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太阳能中温相变储热器热损失的研究

刘俊峰  
【摘要】:太阳能光热利用是新能源中应用前景最为广泛的一种,目前制约太阳能光热发展的关键因素之一就是成本,如何降低系统成本一直是人们重点关注的问题。相变储热设备能够有效解决太阳能在时间和空间上不匹配的矛盾,是系统中的关键设备之一,也是系统产品化的重要环节。随着储存热源温度的提高,储热器热损失问题越来越不容忽视,但是人们在设计时往往按照普通传热公式进行计算,在一定程度上会造成保温材料的浪费,增加太阳能光热系统的成本。 为降低太阳能热利用成本,推广系统产品化,本文对太阳能中温相变储热器热损失进行了实验分析和数值模拟研究。 首先,模拟太阳能相变储热器工作原理,搭建储热实验平台,对储热器在储热和非工作状态下的热损失进行实验研究,实验结果表明:相变储热器在蓄热和非工作状态都有较为明显的相变吸热/放热现象;储热器上表面热损失较为严重,换热器起到了加速散热的作用。 其次,在实验的基础上修正参数,建立三维热分析模型,同实验结果做了对比,验证了模型的准确性,通过分析,得到热损失系数K和修正系数u,对储热器热损失理论计算公式进行了修正,并分析了储热器稳态和非稳态散热时温度、液态率、热流密度等的变化规律;得到了热损失系数和熔盐温度以及上部热损失和换热器管径、保温层厚度的关系。同时,进一步研究了储热器形状、保温材料、保温层厚度、环境因素以及储热器容积对热损失的影响规律,得到热损失同以上因素的关系,表明大型储热器能够提高储热效率,降低系统成本。 最后,在以上实验和模拟研究的基础上,提出一种新型的储热形式-大型埋地储热器,建立数学和物理模型,对储热器温度场以及热损失影响因素进行模拟分析,结果表明:相比地面上的储热器而言,在冬季时,埋地储热器减小侧面和底面热损失比例最大能达到19.1%。大型埋地储热器为提高热能利用效率提供了一种新的思路,对太阳能的推广应用具有一定参考价值。


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