相變蓄熱技術+材料研究 解決效率偏低成本較高等問題

2021-01-10 索比光伏網

發表於:2018-07-05 09:30:25     作者:羅孝學 鄒長貞

來源:太陽能雜誌

太陽能輻射總量儘管很大,但其能流密度低,穩定性差,受時間、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制,以及氣候等隨機因素的影響。另外,太陽能利用裝置效率偏低,成本較高。本文針對太陽能相變蓄熱技術和相變蓄熱材料做了實驗研究,發現利用相變蓄熱技術能很好的解決這些問題。

1 相變蓄熱的特點

相變、熱傳導及對流是相變過程中常見的3 種物理現象,相變傳熱問題又稱為Stefan 問題。其中,對流主要發生在液態區域,導熱主要發生在固態區域,它們都比單一的熱傳導和熱對流要複雜得多。在相變過程中,固- 液兩相的分界面是移動的,在移動中將固- 液區域分開。相變潛熱伴隨著相變過程的吸收或放出,在加熱時吸收能量,在冷凝時放出能量,固- 液相分界面隨著時間的變化而變化,逐步移動,一直延續到相變過程的結束。有些移動分界面是非線性的,並且相變的起始及相變潛熱的吸收和放出可以決定移動界面的邊界條件[14-16]。

2 相變蓄熱的原理

相變材料蓄熱的過程分為顯熱蓄熱過程、潛熱蓄熱過程:相變材料在被加熱到相變溫度之前的過程為顯熱蓄熱的過程,當溫度達到相變溫度之後,相變材料就開始了潛熱蓄熱的過程。

2.1相變材料的總蓄熱量


式中,Q1 為顯熱蓄熱的熱量,kJ;T2–T1 為相變材料加熱前後的溫差,K;M 為相變材料的質量,kg;C 為相變材料的比熱容,kJ/(kg•K)。


式中,Q2 為潛熱蓄熱的熱量,kJ;m 為相變材料中發生相變那一部分的質量,kg;L 為相變潛熱,kJ/kg。


2.2相變蓄熱過程的數學模型討論

溫度法模型[17] 中的唯一變量就是溫度,分別在液相、固相和固- 液相界面之間建立其能量方程。


式中,下角標s、l 分別表示固相、液相;ρ為密度;k 為導熱係數;ks/l 為固液界面的導熱係數;v 為速度矢量;vΣ 為界面法向速度;S 為源項;Δhm 為相變材料的相變潛熱;t 為時間;α 為外部傳熱係數;T 為相變溫度;Tw 為外部參考溫度;Tf 為分界面溫度;n 為切向坐標;qw 為外部熱流密度。

2.3相變蓄熱的無因次化

在用數值方法求解相變問題時,方程變換採用無量綱方程進行求解可簡化需求解的方程,並更好地分析相變傳熱的各種影響因素。相變傳熱常用的無量綱量與普通熱傳導問題常用的無量綱量相似,其形式如下:


式中,l 是特徵長度,在圓柱坐標系中,l 為其特徵半徑;T0 是參考溫度,取邊界溫度;Tm為材料的相變溫度;Fo 為傅立葉數;αs 為熱擴散率;Stefan[18] 表示顯熱在整體中相對於潛熱的比例,當Stefan 數很小時,表明顯熱的變化影響很小,忽略顯熱求解。

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