太阳能热发电系统中高温相变蓄热器蓄热性能研究

摘要

随着经济社会的不断发展，能源的供需问题已逐渐成为全世界共同关注的问题。太阳能作为一种可再生的清洁能源，以其存在的广泛性和储量的巨大性而越来越受到社会的重视。但是太阳能也存在着不连续及能源密度低等缺陷，从而制约了太阳能的利用。因此，需要设计高效可靠的蓄热装置，以提高太阳能的能源利用率。本文研究的主要内容是为太阳能热发电系统设计更高效、更合理的高温蓄热系统。
　　相变蓄热技术以蓄热密度大、相变过程温度稳定、过程易控制等优点已成为应用最为广泛的一种蓄热技术。本文设计了一种采用相变蓄热技术并应用于太阳能热发电系统中的高温相变蓄热装置，并利用FLUENT软件对相变蓄热装置的热性能进行了模拟研究。首先，从常见的高温相变材料中进行筛选，选取铝硅合金作为相变材料。然后，利用GAMBIT和FLUENT软件建立了高温相变蓄热器的物理模型和数学模型，并对其进行了数值模拟。充分了解了蓄热过程中PCM温度和液相率随时间的变化情况，得到了蓄热器蓄热性能与传热流体初始条件、蓄热体结构尺寸及PCM熔点等的变化关系，并在热空气923K、10m/s的初始条件下，根据蓄热体尺寸和PCM熔点变化时对蓄热器蓄热性能影响的研究结果，对常规相变蓄热器进行了优化设计并做了数值计算。设计了蓄热体变管径排布式和PCM级联式两种不同类型的高温相变蓄热器，并利用FLUENT软件分别对这两种设计做了模拟。通过对比分析得出，蓄热体变管径排布和PCM级联两种情况均不同程度的减小了蓄热总时间，降低了熔化末期“死区”对蓄热的影响，提高了整体的蓄热性能，具有良好的实际应用性。
　　本文对太阳能热热发电系统中高温相变蓄热器的模拟研究及优化设计，为相变蓄热装置在太阳能热发电系统中的应用以及蓄热装置的进一步优化提供了参考依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 太阳能热发电系统的研究现状

1．2．1 槽式太阳能热发电系统的发展现状及主要问题

1．2．2 塔式太阳能热发电系统的发展现状及主要问题

1．2．3 碟式太阳能热发电系统的发展现状及主要问题

1．3 太阳能热发电中的蓄热技术及研究现状

1．3．1 太阳能热发电中的蓄热技术

1．3．2 太阳能高温相变蓄热技术的国内外研究现状

1．3．3 高温相变蓄热器的研究现状

1．3．3 蓄热系统传热性能的研究

1．4 本文的主要研究内容

第2章 相变材料的选择

2．1 相变蓄热理论

2．2 相变材料的选择

2．2．1 相变材料的分类

2．2．2 相变材料的选择原则

2．2．3 相变材料的选用

2．3 本章小结

第3章 蓄热器模型的建立

3．1 相变传热的数学模型

3．1．1 温度法模型

3．1．2 焓法模型

3．2 相变传热问题的求解

3．2．1 解析法分析

3．2．2 数值求解方法

3．2．3 数值求解步骤

3．3 FLUENT中熔化／疑固模型基本知识

3．4 物理模型的建立

3．5 边界条件及参数的设置

3．5．1 网格文件的读取与检查

3．5．2 变更尺寸单位

3．5．3 求解器的设置

3．5．4 材料属性的定义

3．5．5 操作条件的设置

3．5．6 边界条件的设置

3．5．7 求解器控制参数的设置

3．5．8 监视器设置

3．5．9 初始化及时间步长设置

3．6 本章小结

第4章 高温蓄热器蓄热过程模拟及分析

4．1 网格无关性验证

4．2 PCM区温度场及液相率分布随时间的变化

4．3 进口温度对蓄热过程的影响

4．4 进口流速对蓄热过程的影响

4．5 蓄热体尺寸对传热性能的影响

4．6 相变材料熔点对传热性能的影响

4．7 本草小结

第5章 蓄热器的优化设计及模型结果分析

5．1 蓄热体管径优化设计的物理模型

5．2 变管径蓄热器的模拟结果与对比分析

5．2．1 两种结构下PCM区温度随时间的变化

5．2．2 两种结构下PCM区液相率随时间的变化

5．2．3 两种结构下PCM区液相率分布情况

5．2．4 两种结构下热空气的流场分布情况

5．3 相变材料级联分布时物理模型

5．4 PCM级联蓄热器的模拟结果与对比分析

5．4．1 PCM区温度随时间的变化

5．4．2 PCM区液相率随时间的变化

5．4．3 PCM区液相率分布情况

5．5 本草小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢