【摘 要】
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日益严峻的能源短缺和环境污染问题促进了可再生能源的发展,太阳能的开发利用也受到了越来越多的关注。直通式太阳能真空集热管是槽式和菲涅尔式太阳能光热发电系统的核心部件,对整个发电系统的运行具有重要意义。本文以直通式太阳能真空集热管为研究对象,基于相变储热原理,以Solar Salt熔盐为相变材料,提出一种兼具集热和储热功能的新型直通式太阳能真空集热管。首先,以分析纯级别的Na NO3和KNO3为原料制
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日益严峻的能源短缺和环境污染问题促进了可再生能源的发展,太阳能的开发利用也受到了越来越多的关注。直通式太阳能真空集热管是槽式和菲涅尔式太阳能光热发电系统的核心部件,对整个发电系统的运行具有重要意义。本文以直通式太阳能真空集热管为研究对象,基于相变储热原理,以Solar Salt熔盐为相变材料,提出一种兼具集热和储热功能的新型直通式太阳能真空集热管。首先,以分析纯级别的Na NO3和KNO3为原料制备高纯度Solar Salt熔盐,然后借助基于程序控制模拟太阳辐射功率的实验系统和COMSOL Multiphysics数值模拟软件,研究添加相变材料、肋片对集热管温度场发展、储热性能等热力特性的影响,探究肋片最优设置参数及应用。各部分主要工作及结论如下:通过同步热分析仪测试出Solar Salt熔盐的相变温度为213.6℃,相变潜热为119.66k J/kg,热分解温度为551.86℃;Solar Salt熔盐在400～600℃的恒温条件下循环相变10次后发现,材料在400℃、500℃和600℃下的质量损失率分别是0.24%、1.01%和7.95%,最高使用温度为550℃,最佳使用温度为500℃以下。对比添加和未添加相变材料的集热管在不同太阳辐射功率、换热工质流速和季节下的温度场发现:100～400 W/m~2太阳辐射功率下连续加热1小时后,未添加相变材料的换热工质温度比添加相变材料的情况高142.75～421.1℃,而在4个小时的无功率放热阶段,78.3～87.9%的时间内添加相变材料的换热工质温度更高;在0.5～3m/s的换热工质流速下发现:添加相变材料会影响集热管温度场的径向分布均匀性,但轴向分布均匀性仅与换热工质流速有关;在不同季节,当集热管处于连续辐射和热量提取状态下,中午辐射最强时刻,添加相变材料的换热工质温度比未添加相变材料的情况高63.7～72.4°C,且此后辐射功率变小后的很长时间,两者之间温差在加大,添加相变材料更有利于创造中高温环境。最后经过能量分析发现,添加相变材料的集热管在不同季节下的日能量效率为32.51%-38.06%。对肋片的研究发现:添加肋片增强了集热管温度场径向分布均匀性,但破坏了轴向分布均匀性;同时添加肋片延缓了相变材料发生相变的起始时间,但缩短了完成相变的时间;在矩形直肋、圆形环肋和梯形环肋三种形状肋片中,矩形直肋对集热管温度场径向分布均匀性和径向传热性能的强化效果最优,对轴向分布均匀性破坏最小,但相变材料的相变起始时间比其他两种形状肋片晚。在肋片数量2-8个、厚度1-3mm,高度5-20mm的研究工况中,添加4个厚1mm、高20mm的肋片时,集热管内相变材料、换热工质温度以及储热量最优。对添加最优设置参数肋片的集热管在0.5～3m/s换热工质流速的应用探究发现:0.5m/s流速适用于对温度要求高但对温度场均匀性要求不高或集热管作为主要储热手段和辅助供热的场合;1.5m/s流速适用于温度场均匀性要求高又需要一定温度的场合或集热管储热和供热功能同等重要的场合;3m/s流速适用于集热管以供热为主储热为辅的场合。
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