鋁硅合金的傳熱性能及其在太陽(yáng)能熱發(fā)電中的應(yīng)用研究.pdf

1、我國(guó)聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)相對(duì)于國(guó)外還處于起步階段，儲(chǔ)能材料及其系統(tǒng)是聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，不同儲(chǔ)能材料的性能對(duì)聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率及成本都有重要的影響，也是實(shí)現(xiàn)全天候太陽(yáng)能熱發(fā)電的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外相變儲(chǔ)能方式在太陽(yáng)能熱發(fā)電中的研究，還處于實(shí)驗(yàn)室階段。目前可應(yīng)用于聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中作為熱流體或儲(chǔ)能材料的主要有熔鹽、導(dǎo)熱油、高溫混凝土、金屬合金等。各類(lèi)儲(chǔ)能材料有不同的缺點(diǎn)限制，但目前商業(yè)應(yīng)用于太陽(yáng)能熱發(fā)電的儲(chǔ)能材料，主

2、要采用顯熱方式。
　　與其他儲(chǔ)能材料相比，鋁硅合金具有潛熱大、性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)大、過(guò)冷度小等良好綜合性能，而目前國(guó)內(nèi)外尚缺乏鋁硅合金在聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用各類(lèi)數(shù)據(jù)，Al-Si合金的傳熱性能等大量的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題還沒(méi)有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)參考。對(duì)Al-Si合金在聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的探索研究，有利擴(kuò)寬聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電的儲(chǔ)能溫度，對(duì)提高發(fā)電效率降低成本等具有重要的意義。
　　本文以探索Al-Si合金儲(chǔ)能材料在太陽(yáng)能高溫聚光熱發(fā)電的

3、應(yīng)用為目的，以Al-Si合金儲(chǔ)能材料的傳熱性能為主線展開(kāi)研究。在此基礎(chǔ)上原創(chuàng)性地提出了一種新型熱管式太陽(yáng)能Al-Si合金儲(chǔ)能鍋爐。由于大量的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題沒(méi)有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)參考，因此先進(jìn)行了一個(gè)熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，選出綜合熱物理性能比較好的Al-Si合金，再進(jìn)行四個(gè)傳熱基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，著重以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究:1）Al-13％Si合金與高溫?zé)峁艿膫鳠嵫芯浚?）Al-13％Si合金與水的換熱研究，3）Al-13％Si合金與水蒸汽的換熱研究，4）高太陽(yáng)熱流密度

4、下接收器的熱效率研究。為Al-13％Si合金在聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)，并探索其在聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電中的應(yīng)用。
　　Al-Si合金和高溫?zé)峁軗Q熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Al-13％Si合金與高溫?zé)峁苤g的傳熱密度為54.4kJ/m2。并模擬了Al-13％Si合金與高溫?zé)峁軅鳠?，模擬了幾種不同的對(duì)流條件工況下的溫度分布變化過(guò)程，得出換熱系數(shù)為200W/(m2·k)空氣溫度為25℃的對(duì)流邊界條件來(lái)模擬熱損失時(shí)，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)實(shí)際

5、測(cè)試結(jié)果是比較吻合的。獲得不同的對(duì)流條件工況下溫度云圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為設(shè)計(jì)熱管式Al-13％Si合金儲(chǔ)能鍋爐提供依據(jù)。Al-13％Si合金和水的換熱的實(shí)驗(yàn)表明:Al-13％Si合金相變儲(chǔ)能材料的釋熱過(guò)程持續(xù)到40min時(shí)，Al-13％Si合金的溫度從相變點(diǎn)下降到150℃。在控制流速的變化下，進(jìn)出口水的溫差在40min內(nèi)從40℃變化到15℃。通過(guò)計(jì)算分析Al-13％Si合金相變儲(chǔ)能材料與水換熱的熱流密度在40min內(nèi)隨水速變化，從126kW/

6、m2到10kW/m2之間變化。三種工況的熱效率分別是77.8％，84.9％，83.4％。Al-13％Si合金和水蒸汽換熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Al-13％Si合金被加熱到620℃時(shí)，流速1.2g/s時(shí)，出口溫度最高428℃，變化下降也比較快。流速為0.8g/s時(shí)，出口溫度最高439℃。流速為0.4g/s時(shí)，出口溫度最高442℃。換熱準(zhǔn)則式Nuf=6.1972 Re0.2992 Pr0.4（其中Pr范圍為0.93-0.96,Re大于2300，l

7、/di大于60）。同時(shí)模擬了Al-13％Si合金和水蒸汽的換熱，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合，還對(duì)Al-13％Si合金在空腔式接收器中的熔化過(guò)程模擬和接收器的熱應(yīng)力模擬計(jì)算。通過(guò)高太陽(yáng)能熱流密度下接收器的熱效率研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在太陽(yáng)直射輻照度0-600W/m2之間時(shí)，平均有效熱效率為44.22％。用最小二乘法回歸整理出接收器的非穩(wěn)態(tài)效率方程式ηc=0.64269-22.1061tm-ta.Ga。最后根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)太陽(yáng)能儲(chǔ)能鍋爐

8、進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括碟式聚光器的功率分析、儲(chǔ)熱體的能量及Al-Si合金重量的確定、熱設(shè)計(jì)及水動(dòng)力計(jì)算、鍋筒的強(qiáng)度計(jì)算。并進(jìn)行該鍋爐的壓強(qiáng)校合，獲得鍋爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
　　本文的研究?jī)?nèi)容是熱管式太陽(yáng)能儲(chǔ)熱鍋爐的一些前期基礎(chǔ)工作，最主要?jiǎng)?chuàng)新為:提出并設(shè)計(jì)利用相變儲(chǔ)能材料Al-Si合金，應(yīng)用于一種結(jié)構(gòu)緊湊和同時(shí)能吸熱儲(chǔ)熱的太陽(yáng)能儲(chǔ)能鍋爐。該儲(chǔ)熱鍋爐采用熔點(diǎn)在550～600℃之間的金屬作為相變儲(chǔ)熱材料，能被加熱到650℃，有利于拓寬太陽(yáng)能熱發(fā)