相變材料對太陽能集熱性能的影響

相變材料對太陽能集熱性能的影響

0太陽能-集熱單元該槽式太陽能熱能源系統(tǒng)具有占地面積小、易加工、材料節(jié)約等優(yōu)點(diǎn)。這是目前商業(yè)最成熟的太陽能熱能源技術(shù)。然而,由于太陽能的不穩(wěn)定特性,為了實(shí)現(xiàn)太陽能的高效穩(wěn)定利用,能量存儲單元成為太陽能熱利用系統(tǒng)中必不可少的組成部分。相變蓄熱由于具有較高的能量存儲密度和恒定的相變溫度等特點(diǎn),被認(rèn)為是太陽能存儲的最好選擇之一。目前在槽式集熱器的集熱性能方面,已經(jīng)開展了大量研究,包括集熱管內(nèi)耦合傳熱特性,集熱管在非穩(wěn)態(tài)光照條件下的集熱性能等。在相變蓄熱方面,目前關(guān)于套管式相變蓄熱的研究主要集中在低溫相變區(qū)域,而關(guān)于高溫區(qū)域的研究,通常都是在給定入口邊界下開展的。而對于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)來說,工作熱源來自太陽輻射能,由于太陽輻射強(qiáng)度的非穩(wěn)態(tài)特性,使得傳熱流體在太陽集熱器的出口溫度,即相變蓄熱單元的入口溫度呈現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的變化特性。TaoYubing等數(shù)值研究了傳熱流體非穩(wěn)態(tài)入口邊界對相變蓄熱單元蓄熱性能的影響,但入口參數(shù)的變化建立在假設(shè)基礎(chǔ)上,沒有進(jìn)一步探討太陽輻射強(qiáng)度變化對真實(shí)的非穩(wěn)態(tài)入口溫度的影響。本文建立了槽式太陽集熱器和相變蓄熱器的耦合模型,自行開發(fā)了數(shù)值模擬程序。采用西安當(dāng)?shù)貙?shí)測的太陽輻射數(shù)據(jù),對以合成油為傳熱工質(zhì)的槽式太陽集熱器出口參數(shù)進(jìn)行模擬分析;隨后以合成油在槽式太陽集熱器出口的非穩(wěn)態(tài)溫度作為蓄熱單元的入口溫度,采用焓方法研究了08∶00~18∶00間,受太陽輻射強(qiáng)度非穩(wěn)態(tài)影響,蓄熱單元中熔化分?jǐn)?shù)、蓄熱量、蓄熱速率等隨時間的變化規(guī)律;并進(jìn)一步就使用2級組合相變材料和單一相變材料時的蓄熱性能進(jìn)行對比研究。1物理和數(shù)學(xué)模型1.1幾何參數(shù)和模型的建立槽式太陽集熱器和蓄熱器的耦合物理模型如圖1所示,前段為槽式集熱管,傳熱工質(zhì)(導(dǎo)熱油Syltherm800)在內(nèi)管內(nèi)流動,吸收太陽輻射能,溫度升高,為后面的相變蓄熱器提供熱量;后段為多個套管式相變蓄熱單元組成的蓄熱裝置,傳熱流體在集熱器吸熱升溫后,經(jīng)過分流器進(jìn)入各個蓄熱單元內(nèi)管,把熱量傳遞給相變蓄熱材料(高溫熔鹽),實(shí)現(xiàn)能量存儲。集熱管包括玻璃套管、吸熱管、反射面。太陽光通過反射面匯聚到鍍有吸熱涂層的吸收管上,被管內(nèi)的傳熱流體吸收,其中為減小熱損失,在吸收管外加玻璃套管,并把玻璃套管內(nèi)抽真空。集熱管的幾何參數(shù)見表1。額定工況參數(shù)如下:環(huán)境風(fēng)速2.0m/s,環(huán)境溫度298.15K,傳熱流體入口溫度555.15K,質(zhì)量流量0.5kg/s,吸熱管涂層的吸收率0.9,吸熱管的導(dǎo)熱系數(shù)54.0W/(m·K)。傳熱流體(導(dǎo)熱油Syltherm800)的熱物性(比熱容c,kJ/(kg·K);導(dǎo)熱系數(shù)k,W/(m·K);密度ρ,kg/m3;粘度μ,μPa·s)擬合公式如下:相變蓄熱單元為管殼式結(jié)構(gòu),包含40根套管,在套管內(nèi)外管間的環(huán)形空間內(nèi)注入相變材料,內(nèi)管內(nèi)通入集熱管出來的傳熱流體,二者進(jìn)行熱傳遞,實(shí)現(xiàn)熱量的存儲和釋放。相變蓄熱單元的幾何參數(shù)見表1所示。相變材料初始溫度為423.15K,熱物性參數(shù)見表2。為了簡化模型,作如下假設(shè):1)綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時間,傳熱流體(包括集熱段和蓄熱段)采用一維分布參數(shù)模型,傳熱流體軸向?qū)岷驼承院纳⒑雎圆挥?jì);2)相變材料熱物性取常數(shù),液態(tài)相變材料自然對流的影響忽略不計(jì),相變傳熱過程采用二維軸對稱模型;3)相變蓄熱管的內(nèi)管壁熱阻忽略不計(jì),外管表面當(dāng)絕熱處理。1.2控制方程和邊界條件1.2.1計(jì)算模型及計(jì)算方法集熱器段的控制方程如下,式中,Qsolar、Qenv、Qf———集熱管表面吸收的熱量、集熱管散失的熱量、傳熱流體吸收的熱量。以上僅給出集熱段熱量傳遞原理的表達(dá)式,具體計(jì)算方法及幾何參數(shù)的影響見文獻(xiàn)。蓄熱器段的控制方程如下。傳熱流體:其中,θf=Tf-Tm2,θ*=T(x,r=Ri,t)-Tm2。相變材料:其中,從相變材料能量方程式中可看出,相變蓄熱中采用的是焓的方法。其中熔化分?jǐn)?shù)的判斷采用如下方法:1.2.2邊境條件集熱管段:相變材料側(cè):2模型驗(yàn)證2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證傳熱流體控制方程采用一階迎風(fēng)格式離散,為了驗(yàn)證集熱器模型的可靠性,參考Sandia國家實(shí)驗(yàn)室LS-2的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見文獻(xiàn)),取固定太陽輻射強(qiáng)度代入計(jì)算,通過模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的對比來驗(yàn)證本文模型和數(shù)值方法的可靠性。圖2為文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本文計(jì)算結(jié)果的對比,由于在數(shù)值計(jì)算中對一些條件進(jìn)行了假定,因而模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果存在一定的偏差,但除去工況6以外,程序模擬計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)測值的絕對誤差都在允許誤差范圍之內(nèi)(±1.5%),熱效率的平均誤差為0.86%,最大誤差為1.3%。模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果呈現(xiàn)了較好的一致性,驗(yàn)證了集熱器物理模型的可靠性。2.2相變材料阻燃網(wǎng)格的計(jì)算蓄熱器采用有限容積法對控制方程進(jìn)行離散求解,首先為了驗(yàn)證計(jì)算網(wǎng)格的獨(dú)立性,對比考察了50×20,100×20,100×40,150×40,150×60,200×60等6套計(jì)算網(wǎng)格,計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)150×60和200×60網(wǎng)格計(jì)算得出的相變材料完全熔化所需時間的偏差只有1.7%,因而網(wǎng)格150×60可以作為獨(dú)立網(wǎng)格。然后對時間步長進(jìn)行考證,發(fā)現(xiàn)時間步長對結(jié)果的影響較小,5~60s內(nèi),引起的最大偏差只有0.44%,為了減少計(jì)算時間,選取60s為計(jì)算時間步長。通過與文獻(xiàn)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比驗(yàn)證蓄熱器計(jì)算模型的正確性。驗(yàn)證中,利用本文的計(jì)算模型,采用文獻(xiàn)中的幾何結(jié)構(gòu)及熱物性參數(shù),在相同工況下計(jì)算了蓄熱單元的總蓄熱量隨時間的變化。圖3為模擬結(jié)果與文獻(xiàn)(Fig.5)的總蓄熱量的對比圖,由圖3可見,模擬結(jié)果和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)基本吻合,驗(yàn)證了蓄熱器模型的可靠性。3結(jié)果和分析3.1槽式集熱器集熱特性商為對非穩(wěn)態(tài)太陽輻射強(qiáng)度下耦合模型的蓄熱性能進(jìn)行研究,本文對西安地區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度進(jìn)行了測試,并選取2010年6月22日的太陽輻射強(qiáng)度作為輸入條件進(jìn)行模擬計(jì)算。通過對一日中太陽輻射強(qiáng)度的擬合,得到了太陽輻射強(qiáng)度與時間的關(guān)聯(lián)式:以輻射強(qiáng)度擬合關(guān)聯(lián)式(10)作為太陽輻射的輸入條件,對槽式太陽集熱器的集熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。得到槽式集熱器的出口溫度(即蓄熱單元的入口溫度)在一日中的變化規(guī)律,如圖4所示。由于受太陽輻射強(qiáng)度隨時間變化規(guī)律的影響,集熱器出口溫度隨時間也呈現(xiàn)近似正弦曲線的變化。在研究時間范圍內(nèi),隨著輻射強(qiáng)度增加傳熱流體吸收的熱量增多,相應(yīng)的傳熱流體的出口溫度升高。在13∶00,太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到最大值729W/m2時,傳熱流體出口溫度達(dá)到最大值589.67K。隨時間變化,太陽輻射強(qiáng)度隨時間從316.3W/m2變化到729W/m2,傳熱流體出口溫度相應(yīng)地從560.04K變化到589.67K,進(jìn)出口溫差從14.89K變化到44.52K,增加了近3倍。槽式集熱器集熱性能分析,可參見文獻(xiàn),這里不再討論。下文重點(diǎn)分析由太陽輻射強(qiáng)度變化引起的傳熱流體溫度非穩(wěn)態(tài)特性導(dǎo)致的蓄熱單元蓄熱性能的變化規(guī)律,并就采用2級組合相變材料和單一相變材料進(jìn)行蓄熱的儲熱性能展開分析討論。3.2相變蓄熱過程圖5是采用單一PCM1蓄熱和采用PCM1和PCM2(體積比1∶1)的兩級蓄熱時,相變材料熔化分?jǐn)?shù)f1、f2隨時間的變化曲線。從圖5可看出,相變材料的蓄熱過程大致可分為3個階段:第一階段,相變材料溫度低于相變溫度,處于顯熱蓄熱狀態(tài),熔化分?jǐn)?shù)為零;第二階段,相變材料處于潛熱蓄熱狀態(tài),熔化分?jǐn)?shù)隨時間呈現(xiàn)近似線性上升的趨勢,逐漸從零增加到1;第三階段,相變材料處于完全熔化后的顯熱存儲階段,此時熔化分?jǐn)?shù)保持1不變。從圖5中還可看出,在13∶00之前,由于受到輻射強(qiáng)度增強(qiáng),傳熱流體溫度升高的影響,熔化分?jǐn)?shù)快速增加;13∶00之后,由于太陽輻射強(qiáng)度減弱,傳熱流體溫度降低,熔化速率逐漸減緩。在本文研究工況下,采用單一PCM蓄熱和兩級PCMs蓄熱,相變材料分別在14∶18和13∶45時完全熔化,可見,采用組合相變材料可以提高相變材料的熔化速率。圖6是相變材料的蓄熱速率隨時間的變化曲線。從圖6中可看出,在開始時刻由于傳熱溫差較大,蓄熱速率非常高;但此時熱量以顯熱的形式儲存,隨著蓄熱過程的進(jìn)行,相變材料的溫度升高,傳熱溫差減小,蓄熱速率降低。之后進(jìn)入相變蓄熱階段,相變材料溫度近似不變,蓄熱速率受傳熱流體進(jìn)口溫度增加的影響,逐漸增加,但增加的趨勢不大;而文獻(xiàn)在恒定入口溫度下的相變蓄熱過程,相變蓄熱速率近似保持不變。然后,蓄熱過程再次進(jìn)入顯熱蓄熱階段,相變材料溫度升高,同時伴隨著太陽能輻射強(qiáng)度降低引起的傳熱流體溫度降低,傳熱溫差進(jìn)一步減小,造成蓄熱速率再次急劇降低。最后,由于太陽輻射強(qiáng)度減弱,傳熱流體溫度低于相變材料溫度,此時壁面熱流量為負(fù)值,意味著這個階段相變材料開始向傳熱流體放熱。另外,組合相變材料在相變蓄熱過程中的蓄熱速率明顯高于單一相變材料,再次證明了采用組合相變材料可以加快蓄熱速率,縮短相變蓄熱時間。圖7為總蓄熱量隨時間的變化關(guān)系,從圖7可看出,在前期的顯熱蓄熱階段,由于傳熱速率隨時間變化減小,造成總蓄熱量隨時間變化上升的趨勢逐漸減緩。到了潛熱蓄熱階段,由于受太陽輻射增強(qiáng)的影響,蓄熱速率緩慢增加,造成蓄熱量上升趨勢隨時間變化緩慢增加;后面的顯熱蓄熱階段,受到傳熱速率快速降低的影響,總蓄熱量的上升趨勢逐漸減緩,并達(dá)到一個最大值。之后,由于太陽輻射強(qiáng)度減弱,傳熱流體溫度低于相變材料溫度,相變材料開始向傳熱流體放熱,因此,總蓄熱量隨時間逐漸減小。且從圖7中可以看出,在前期的顯熱蓄熱過程,兩種方案下的蓄熱量基本一致;到了相變蓄熱階段,由于組合相變材料的蓄熱速率較快,因此其蓄熱量也比相同時刻單一相變材料的蓄熱量高;當(dāng)完成相變蓄熱后,進(jìn)行顯熱蓄熱時,由于PCM1的比熱容比PCM2大,因而采用單一PCM1時達(dá)到最高溫度的時間要長,即蓄熱量達(dá)到最大值所需時間延長,同時達(dá)到的最大蓄熱量也略高于采用兩級PCMs時的蓄熱量。從圖7中可以看出采用單一相變材料時在16∶00時達(dá)到最大值2.217MJ,而采用兩級相變材料時在15∶14時達(dá)到最大值2.128MJ。4相變材料組合對蓄熱性能的影響建立了槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)集熱和蓄熱一體化的耦合模型,開發(fā)1-2維的混合數(shù)值模擬程序,通過將模擬結(jié)果和文獻(xiàn)結(jié)果對比,驗(yàn)證了模型的可靠性。并基于西安當(dāng)?shù)貙?shí)測的太陽能輻射數(shù)據(jù)計(jì)算了槽式集熱器出口溫度一天中的變化規(guī)律;然后以此非穩(wěn)態(tài)溫度作為蓄熱單元的入口溫度值,采用焓方法,模擬了蓄熱單元一天中的蓄熱性能變化規(guī)律。本文工況下的研究結(jié)果表明:1)采用單一相變材料蓄熱時,在14∶18相變材料完全熔化;采用2級相變材料蓄熱時,相變材料在13∶45時完全熔化。2)由于受到太陽輻射強(qiáng)度變化的影響,相變材料的儲熱速率呈現(xiàn)先減小、再增大,然后再次快速降低的變化規(guī)律;而且,在相變蓄熱過程中,2級相變材料的蓄熱速率明顯高于單一相變材料。3)相變材料的總蓄熱量存在一個最大值,采用單一相變材料時,總蓄熱量在16∶00時達(dá)到最大值,而采用2級組合相變材料時,總蓄熱量在15∶14時達(dá)到最大值,之后開始出現(xiàn)放熱過程。4)采用2級相變蓄熱能夠提高相變蓄熱速率,減小相變蓄熱時間。但是,相變材料的熔化溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、相變潛熱、比熱容等對相變蓄熱性能具有重要影響,在采用2級相變蓄熱時,選擇合適的相變材料組合,將是蓄熱性能整體優(yōu)化的一個重要方向。符號表c比熱容,J/(kg·K)D集熱器吸熱管或玻璃套管直徑,mf熔化分?jǐn)?shù)C槽式集熱器聚光比h對流傳