太陽能顯熱儲熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀201101

1、太陽能顯熱儲熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀韓智香1,李蒞2,仇中柱3(1,2同濟大學(xué)機械工程學(xué)院，上海201804;3.上海電力學(xué)院，上海200090)摘要：太陽能儲熱形式一般可分為顯熱儲熱，潛熱儲熱和化學(xué)反應(yīng)儲熱。顯熱儲熱技術(shù)是發(fā)展最早、最為成熟的技術(shù)，是唯一一種應(yīng)用到太陽能電站的儲熱方式。本文總結(jié)了出現(xiàn)在文獻和發(fā)電站的顯熱儲熱材料，重點介紹了高溫混凝土儲熱的研究現(xiàn)狀，包括其材料，模擬，測試實驗和實際應(yīng)用。詳細分析了混凝土儲熱塊的傳熱模型，介紹了有限元分析方法在儲熱系統(tǒng)瞬態(tài)特性模擬中的作用。關(guān)鍵詞：儲熱；太陽能；顯熱；有限元法Abstract:Accordingtothestoragemedia,stora

2、gesystemsareclassifiedassensibleheatstorage,latentheatstorageandchemicalheatstorage.Sensibleheatstorageistheearliestandthemostmaturetechnology,andonlythesensibleheatstoragehavebeenactuallyusedinrealsolarpowerplants.Inthispaper,allsensibleheatstoragematerialsconsideredinliteratureorplantsarelisted,th

3、edetailedinformationofhigh-temperatureconcretestorageispresented,includingmaterials,simulation,testandrealapplication.Theheattransfermodelofsolideheatstorageispresentedindetail,andtheeffectofafiniteelementmethod(FEM)analysisforasegmentofastoragepipewithsolidestoragematerialisintroduced.Keywords:Ther

4、malenergystorage;solarenergy;sensibleheat;finiteelementmethod0序言太陽能熱發(fā)電技術(shù)是一項緩解全球能源危機的重要技術(shù)。太陽能的晝夜間斷性以及由于多云陰雨而造成的不穩(wěn)定性、能量密度低等一系列問題，對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)電力的平穩(wěn)輸出產(chǎn)生了很大的影響。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)需配置儲熱系統(tǒng)，儲熱系統(tǒng)可以提高太陽能系統(tǒng)的利用效率1,調(diào)節(jié)能量供需平衡，保證電力的平穩(wěn)輸出。1太陽能儲熱方式目前的太陽能儲熱形式可分為顯熱儲熱，潛熱儲熱和可逆化學(xué)反應(yīng)儲熱2。顯熱蓄熱主要是通過某種材料溫度的上升或下降而存儲熱能，顯熱蓄熱是各種蓄熱方式中原理最簡單、技術(shù)最成熟、材

5、料來源最豐富，成本最低廉的一種，因而也是實際應(yīng)用和推廣得最普遍的一種3；潛熱蓄熱主要是通過蓄熱材料發(fā)生相變時吸收或放出熱量來實現(xiàn)能量的儲存，儲熱過程幾乎是恒溫的，一般采用硝酸鹽等相變材料作為儲熱材料。具有蓄熱密度大，充、放熱過程溫度波動范圍小等優(yōu)點支但目前為止，沒有應(yīng)用于商業(yè)中的高溫PCM技術(shù)5;化學(xué)反應(yīng)熱蓄熱主要是通過化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱來進行蓄熱，比如利用可逆氫氧化鈣4和氨水5等材料的分解與合成反應(yīng)，這種蓄熱方式具有儲能密度高、可以長期儲存等優(yōu)點。一些研究宣稱氨水和SnOx/Sn的反應(yīng)可能是最實用的一種方式5,但還需深一步的實驗證明。2顯熱儲熱顯熱儲熱技術(shù)是發(fā)展最早、最為成熟的技術(shù)，且其儲熱裝

6、置運行和管理也較為方便。顯熱儲熱材料分為固態(tài)和液態(tài)兩類。顯熱儲熱材料的重要參數(shù)5包括：密度，比熱容，導(dǎo)熱率，熱擴散率，運行溫度，蒸汽壓力，穩(wěn)定性，兼容性，散熱系數(shù)和成本。單位體積儲熱材料顯熱儲熱材料是指在儲熱過程中隨著溫度變化沒有相變發(fā)生的材料。的儲熱量可表不為：Qs=CpsPsAT(1)式中：Qs：單位體積儲熱材料的儲熱量，J/m3;：'s：儲熱材料的密度，kg/m3;Cps：儲熱材料白比熱，J/(kgK);AT：儲熱材料溫度變化值，K給定物質(zhì)的顯熱儲熱能力主要取決于其密度和比熱。一種物質(zhì)在儲熱系統(tǒng)中發(fā)揮其有用性，它一定要廉價，并有好的儲熱能力。顯然儲熱系統(tǒng)中另一個重要參數(shù)是能量被儲

7、存和釋放的速度。這個特性是材料熱擴散率的函數(shù)。2.1 顯熱固體儲熱固體介質(zhì)一般用于填充床或制作為儲熱塊。儲熱塊一般由高溫混凝土或鑄造陶瓷和內(nèi)嵌的管道組成，固體材料作為儲熱材料，液體材料作為換熱流體，通過管道進行換熱(圖16)。為了強化傳熱可以在管道外側(cè)加翅片。顯熱固體儲熱材料見表1Fig.1Storagemodulewithvisibletuberegister圖1可見管排的儲熱模型表15,7顯熱固體儲熱材料的主要特性Table1Maincharacteristicsofsensibleheatstoragesolidmaterials儲熱材料溫度(C)冷端熱端平均密度(kg/m3)平均體積比

8、熱:(kWh/m3)孕平均熱導(dǎo)率(W/mK)平均熱容(KJ/KgK)蓄熱成本($/kWht)沙-巖石-礦物油2003001700601.01.304.2加固混凝土20040022001001.50.851氯化鈉(固體)20050021601507.00.852鑄鐵200400720016037.00.5632鑄鋼200700780045040.00.6060耐火硅磚20070018201501.51.007.0耐火鎂磚200120030006005.01.156.0對于固體材料，混凝土和陶瓷是研究較多的材料5。2001年12月到2003年12月，德國政府出資建立的WESPE項目的主要研究目的高

9、效廉價的儲熱材料的發(fā)展，管道換熱器的優(yōu)化和一個采用這種技術(shù)的350kWh測試單元的示范。同時研發(fā)了兩種蓄熱材料：鑄造陶瓷和高溫混凝土。這兩種材料都是由粘合劑，聚合物和少量輔助材料組成。高溫混凝土的粘合劑是由礦渣水泥組成，聚合物主要為氧化鐵。鑄造陶瓷的粘合劑含有Al2O3,聚合物也為氧化鐵。輔助材料是為了促進混合材料的處理，可用于強化傳熱和降低粘度。固體儲熱材料的測試8于20012006年期間，在西班牙南部太陽能研究中心PlataformaSolardeAlmeria(PSA)中進行的。DLR進行了早期的測試，發(fā)現(xiàn)陶瓷和高溫混凝土都可作為合適的固體顯熱蓄熱材料。高溫混凝土更合格，因為它價格較低，

10、強度較高，制作方法較簡單，而且，換熱管與混凝土之間性能沒有退化的現(xiàn)象6,9。2.2 顯熱液體儲熱大量流體被測試來輸送熱能，包括水，空氣，油，鈉和熔融鹽等。熔融鹽是最佳顯熱液體儲熱材料5,主要用于太陽能發(fā)電，因為其在大氣壓力下是液態(tài)的，是一種高效，價廉的儲熱介質(zhì)。八十年代最常用儲熱介質(zhì)是礦物油和熔融鹽。SolarTwo太陽能電站中成熟的采用了硝酸鈉和硝酸鉀混合鹽作為傳熱和蓄熱材料，證明混合熔融鹽在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的可行性1。西班牙新建的發(fā)電站采用熔融鹽或蒸氣與固體儲熱材料聯(lián)合作用的儲熱方式8。熔融鹽的運行溫度與目前的高壓高溫汽輪機是兼容的，并且不易燃，無毒。液體顯熱儲熱材料詳見表2。目前，兩種

11、主要白熔融鹽5是太陽鹽”和商業(yè)出售的HitecXL。太陽鹽”是由60%NaNO3和40%KNO3組成，這種鹽在221c時融化，288c時可在隔熱冷儲熱罐內(nèi)保持液態(tài)；HitecXL是由48%Ca(NO3)2,7%NaNO3,和45%KNO3組成淇特性已在PSA和Themis電站中研究過。Table2Maincharacteristicsofsensibleheatstorageliquidmaterials5,7.表2顯然液態(tài)儲熱材料的主要特性儲熱材料低溫(C)高溫(C)平均密度(kg/m3)平均導(dǎo)熱系數(shù)(W/(mK)平均熱容kJ/(kgK)體積比熱容KWh/m3每千克的成本($)每千瓦的成本(

12、$)HITEC太陽能鹽120133-礦物油2003007700.122.6550.34.2合成油2503509000.112.357343硅油3004009000.102.152580亞硝酸鹽25045018250.571.5152112硝酸鹽26556518700.521.62500.53.7碳酸鹽450850210021.84302.411液態(tài)鈉270530850711.3802213顯熱固體儲熱的模擬方法顯熱固體儲熱的模擬常用有限元分析方法，來分析和模擬儲熱系統(tǒng)的瞬態(tài)特性。得到儲熱系統(tǒng)的溫度分布和儲熱量。DLR研發(fā)了一種模擬環(huán)境"StorageTec-Thermo”10,用于儲

13、熱系統(tǒng)的設(shè)計和模擬。這種工具可以建立儲熱系統(tǒng)的物理模型，并模擬其動力性特性。儲熱過程，模擬結(jié)果與WESPE的測試結(jié)果吻合較好，放熱過程兩者存在一些偏差。,用于模擬不同邊界條件下儲熱系統(tǒng)的一種基于模擬語言Modelica的一種模擬工具11瞬態(tài)特性，采用有限差分法。該物理模型包含了描述由質(zhì)量流量決定的對流換熱和壓力損失。Laingetal.5,12提出用有限元分析方法分析一個混凝土儲熱塊在添加翅片前后的溫度分布，并進行比較，翅片用于強化傳熱。兩種模擬中，儲熱換熱管內(nèi)壁的溫度相同，管間距相同。RafidiandBlasiak5,13研發(fā)了一種雙相模擬模型來數(shù)值化求解氣體和固態(tài)儲熱材料的動力學(xué)溫度和速

14、度曲線。4混凝土儲熱的測試德國公司Ed.ZiblinAG和德國研究中心DLR共同研發(fā)了一種采用混凝土作為儲熱材料的顯熱儲熱，為了現(xiàn)場測試和將來的研究，在Stuttgart建立了一個20m3固體儲熱測試模塊6,該混凝土測試模塊由混凝土和內(nèi)嵌的管道組成，管道按設(shè)計等間距均勻分布，導(dǎo)熱流體在管內(nèi)循環(huán)流通，與混凝土儲熱材料進行換熱，完成熱量的儲存和釋放。如圖1。測試模塊的幾何尺寸：總長10m,混凝土部分長8.6m,高1.7m,寬1.3m。其管道系統(tǒng)由132根長9m,外徑18mm的無縫鋼管組成，采用叉排管束形式。測試模塊采用一種特殊的混凝土混合物，這種混凝土采用纖維材料來增強其滲透性，這樣可防止第一次加

15、熱時，水分蒸發(fā)產(chǎn)生的高壓對混凝土模塊的破壞。除了高耐熱性，儲熱混凝土材料必須滿足多個要求，比如高熱容，高導(dǎo)熱率和低成本。為了測試模塊的熱性能，測試模塊上布置了大量的溫度，流量傳感器。導(dǎo)熱油的溫度通過設(shè)在模塊出入口的兩個PT100傳感器測得；導(dǎo)熱油流量通過差壓原理得到；混凝土的溫度通過布置在模塊的熱電偶測得。為了保證初期加熱混凝土模塊的安全，測量了混凝土內(nèi)部的壓力，通過講壓力傳感器與布置在混凝土內(nèi)部的毛細鋼管連接的方法。當(dāng)儲熱模塊第一次由環(huán)境溫度加熱到400c時，混凝土里的水分蒸發(fā)使混凝土內(nèi)部的壓力升高，為了保證安全，加熱一段時間后保持恒溫狀態(tài)，使混凝土中水蒸氣排出，然后繼續(xù)加熱。測試表明，蒸氣

16、壓力的峰值約為4bar,蒸汽壓力到達峰值，然后經(jīng)過一定的保留時間又返回開始時的狀態(tài)，表明該溫度下產(chǎn)生的水蒸汽都被排除。通過兩種熱循環(huán)方式來測試儲熱模塊的性能，一種為儲熱和放熱時間均為24h的穩(wěn)態(tài)循環(huán)”，可減少與模擬的差距；另一種為儲熱和放熱時間均為6h的加速循環(huán)”，可增加循環(huán)次數(shù)和測定混凝土的動態(tài)特性。一般，儲熱時，導(dǎo)熱油從集熱器進入儲熱模塊的溫度為390C；放熱時，導(dǎo)熱油出口溫度低于350c就表示放熱過程結(jié)束。儲熱模塊在儲熱/放熱循環(huán)中白勺溫差為40Co測試結(jié)果詳見文獻6中圖10。5參數(shù)計算5.1儲熱過程傳熱流體與換熱管進行對流換熱，然后熱量以導(dǎo)熱形式傳遞到儲熱材料，傳熱流體提供的熱量大部分

17、儲存到儲熱材料中，還有少量散失到環(huán)境中。如下式：QHTFch=Qs'Q(2)式中：Qhtf：傳熱流體提供的熱量，J；Qs：儲熱材料儲存的熱量，J；Ql：散失到環(huán)境的熱量，JoQHTF取決于傳熱流體的體積，密度，比熱容，在儲熱塊的入口和出口的溫差，流體的物性參數(shù)可根據(jù)生產(chǎn)商提供的數(shù)據(jù)，通過實驗測得流體在儲熱塊的入口和出口的溫度，根據(jù)下式求得QHTF。QHTFch=CpV(T-T。)(式中：cp：流體的比熱，J/(kgK);P：流體的密度，kg/m3;V：流體的體積，m3；Ti：入口處流體的溫度，K;To：出口處流體的溫度，Ko5.2放熱過程放熱過程，熱量由儲熱材料傳遞給傳熱流體，有少量熱

18、量散失到環(huán)境中，如下式QHTFdisch=Qs-Ql傳熱流體在放熱過程得到的熱量可通過下式計算QHTFdisch=cp,VUTi)假設(shè)儲熱過程和放熱過程中的散熱量是相等的，根據(jù)上述公式，得到簡化的儲熱量計算公式Qs=0.5(QHTFch+QHTFdisch)(6)散熱量公式Ql=0.5(QHTFch-QHTFdisch)儲熱的目的是為了調(diào)節(jié)能量供需平衡，并不會節(jié)能，因為能量在儲存和釋放的過程都會散失一部分能量到環(huán)境中。儲熱效率Y直接反映了能量的有效利用情況，如下式QHTFdischQHTFch(8)根據(jù)公式1,推導(dǎo)出儲熱材料的比熱容的計算公式cpssTVs(9)6儲熱模型的傳熱分析6.1傳熱分

19、析儲熱過程的熱量傳遞路線：傳熱流體與換熱管間發(fā)生對流換熱，然后，熱量以導(dǎo)熱形式傳遞給混凝土儲熱材料，大部分熱量會儲存在混凝土中，少量熱量會散失到環(huán)境（空氣）。1對流換熱方程q=hA（TTw）（1。）式中：q:對流換熱量，w;h：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2K）;A：傳熱面積，m2;Tf:傳熱流體的溫度，K;Tw：換熱管壁的溫度，K;2換熱管壁的導(dǎo)熱方程ln2二ld2di(11)式中：q：長度為l的換熱管壁的導(dǎo)熱量，w;k換熱管的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（mK）;l:換熱管長，m;Tw1:換熱管內(nèi)壁面的溫度，K;Tw2:換熱管內(nèi)壁面的溫度，K;d1:換熱管內(nèi)徑，m；d2：換熱管外徑，m；3混凝土的導(dǎo)熱方程無內(nèi)

20、熱源的二維瞬態(tài)導(dǎo)熱微分方程式：2t(12)按照傅里葉定律，熱流密度矢量沿x和y軸的分量應(yīng)為(13)(14)A：tqx一-a二xA：:tqx-1A.二x6.2儲熱塊導(dǎo)熱過程的單值性條件1幾何條件說明參與導(dǎo)熱過程的物體的幾何形狀和大小。如傳熱管的壁厚和管徑，混凝土的尺寸。2物理條件說明參與導(dǎo)熱過程的物體的物理特征。如換熱流體，傳熱管和儲熱材料的密度，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱等。3時間條件說明在時間上過程進行的特點。穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程沒有單值性的時間條件。對于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程，應(yīng)該說明過程開始時刻物體內(nèi)的溫度分布，故時間條件又稱初始條件。儲熱過程開始時刻，物體的各部分具有相同的溫度，那么初始條件表示式可簡化為：t|f

21、0=t0=const,測試開始前，測量混凝土初始溫度，這一溫度可當(dāng)作初始溫度。4邊界條件說明物體邊界上過程進行的特點，反映過程與周圍環(huán)境相互作用的條件稱為邊界條件。常見的邊界條件的表達方式可分為三類：1第一類邊界條件是已知任何時刻物體邊界面上的溫度值。2第二類邊界條件是已知任何時刻物體邊界面上的熱流密度值。3第三類邊界條件是已知邊界面周圍流體溫度和邊界面與流體之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。儲熱元的邊界條件為第三類邊界條件：已知換熱流體和周圍空氣的溫度，和兩種流體與邊界面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。6.3二維瞬態(tài)ansys傳熱模型有限元法14就是根據(jù)變分原理來求解熱傳導(dǎo)問題微分方程的一種數(shù)值計算方法，它的解題步驟是先

22、將連續(xù)求解域分割為有限個單元組成的離散化模型，再用變分原理將各單元內(nèi)的熱傳導(dǎo)方程轉(zhuǎn)化為等價的線性方程組，最后求解全域內(nèi)的總體合成矩陣。有限元分析軟件ANSYS是集結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場和聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。它的熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程。進行熱分析的基本原理是先將所處理的對象劃分為有限個單元，每個單元包括幾個節(jié)點，然后根據(jù)能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一個節(jié)點處的熱平衡方程，由此計算出各節(jié)點的溫度值，然后進一步求出其他相關(guān)量，如溫度梯度、熱量的獲取或損失、熱流密度等。在儲熱實驗中，循環(huán)傳熱流體通過管壁與周圍混凝土進行熱交換，這是一個三維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，影

23、響因素和參數(shù)復(fù)雜多變，不可能用解析法來精確求解，為了方便建立模型，用有限元分析熱分析法對其進行模擬，特做如下假設(shè)：1不考慮豎直方向的傳熱情況，將三維傳熱問題簡化為二維。2混凝土的熱物性均勻，且不隨溫度變化而變化。3換熱器、混凝土、保溫層和地層具有相同的初始溫度且初始溫度均勻一致。利用ansys有限元分析法，可模擬不同因素對儲熱模型傳熱過程的影響，可以模擬不同的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，換熱流體的溫度，流速，模擬的初始溫度條件下，儲熱塊溫度場的分布和儲熱速率的變化。7總結(jié)儲熱系統(tǒng)對太陽能熱發(fā)電站的電力的平穩(wěn)輸出有重要作用。太陽能儲熱形式可分為顯熱儲熱，潛熱儲熱和可逆化學(xué)反應(yīng)儲熱。顯熱蓄熱是各種蓄熱方式中原

24、理最簡單、技術(shù)最成熟、材料來源最豐富，成本最低廉的一種，因而也是實際應(yīng)用和推廣得最普遍的一種。混凝土儲熱熱測試的成功運行，證實了混凝土儲熱技術(shù)是一種合適的顯熱儲熱方式。混凝土儲熱在材料，模擬，測試和實際應(yīng)用取得了很大的發(fā)展。顯熱儲熱技術(shù)在較高溫度(高于500C)的運行，高導(dǎo)熱率混凝土材料的開發(fā)和強化傳熱換熱器的研究方面還有很大的發(fā)展空間。參考文獻1孫李平吳玉庭，馬重芳.太陽能高溫儲熱熔融鹽優(yōu)選的實驗研究J.太陽能學(xué)報,2008,29(9):1092-1095.2劉鑒民.太陽能利用：原理技術(shù)工程M.電子工業(yè)出版社，2010.3何梓年.太陽能熱利用M.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.4吳玉庭，張

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