．1 水箱热平衡模型

3．2．2 控制方程解析

3．2．3 放热和储热效果

3．3 相变传热数值求解方法

3．4 带相变储能的保温水箱性能模拟

3．4．1 模拟条件设计

3．4．2 模拟结果分析

3．5 本章小结

第4章 带相变储能的太阳能热水系统设计

4．1 太阳能热水系统

4．1．1 我国的太阳能资源

4．1．2 太阳能热水系统概述

4．1．2 太阳能热水系统改进方案研究

4．2 太阳能热水系统基本参数设计

4．2．1 储热水箱设计

4．2．2 太阳能集热器设计

4．2．3 相变储能水箱设计

4．3 本章小结

第5章 带相变储能太阳能热水系统运行模拟分析

5．1 Matlab平台介绍

5．2 带相变储能水箱计算模型建立

5．3 带相变储能太阳能热水系统的模拟参数设定

5．3．1 室外气象参数的设定

5．3．2 太阳能热水系统及PCM参数的设定

5．4 模拟结果对比分析

5．5 不同地区的应用对比

5．6 本章小结

第6章 PCM参数优化

6．1 优化参数分析

6．1．1 相变温度

6．1．2 PCM体积比

6．2 全年模拟寻优

6．3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 硕士学习期间所发表的学术论文