相变储能系统的中高温储热应用研究

作     者：黄圣尧 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周昊

授予年度：2024年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：潜热储能技术 相变材料 中高温热能存储 系统热力特性 

摘      要：全球各国的快速发展引发了能源需求的显著增长,而化石燃料的广泛使用不仅造成了严重的环境污染,也挑战了不可再生能源的可靠性。因此,为了应对能源需求的增长同时显著降低碳排放,迫切需要将可再生能源作为替代能源,推动能源结构从传统向新能源转型。中国的能源结构优化进程中,非化石能源的装机容量已经超过煤电,其中风能和太阳能因其资源丰富和成本低廉而被视为最有潜力的新能源,是实现未来能源转型的关键。然而,新能源的间歇性特性对能源供需平衡构成挑战。为解决这一问题,保证能源的灵活调节和持续供应,避免能源使用过程中的“弃风弃光现象,开发新能源系统需要规划相应的系统配套措施,如储能储热系统,以提高能源系统的稳定性和经济性。在储能技术方面,潜热储热技术因其高储热密度和较小的温度波动范围,适用于多种场景,是一项有前景的技术。但目前的研究主要集中在低温条件下的数值模拟,中高温条件下的综合性实验研究较少,因此限制了这项技术的发展。此外,潜热储能过程中的传热机理和热力特性也未得到充分研究。本研究通过搭建装有可视化窗口的U型浮动管壳式换热器,研究了系统的热性能,并进一步探讨了不同操作参数、结构设计和材料组成下的热力特性,验证了系统的可靠性。首先,对搭建的潜热储能小试系统进行定温定流量的循环实验研究。系统使用导热油作为传热介质,采用二元硝酸盐(太阳盐)作为中高温的储热介质,换热管上安装有螺旋型翅片管以提高换热效率。研究结果表明,该潜热储能系统能在90分钟内完成44.5兆焦的热量存储,并在50分钟内输出33.6兆焦的热量,系统循环效率达到52.9%。在储热过程中,随着相变材料的熔化,自然对流逐渐取代热传导成为主要传热机理,换热器内出现上高下低的温度分层现象。接着,研究着重于储、放热温度(传热介质进口温度)对系统的影响。通过采用相同的起始/中止条件进行定量分析,发现较高的储热和较低的放热温度能够提高系统的传热效率,使总循环时间缩短,但会同时增强换热器内部的温度不均匀性,导致更多的热损失,从而降低系统循环效率并影响系统的能量输出,将储热温度从270提高至290℃后,系统的循环效率从61.2%降低至52.9%。研究还关注了传热介质流量对系统的影响,并考察了温度与流量的相互作用情况。结果显示,在相同温度条件下,随着传热流量的减小,系统的循环时间延长,尤其在放热过程中更为明显,在储热温度295℃,放热温度175℃的条件下,将传热介质的流速从35升每分钟减小到15升每分钟,会延长11.9%储热时间,23.0%的放热时间。在系统热力特性方面,小流量工况下系统的瞬时功率更稳定,能量输出波动较小,当传热介质流速分别为15、25和35升每分钟时,系统的平均储热功率分别为12.97、12.67和9.27千瓦,系统的平均放热功率分别为8.74、7.50和6.08千瓦。此外,流量对系统的影响会受到传热介质进口温度的干扰。采用较高的储热温度可以增强大流量对缩短系统完全熔化时间的效果,但在放热过程中,采用较低的放热温度会弱化这一效果。此外,较低的储、放热温度可以强化小流量对潜热储能系统循环效率的正向影响。然后,针对换热器的结构对系统的影响进行研究,提出改变换热管的朝向以减小换热器内温度不均匀现象。研究显示,竖直朝向的结构能够通过改变传热介质的流动方向减小换热器内上下层温差,同时减小了高温区的热损失,带来更好的循环效率,相同进口参数下可以将系统的循环效率由52.9%提高至57.6%。数据结果显示,在竖直结构换热管系统中,储热阶段受到传热介质进口参数的影响得到大,而系统的循环效率基本不受影响。最后,在竖直结构换热管系统中,使用高温高压的过热蒸汽替代导热油作为传热介质,以提高系统的场景兼容性。研究首先验证了蒸汽换热系统的循环性,在相同进口参数下,蒸汽换热系统与导热油换热系统的循环时间仅有略微差异,而蒸汽系统能获得更稳定的功率输出。研究结果表明,使用蒸汽作为传热介质时,能够根据不同场景需求采用更宽泛的工作温度选择。使用450℃进行储热时,相较于300℃,完成相同储热量的系统储热时间缩短了77.8%,而在相同时间内系统累计能量增长率为105%。