【摘 要】
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能源是人类社会发展的基础,社会的能源需求也与日俱增,开发绿色清洁的太阳能等可再生能源,成为了当下研究的热点问题。但是太阳能的利用方面存在一定的局限性,如能量供给与需求的时间不匹配,提高太阳能的利用率显得尤为重要。相变储热技术可以有效解决太阳能能量密度低、能量分布不均以及间歇性等问题,实现了太阳能的有效储存与利用。本文利用相变材料(PCM)与电控相变技术相结合,实现了相变储热技术在太阳能热泵热水系统
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能源是人类社会发展的基础,社会的能源需求也与日俱增,开发绿色清洁的太阳能等可再生能源,成为了当下研究的热点问题。但是太阳能的利用方面存在一定的局限性,如能量供给与需求的时间不匹配,提高太阳能的利用率显得尤为重要。相变储热技术可以有效解决太阳能能量密度低、能量分布不均以及间歇性等问题,实现了太阳能的有效储存与利用。本文利用相变材料(PCM)与电控相变技术相结合,实现了相变储热技术在太阳能热泵热水系统中的应用。主要分为三个部分:通过对三水合乙酸钠(SAT)的改性研究,研发了适用于工程系统的电控复合相变材料;采用实验与数值模拟方法研究了不同电控复合相变材料在单管组件中的放热过程性能,为系统实验提供指导;对电控相变型太阳能热泵热水系统进行测试与研究。首先是相变材料的制备及其改性研究。实验表明:通过向SAT中添加去离子水与羧甲基纤维素(CMC),制备了55%SAT+1%CMC复合相变材料,能够使相变材料稳定过冷与电控触发,实现热量的长时间低温储存。泡沫铜与膨胀石墨能够与过冷相变材料稳定复合,当泡沫铜(孔隙率为0.9)孔隙密度≤40 PPI(平均孔径≥0.635 mm)、膨胀石墨质量分数≤7%时,添加泡沫铜和膨胀石墨不会影响复合相变材料的稳定性与电控性。泡沫铜孔隙密度与膨胀石墨质量分数越大,复合相变材料的导热系数越大,最大提升率分别为56.6%与91.5%。其次是组件级别的相变储热管研究。建立了电控相变单管组件的实验模型与数值模型,探究了不同电控复合相变材料在组件中的放热规律。结果表明:泡沫铜基与膨胀石墨基复合相变材料相比于纯55%SAT+1%CMC相变材料,其热质传递效率明显提升,完成放热过程所需时间分别大幅降低19.2%和23.1%。最后是相变型太阳能热泵热水系统的研究。设计并搭建了电控相变型太阳能热泵热水系统,对其进行性能测试,探究了不同操作工况对系统性能的影响。热水系统主要由集热模块与储热模块组成。实验结果表明:电控相变型太阳能热泵热水系统的蓄热过程工作时间为9:00~16:30,此期间太阳能的利用率为71%,系统COP为5.68;放热过程工作时间为18:00~20:30,此期间热水功率为6.64 k W。进一步探究流量对电控相变蓄热器的COP与热水平均功率的影响,实验结果表明:蓄热过程中,系统COP随着循环水流量的增大而增大;在放热过程中,热水功率随着出口流量的增大而增大。
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