基于KAl（SO4）2·12H2O的相变电暖模块蓄放热性能研究

作     者：翟璐开 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张甜甜

授予年度：2023年

学科分类：080702[工学-热能工程] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：建筑供暖 风光发电系统 相变电暖模块 十二水硫酸钾铝 蓄放热性能 

摘      要：随着我国风力和光伏发电项目的不断发展，我国的能源结构逐渐从传统化石能源向可再生清洁能源转变。然而，由于风力、光伏发电具有间歇性、不稳定性，而生产生活的用电多集中于某些特定时段，易产生电力负荷供需不平衡、弃电量严重等问题。相变储能技术是调峰电力系统、减少弃电量的有效手段，将相变储能与供暖系统结合，可在满足室内热舒适度的同时，消纳用电低谷期风光发电系统的多余电力负荷，平衡电量供求关系。 其次设计了一种相变电暖模块，该模块包含相变填充材料、PTC电热管和封装壳体三部分，通过实验分别研究了EG含量、PTC电热管发热功率和不同壳体尺寸对模块蓄放热性能的影响。研究发现5%EG含量模块的整体蓄放热性能要优于10%EG模块;在100—200W范围内调节PTC电热管功率主要影响模块蓄热时长，对其有效放热时长影响不大，当模块功率以75W和50W进行蓄热时，填充材料无法完成相变储能过程;进行模块尺寸调节时，应注意PTC电热管与壳体表面传热间距对模块蓄放热过程的影响。 本课题首先根据储能供暖装置蓄放热需求选择KAl(SO4)2·12H2O作为主体相变材料，并通过添加成核剂MgCl2·6H2O以解决KAl(SO4)2·12H2O过冷问题，利用膨胀石墨(EG)增强KAl(SO4)2·12H2O导热能力。基于优选法设计实验流程，实验测试不同配比方案复合相变材料的过冷度、热导率、潜热值、熔点和密度参数，对参数进行归一化处理以计算不同成核剂方案的权重系数，经比对选用添加比例7%的MgCl2·6H2O;结合EG试样的潜热值与密度综合分析，发现EG的过量添加会极大影响复合相变材料单位体积的有效潜热值，根据所应用储能供暖装置的传热层厚度，选用质量分数5%和10%EG方案作为后续储能装置的相变填充材料。 然后采用模拟方法研究相变电暖模块的蓄放热性能，建立模块几何结构模型，并基于简化假设对模块的蓄放热过程构建了焓法数学模型。在模块非结构化网格划分后，根据实测值设定模拟参数，经对比模拟结果与实验数据验证模型的准确性;但从模拟后处理的温度云图和液相占比云图得出，模块蓄热阶段边角和底部部位的填充材料无法有效相变熔融。 最后对相变电暖模块进行结构优化，优化后模块各部位的蓄放热效果良好，其有效蓄放热时长与实验模块相差不大。在优化模块基础上，模拟研究不同高度对模块蓄放热性能的影响，发现调节单个尺度变量仅能影响模块蓄热时长，对其有效放热时长影响不大。以优化模块为原型进行调整，通过结构设计延长了模块的有效蓄放热时间，该模块的蓄热时长为8.12h，30℃以上有效放热时间为15.34h，满足峰谷用电需求，符合峰谷电价夜间储热8小时白天放热16小时的运行规律。