太陽(yáng)能熱發(fā)電蓄熱材料的選擇計(jì)算

于秀艷

(中國(guó)華電工程(集團(tuán))有限公司，北京 100035)

0 引言

太陽(yáng)能光熱發(fā)電由于采用了蓄熱器進(jìn)行儲(chǔ)熱，使整體發(fā)電效率高于光伏發(fā)電，因此，近幾年引起了世界各國(guó)的高度重視并進(jìn)行了相關(guān)開(kāi)發(fā)。

設(shè)計(jì)蓄熱器的目的是將白天接收來(lái)的太陽(yáng)能以某種形式先儲(chǔ)存起來(lái)，到了夜間或陰天光照不足時(shí)再釋放出來(lái)，按需要進(jìn)行發(fā)電。利用儲(chǔ)熱技術(shù)，一方面可以起到“削峰填谷”穩(wěn)定電網(wǎng)負(fù)荷的作用，另一方面還能大大減少系統(tǒng)頻繁啟、停過(guò)程中疏水導(dǎo)致的能量損耗，起到提高能源利用率的作用;更重要的是，它使利用不連續(xù)的太陽(yáng)能提供連續(xù)的電能成為可能。

碟式發(fā)電和部分塔式發(fā)電裝置采用空氣作為載熱介質(zhì)，因此，這2種太陽(yáng)能熱發(fā)電的蓄熱方式也非常相似，蓄熱材料的選擇也具有相通性。

1 可供選擇的蓄熱材料種類(lèi)

目前，通過(guò)對(duì)大量固態(tài)及非固態(tài)材料進(jìn)行初步分析和篩選，選出陶瓷球和蜂窩陶瓷2種材料作為以空氣為載熱介質(zhì)的太陽(yáng)能熱發(fā)電蓄熱的備選材料。

1.1 陶瓷球

在以往的鋼鐵行業(yè)中，蓄熱器使用的蓄熱材料多為氧化鋁陶瓷球，它具有蓄熱量大、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有比表面積小、蓄放熱速率慢的缺點(diǎn)。陶瓷球?qū)嵨飯D如圖1所示。

圖1 陶瓷球?qū)嵨飯D

1.2 蜂窩陶瓷

蜂窩陶瓷是一種多孔性的工業(yè)用陶瓷，內(nèi)部造型是許多貫通的平行通道。由于其管壁薄、孔距小，與一般的塊狀陶瓷相比，蜂窩陶瓷的質(zhì)量小、比表面積大、熱交換面積大、傳熱能力強(qiáng)，能在短時(shí)間內(nèi)積蓄和釋放大量的熱量;透熱深度小，容易達(dá)到熱飽和狀態(tài)，有利于發(fā)揮蓄熱體的蓄熱作用，熱效高。由于其貫通的平行通道，氣流阻力比陶瓷球小很多，使用過(guò)程中壓力損失小且堆積穩(wěn)定性較好。但蜂窩陶瓷蓄熱密度較陶瓷球小，耐壓強(qiáng)度相對(duì)較低。蜂窩陶瓷實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 蜂窩陶瓷實(shí)物圖

2 選擇蓄熱材料的相關(guān)計(jì)算及分析

進(jìn)行蓄熱材料選擇的相關(guān)計(jì)算，目的是通過(guò)對(duì)不同材料進(jìn)行計(jì)算、分析和對(duì)比，找出一種最合適的材料作為蓄熱材料。

根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)公式可知，當(dāng)蓄熱器的最高工作溫度及環(huán)境溫度確定后，蓄熱器所用的蓄熱材料量?jī)H取決于材料的比熱容及密度的大小，比熱容及密度越大，材料價(jià)格越低，對(duì)降低總造價(jià)越有利。

要進(jìn)行蓄熱材料的計(jì)算，需選擇形狀比較規(guī)則的材料。下面對(duì)表面光滑的陶瓷球和蜂窩陶瓷2種材料進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，確定蓄熱材料的類(lèi)型。

在蓄熱器實(shí)際蓄熱和放熱過(guò)程中，各物性參數(shù)是隨著溫度的變化而變化的，并非定值，但因該計(jì)算僅是為了做不同材料的對(duì)比計(jì)算，故在計(jì)算中采用了各物性的平均值作為原始取值。

2.1 陶瓷球蓄熱器的計(jì)算及分析

2.1.1 設(shè)定條件

(1)假設(shè)蓄熱器的總?cè)萘繛?8 MW·h，可24 h連續(xù)運(yùn)行。

(2)假設(shè)蓄熱器不能放出的死區(qū)能量為總?cè)萘康?5%。

(3)假設(shè)蓄熱器的每天散熱量為總?cè)萘康?%。

(4)假設(shè)蓄熱材料為陶瓷球，直徑為10 mm。

(5)假設(shè)環(huán)境溫度為10℃。

2.1.2 計(jì)算說(shuō)明

該設(shè)計(jì)計(jì)算的思路是:選取陶瓷球作為蓄熱球，計(jì)算出蓄熱器的蓄熱/放熱時(shí)間、對(duì)流換熱時(shí)間、導(dǎo)熱換熱時(shí)間及蓄熱器阻力。

蓄熱球在蓄熱器橫截面上有2種極限排列方式:正方形點(diǎn)陣排列方式(如圖3所示)及插空錯(cuò)列排列方式(如圖4所示)。實(shí)際的蓄熱球排列應(yīng)介于此2種排列方式之間，因此，計(jì)算結(jié)果也應(yīng)介于2種排列方式的計(jì)算結(jié)果之間。

2.1.3 陶瓷球蓄熱器計(jì)算結(jié)果

蓄熱球的相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，蓄熱器的相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，蓄熱器中空氣吸熱及放熱的相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，蓄熱器對(duì)流換熱相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，蓄熱器導(dǎo)熱相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，蓄熱器阻力相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

2.1.4 陶瓷球蓄熱器計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下:

(1)按18 MW·h的總蓄熱量進(jìn)行設(shè)計(jì)的蓄熱器，當(dāng)蓄熱材料為陶瓷球，材料最高溫度為850℃，環(huán)境溫度為10℃時(shí)，熱量蓄滿(mǎn)所需的蓄熱材料用量為79.2 t。當(dāng)采用陶瓷球的直徑為10 mm，截面尺寸為1.1 m ×2.2 m 時(shí)，蓄熱器長(zhǎng)度為 16.92 ～19.54 m。

(2)按18 MW·h的總蓄熱量進(jìn)行設(shè)計(jì)的蓄熱器，當(dāng)空氣流量為1 906×2 m3/h，最高溫度為850℃，環(huán)境溫度為10℃時(shí)，蓄熱器理論上充滿(mǎn)時(shí)間為14.7 h。按假設(shè)死區(qū)能量為總?cè)萘康?5%，且蓄熱器的每天散熱量為總?cè)萘康?%來(lái)計(jì)算，放熱時(shí)空氣流量為1 906 m3/h，蓄熱器理論上的放熱時(shí)間為24.5 h。

(3)當(dāng)蓄熱器結(jié)構(gòu)按上述進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，蓄熱器蓄滿(mǎn)18 MW·h的熱量需對(duì)流換熱時(shí)間為0.25～0.46 h。

(4)當(dāng)蓄熱器結(jié)構(gòu)按上述進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，蓄熱器

表1 蓄熱球的相關(guān)計(jì)算結(jié)果

表2 蓄熱器的相關(guān)計(jì)算結(jié)果

表3 蓄熱器中空氣吸熱及放熱的相關(guān)計(jì)算結(jié)果

表4 蓄熱器對(duì)流換熱相關(guān)計(jì)算結(jié)果

表5 蓄熱器導(dǎo)熱相關(guān)計(jì)算結(jié)果

表6 蓄熱器阻力相關(guān)計(jì)算結(jié)果

蓄滿(mǎn)18 MW·h的熱量需導(dǎo)熱換熱時(shí)間為2.26～4.17 h。

(5)從阻力計(jì)算的結(jié)果看，采用陶瓷球作為蓄熱材料，蓄熱器的阻力非常大(3.0～5.2 MPa)，這個(gè)壓力等級(jí)將無(wú)法選到合適的風(fēng)機(jī)。

2.2 蜂窩陶瓷蓄熱器的計(jì)算及分析

2.2.1 設(shè)定條件

(1)假設(shè)蓄熱器的總?cè)萘繛?8 MW·h，可24 h連續(xù)運(yùn)行。

(2)假設(shè)蓄熱器不能放出的死區(qū)能量為總?cè)萘康?5%。

(3)假設(shè)蓄熱器每天的散熱量為總?cè)萘康?%。

(4)假定蜂窩陶瓷的孔為3 mm×3 mm的方孔，肋厚為 1.3 mm。

(5)假設(shè)環(huán)境溫度為10℃。

2.2.2 計(jì)算的目的及思路

(1)用選定的蜂窩陶瓷作為蓄熱材料，按照蓄熱量的需要，選定合適的蓄熱器尺寸，即蓄熱器的橫截面邊長(zhǎng)及長(zhǎng)度，并求出蓄熱材料的用量。

(2)根據(jù)太陽(yáng)能集熱轉(zhuǎn)換器所能提供的熱空氣量及正常運(yùn)行時(shí)鍋爐的額定輸入空氣量分別計(jì)算出蓄熱器的蓄熱和放熱時(shí)間。

(3)計(jì)算蓄熱器對(duì)流換熱時(shí)間及蓄熱材料導(dǎo)熱換熱時(shí)間，與蓄熱、放熱時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，找出它們之間的關(guān)系，核算所選擇蓄熱材料及設(shè)計(jì)蓄熱器的尺寸是否滿(mǎn)足蓄熱放熱要求(所設(shè)計(jì)的蓄熱器，其對(duì)流換熱時(shí)間和導(dǎo)熱換熱時(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)小于同樣條件下空氣的理論蓄熱、放熱時(shí)間)。

(4)計(jì)算蓄熱器阻力，將工作狀態(tài)時(shí)的空氣流量及阻力損失作為風(fēng)機(jī)選擇的依據(jù)。

2.2.3 蜂窩陶瓷蓄熱器計(jì)算結(jié)果

蜂窩陶瓷的相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7，蓄熱體的相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8，蓄熱器中空氣吸熱及放熱的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9，蓄熱器的對(duì)流換熱計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10，蓄熱器的導(dǎo)熱計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表11，蓄熱器的阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表12。

表7 蜂窩陶瓷的相關(guān)計(jì)算結(jié)果

表8 蓄熱體的相關(guān)計(jì)算結(jié)果

表9 蓄熱器中空氣吸熱及放熱的計(jì)算結(jié)果

表10 蓄熱器對(duì)流換熱計(jì)算結(jié)果

表11 蓄熱器的導(dǎo)熱計(jì)算結(jié)果

2.3 蜂窩陶瓷蓄熱器計(jì)算結(jié)果分析

(1)蓄熱器的設(shè)計(jì)尺寸及蓄熱材料用量。按18 MW·h的總蓄熱量進(jìn)行設(shè)計(jì)的蓄熱器，其內(nèi)截面為2.2m ×1.1m、長(zhǎng)度為22.8m。蓄熱材料的總用量為76.82 t。

表12 蓄熱器的阻力計(jì)算結(jié)果(蓄熱過(guò)程)

(2)充滿(mǎn)18 MW·h的熱量所需要的時(shí)間。蓄熱器啟動(dòng)時(shí)，空氣總流量為3 812 m3/h，假設(shè)熱空氣溫度為850℃，環(huán)境溫度為10℃時(shí)，蓄熱器理論上充滿(mǎn)18 MW·h的熱量所需要的時(shí)間為14.7 h。

(3)額定工況下理論上可放熱時(shí)間。按假設(shè)死區(qū)能量占總?cè)萘康?5%，蓄熱器每天的散熱量為總?cè)萘康?%來(lái)計(jì)算，蓄熱器在額定工況下理論可放熱時(shí)間為 24.5 h。

(4)對(duì)流換熱時(shí)間較短，能夠滿(mǎn)足蓄熱放熱要求。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的蜂窩陶瓷式蓄熱器對(duì)流換熱所需要的時(shí)間很短，按充滿(mǎn)18MW·h的熱量來(lái)計(jì)算，所用時(shí)間為0.258 26 h，占理論蓄熱時(shí)間的比例很小，僅為其0.017 6倍，這說(shuō)明在蓄熱時(shí)進(jìn)入蓄熱器的空氣所攜帶的熱量能在瞬間快速地被蓄熱器吸收。這將有利于蓄熱器的快速蓄熱、放熱，從而使實(shí)際的蓄熱器溫度－長(zhǎng)度(位置)變化曲線(xiàn)更接近理想趨勢(shì)(如圖5所示)。

圖5 理想的蓄熱器溫度-長(zhǎng)度(位置)變化趨勢(shì)曲線(xiàn)

此結(jié)論也可以從表13的計(jì)算結(jié)果得以證明。表13數(shù)據(jù)說(shuō)明:額定工況時(shí)，空氣流過(guò)蓄熱器全長(zhǎng)所需時(shí)間為9.760 s，而空氣帶進(jìn)的熱量在流過(guò)蓄熱器時(shí)，僅在0.172 s的時(shí)間內(nèi)就能被蓄熱材料完全吸收。也就是說(shuō)，當(dāng)熱空氣流出蓄熱器之前，就已將所攜帶的熱量通過(guò)熱交換的方式完全傳遞給了蓄熱材料，當(dāng)其流出蓄熱器時(shí)，溫度接近環(huán)境溫度。只有當(dāng)蓄熱器即將充滿(mǎn)時(shí)，溫度才會(huì)因蓄熱器末端蓄熱材料溫度的升高而升高。當(dāng)溫度升高到≥120℃時(shí)，就可停運(yùn)蓄熱器引風(fēng)機(jī)，此時(shí)，可認(rèn)為蓄熱器熱量已蓄滿(mǎn)。

(1)導(dǎo)熱換熱時(shí)間極短，能夠滿(mǎn)足蓄、熱放熱要求。由以上計(jì)算結(jié)果可知，設(shè)計(jì)采用的蜂窩陶瓷蓄熱材料導(dǎo)熱、換熱所需時(shí)間極短，充滿(mǎn)18 MW·h的熱量所需時(shí)間僅為0.7 s，占理論蓄熱時(shí)間的比例非常小，僅為其0.000 013 31倍，而且比對(duì)流換熱還要快很多，更是瞬間吸收。

(2)蜂窩陶瓷蓄熱器的快速蓄熱、放熱，主要取決于對(duì)流換熱。對(duì)比導(dǎo)熱和對(duì)流換熱可知，對(duì)于蜂窩陶瓷式蓄熱器，導(dǎo)熱比對(duì)流換熱快得多，故空氣所帶來(lái)的熱量能否被蓄熱器快速吸收，主要取決于對(duì)流換熱這一環(huán)節(jié)。

(3)設(shè)計(jì)的蜂窩陶瓷式蓄熱器，可使引風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期工作在低溫環(huán)境。通過(guò)對(duì)比導(dǎo)熱、對(duì)流換熱時(shí)間與蓄熱時(shí)間的關(guān)系，還可得出以下結(jié)論:即采用上述蜂窩陶瓷式蓄熱器，可以使進(jìn)入蓄熱器的熱空氣所帶進(jìn)的熱量在靠近入口端被快速地吸收，然后逐漸向冷端推移，使熱空氣被快速地冷卻下來(lái)，空氣溫度由較高快速降低，至出口端時(shí)，溫度已接近環(huán)境溫度。也就是說(shuō)，在蓄熱器的整個(gè)蓄熱階段，出口端的溫度大部分時(shí)間內(nèi)較低(接近于環(huán)境溫度)，只有當(dāng)蓄熱器快要充滿(mǎn)時(shí)，出口端溫度才會(huì)逐漸升高。這將有利于引風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期在低溫環(huán)境中工作。

表13 蓄熱器的換熱時(shí)間

(4)蜂窩陶瓷式蓄熱器與球式蓄熱器相比，阻力小很多。由前面的計(jì)算可知，球式蓄熱器在蓄熱時(shí)阻力為3.0～5.2 MPa，這么大的阻力根本無(wú)法選到風(fēng)機(jī)。而在同樣蓄熱條件下，蜂窩陶瓷式蓄熱器在蓄熱時(shí)的阻力約為2948 Pa，即蜂窩陶瓷式蓄熱器的阻力小于球式蓄熱器的1/1000，而且這個(gè)數(shù)值剛好在中低壓風(fēng)機(jī)壓頭可選的范圍之內(nèi)。這將有利于蓄熱器風(fēng)機(jī)的選取，并可節(jié)省大量廠(chǎng)用電。

2.4 蓄熱材料的選定

2.4.1 從阻力特性方面選擇蓄熱材料

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，蜂窩陶瓷式蓄熱器和球式蓄熱器相比，在相同空氣流量、蓄熱量以及相同蓄熱器截面尺寸的情況下，球式蓄熱器的阻力過(guò)大(≥3 MPa)，根本選不到可用的風(fēng)機(jī)，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)蓄熱目的。而蜂窩陶瓷蓄熱器從各方面都具備蓄熱的可實(shí)現(xiàn)性，尤其是其阻力較低，在同樣空氣流量的情況下，因風(fēng)機(jī)的工作壓力較低，廠(chǎng)用電的消耗相對(duì)要少很多。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，對(duì)節(jié)能更加有利。

因此，從阻力特性方面看，選用蜂窩陶瓷作為蓄熱材料最為合適。

2.4.2 從換熱特性方面選擇蓄熱材料

球式蓄熱器的對(duì)流換熱時(shí)間(0.25～0.46 h)和導(dǎo)熱換熱時(shí)間(2.26～4.17 h)較長(zhǎng)，熱空氣進(jìn)入蓄熱器后，其所攜帶的熱量還沒(méi)來(lái)得及被蓄熱球充分吸收就被排出，從而導(dǎo)致蓄熱器內(nèi)蓄熱材料內(nèi)部的溫度與熱空氣溫度始終存在一定的溫差，而且排出去的空氣溫度會(huì)高于相應(yīng)位置的陶瓷球本身的溫度較多，導(dǎo)致在蓄熱器熱量還沒(méi)蓄滿(mǎn)的情況下，就出現(xiàn)引風(fēng)機(jī)進(jìn)口的空氣溫度過(guò)高而無(wú)法繼續(xù)蓄熱的情況，無(wú)法滿(mǎn)足蓄熱和放熱的要求。

蜂窩陶瓷蓄熱器由于材料壁薄，換熱比表面積大，蓄熱器蓄滿(mǎn)的對(duì)流換熱時(shí)間(0.258 h)和導(dǎo)熱換熱時(shí)間(0.000195 h)極短，熱空氣進(jìn)入蓄熱器后，其所攜帶的熱量在極短的時(shí)間內(nèi)(不到1 s)就會(huì)被蓄熱材料充分吸收，從而使蓄熱材料的溫度幾乎在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)達(dá)到和熱空氣一樣的溫度。當(dāng)空氣從蓄熱器內(nèi)排出時(shí)，其溫度已接近環(huán)境溫度(只有當(dāng)蓄熱器即將充滿(mǎn)時(shí)溫度才會(huì)有所升高)，不僅大大提高了蓄熱器的效率，而且使引風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期工作在低溫環(huán)境，保證了引風(fēng)機(jī)的使用壽命。

因此，從換熱特性方面看，選用蜂窩陶瓷作為蓄熱材料也最為合適。

3 結(jié)論

由以上計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于采用以空氣為熱能傳輸介質(zhì)的碟式及塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，宜選用蜂窩陶瓷作為其蓄熱材料。其具備以下優(yōu)點(diǎn):

(1)能夠在極短的時(shí)間內(nèi)完成蓄熱和放熱。

(2)可通過(guò)改變蜂窩陶瓷孔的大小、壁厚和個(gè)數(shù)，改變整個(gè)蓄熱材料的比表面積，從而實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)熱及對(duì)流傳熱的性能。

(3)蜂窩陶瓷式蓄熱器的阻力較小，有利于風(fēng)機(jī)的選取，與其他形式的蓄熱器相比，可節(jié)省大量廠(chǎng)用電。

(4)蜂窩陶瓷式蓄熱器可以使引風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期工作在低溫環(huán)境，保證引風(fēng)機(jī)的使用壽命。

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