一種太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能材料蓄放熱性能的實(shí)驗(yàn)研究

■ 劉鋒章學(xué)來(lái)周宇杜曉冬高雅漢

(1.上海海事大學(xué)；2.山東建筑大學(xué))

一種太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能材料蓄放熱性能的實(shí)驗(yàn)研究

■ 劉鋒1*章學(xué)來(lái)1周宇2杜曉冬1高雅漢1

(1.上海海事大學(xué)；2.山東建筑大學(xué))

以硬脂酸為太陽(yáng)能中溫相變儲(chǔ)能材料，建立了相變蓄熱裝置蓄放熱特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)儲(chǔ)能單元含有50%和80%相變材料以及純水的儲(chǔ)能箱分別進(jìn)行3組放熱性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明，在放熱過(guò)程中，儲(chǔ)能箱在裝有相變材料放熱時(shí)水溫波動(dòng)比純水放熱時(shí)的水溫波動(dòng)大，可在一定時(shí)間內(nèi)維持局部溫度不變；在儲(chǔ)能箱蓄熱水溫都達(dá)到80 ℃、冷水以1.2 L/min進(jìn)入儲(chǔ)能箱進(jìn)行緩慢換熱時(shí)，儲(chǔ)能單元含80%相變材料的放熱能力最強(qiáng)，儲(chǔ)能單元含50%相變材料的次之，純水的放熱能力最弱；在相同儲(chǔ)能空間下，相變材料釋放的有效能為水的1.62倍。

硬脂酸；太陽(yáng)能；相變儲(chǔ)能；有效能

0　引言

新能源和可再生能源是非化石能源發(fā)展的必由之路，而太陽(yáng)能是理想和潔凈的新能源，是最值得人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用的替代能源[1]。太陽(yáng)能不僅有著可再生能源的巨大潛力，提供清潔能源，而且太陽(yáng)能行業(yè)的發(fā)展可增加就業(yè)率[2]。由于太陽(yáng)能具有很強(qiáng)的間歇性和不穩(wěn)定性，使得太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能即利用相變材料將太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)，再換熱給用戶(hù)使用。太陽(yáng)能中溫相變儲(chǔ)能與生活用熱息息相關(guān)，近些年，有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能在家庭生活用熱中的應(yīng)用有深入研究。崔潔[3]對(duì)太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能地板采暖系統(tǒng)進(jìn)行了熱性能分析；趙文佳[4]研究了適合應(yīng)用于太陽(yáng)能發(fā)電的高溫相變材料熱物性的強(qiáng)化；袁小永[5]設(shè)計(jì)了一種適用于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的無(wú)機(jī)水合鹽相變蓄熱裝置；Kant等[6]研究了太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能在農(nóng)產(chǎn)品干燥方面的利用；Dheep等[7]提出穩(wěn)定性好的有機(jī)相變材料——苯甲酰胺和癸二酸，其更加適用于中溫太陽(yáng)能儲(chǔ)能；Kapsalis等[8]將相變材料應(yīng)用在建筑及熱泵方面；Xue[9]用傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱水器和與相變材料耦合使用的熱水系統(tǒng)進(jìn)行比較，其中耦合系統(tǒng)的熱力性能比傳統(tǒng)的更為優(yōu)良。

本文主要在前人研究的基礎(chǔ)上，將封裝有相變材料的金屬儲(chǔ)能芯置于儲(chǔ)能箱中，分別測(cè)試儲(chǔ)能箱中儲(chǔ)能芯含有50%和80%相變材料，以及儲(chǔ)能箱中為純水時(shí)3組的蓄放熱性能。

1　實(shí)驗(yàn)裝置

太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能材料的蓄放熱性能測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)能箱、水泵、管路，以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)分成3組，分別是儲(chǔ)能芯中為50%的相變材料、80%的相變材料和純水，分別對(duì)其進(jìn)行蓄放熱試驗(yàn)測(cè)試。為將儲(chǔ)能箱能量快速儲(chǔ)滿(mǎn)，選用3臺(tái)真空管式太陽(yáng)能集熱器，真空管數(shù)為75根，長(zhǎng)度為1.8 m，整個(gè)集熱器的集熱面積為9.6 m2。儲(chǔ)能箱為圓筒形，帶孔的分隔板將其分成上下兩部分，下部分儲(chǔ)存水，儲(chǔ)能芯置于上部，儲(chǔ)能箱的容積為67 L。水泵選微型循環(huán)水泵，最大揚(yáng)程為9 m，最大流量為 20 L/min，額定功率為20 W。部件之間用波紋軟管連接。溫度探頭為熱電偶，輻照量數(shù)據(jù)采集選用四線(xiàn)制電阻，并用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀將溫度和輻照量數(shù)據(jù)采集至電腦。

圖1　太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能材料的蓄放熱性能測(cè)試系統(tǒng)原理圖和實(shí)物圖

相變材料的蓄熱實(shí)驗(yàn)從2016年3月 27日08:00開(kāi)始，直到儲(chǔ)能箱中水溫達(dá)到80 ℃。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，將太陽(yáng)能集熱器上的遮陽(yáng)板移除，以確保溫度平衡；關(guān)閉閥門(mén)5和6，啟動(dòng)水泵，開(kāi)始蓄熱，儲(chǔ)能棒上、中、下部分別有溫度探頭；輻照量和溫度都通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄，每10 s記錄一次；蓄熱實(shí)驗(yàn)中使用水作為循環(huán)加熱工質(zhì)，儲(chǔ)能箱中溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，關(guān)閉循環(huán)水泵，蓄熱實(shí)驗(yàn)結(jié)束。相變材料進(jìn)行放熱時(shí)，打開(kāi)閥門(mén)5和6，閥門(mén)6調(diào)到合適開(kāi)度，以使儲(chǔ)能芯緩慢連續(xù)放熱。當(dāng)水箱頂部出水口溫度接近40 ℃時(shí)認(rèn)為放熱完成，記錄出水量。

裝有50%相變材料的蓄放熱實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，再做儲(chǔ)能芯中為80%的相變材料和純水的兩組蓄放熱實(shí)驗(yàn)。同樣，儲(chǔ)能箱中水溫升高到80 ℃，放熱時(shí)都以當(dāng)水箱頂部出水口溫度接近40 ℃時(shí)為放熱完成，記錄相關(guān)參數(shù)。待水完全放熱后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

1.1相變材料的選擇

由于硬脂酸熔點(diǎn)適合太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，熔解熱較高，原料易得，對(duì)人體無(wú)任何毒害作用，且價(jià)格便宜[10]，故選其為此次太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能材料的蓄放熱性能測(cè)試的材料，其物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　硬脂酸的熱物理性質(zhì)

1.2儲(chǔ)能裝置

在蓄放熱過(guò)程中，相變材料從固態(tài)到液態(tài)或從液態(tài)到固態(tài)，液態(tài)的材料具有流動(dòng)性，故要求相變材料在儲(chǔ)能系統(tǒng)中有容器封裝以保持穩(wěn)定；而且需保證相變材料在容器中不泄漏，同時(shí)還需保證容器有盡可能好的傳熱性能，使相變材料可以快速實(shí)現(xiàn)蓄放熱。目前常用的儲(chǔ)能式熱水系統(tǒng)主要采用塑料球封裝和金屬管封裝。由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于塑料(鋁合金和塑料的導(dǎo)熱系數(shù)分別約為10～20 W/(m?K)、0.3 W/(m?K)，在相變材料的蓄放熱實(shí)驗(yàn)中易實(shí)現(xiàn)快速蓄放熱，且封裝較為簡(jiǎn)單，硬脂酸對(duì)鋁合金無(wú)腐蝕、無(wú)溶透、無(wú)化學(xué)反應(yīng)[11]，因此選用鋁合金管作為封裝容器，如圖2所示。鋁合金管直徑為38 mm，長(zhǎng)570 mm，壁厚2 mm。

蓄熱單元中的相變材料在吸收熱量達(dá)到相變溫度時(shí)，材料從固體變成液體，儲(chǔ)存相變潛熱。儲(chǔ)能完成后，放熱過(guò)程中，水從儲(chǔ)能箱底部流入，與相變儲(chǔ)能單元發(fā)生熱交換，相變材料溫度下降到相變溫度時(shí)，材料開(kāi)始凝固，產(chǎn)生固液相界面，隨著放熱不斷地進(jìn)行，固液相界面不斷遠(yuǎn)離儲(chǔ)能單元壁面[12]，最后相變材料完全凝固，潛熱釋放完成。

圖2　相變材料儲(chǔ)能單元

在儲(chǔ)能箱蓄熱完成后，冷水從儲(chǔ)能箱底部進(jìn)入，如圖3a所示，通過(guò)帶孔擋板，使冷水進(jìn)入儲(chǔ)能箱均勻分布，可與儲(chǔ)能芯充分均勻換熱，換熱之后的熱水從儲(chǔ)能箱頂部流出。將封裝有相變材料的儲(chǔ)能單元均勻布置在儲(chǔ)能箱中，如圖3b所示。

圖3　儲(chǔ)能芯在儲(chǔ)能箱中的布置

1.3傳熱過(guò)程

太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程是通過(guò)太陽(yáng)能集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成攜熱介質(zhì)水的熱能，再經(jīng)過(guò)循環(huán)將能量?jī)?chǔ)存到儲(chǔ)能箱中。太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)熱力性能評(píng)估的有用能Qu、儲(chǔ)存的能量Qs和系統(tǒng)效率ηs[13]為：

式(1)～式(3)中，A為集熱器的集熱面積；I為單位面積的輻照量；mw為儲(chǔ)能箱中水的質(zhì)量；cw為儲(chǔ)能箱中水的比熱；mp為相變材料的質(zhì)量；cp為相變材料的比熱；L為相變材料的潛熱值；Ts′為儲(chǔ)能箱的初始溫度；Ts′為儲(chǔ)能箱的終溫。

儲(chǔ)能箱在蓄滿(mǎn)能量后再將能量釋放出來(lái)，認(rèn)為出水溫度在40 ℃以上的能量為有效能，在整個(gè)放熱過(guò)程中，儲(chǔ)能箱釋放的有效能Qa為：

式中，m為儲(chǔ)能材料質(zhì)量；cp為儲(chǔ)能材料比熱容；ΔT為儲(chǔ)能箱出口水溫與40 ℃的溫差；Δτ為時(shí)間步長(zhǎng)。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本次相變材料的蓄放熱實(shí)驗(yàn)將太陽(yáng)能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能箱中，再將冷水從儲(chǔ)能箱底部放入儲(chǔ)能箱，將熱量以熱水的形式釋放出來(lái)。此次實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)比相變材料和水的蓄放熱過(guò)程，以判別相變材料和水的蓄放熱能力。

2.1蓄熱過(guò)程

儲(chǔ)能芯裝有50%相變材料的儲(chǔ)能裝置在太陽(yáng)能儲(chǔ)能過(guò)程中，水在太陽(yáng)能集熱器和儲(chǔ)能箱之間通過(guò)泵驅(qū)動(dòng)循環(huán)。在集熱器出口的水溫要大于進(jìn)口水溫，由于循環(huán)速度較快，儲(chǔ)能箱中的底部水溫要比上部水溫高，但溫差在2 ℃以?xún)?nèi)，所以水在儲(chǔ)能箱中的溫度分布大致相等。整個(gè)儲(chǔ)能過(guò)程水溫從室溫一直被集熱器加熱至80 ℃，儲(chǔ)能才完成，太陽(yáng)能輻照量和水箱內(nèi)水溫隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖4所示。

儲(chǔ)能過(guò)程中，從08:00～10:47，儲(chǔ)能箱的蓄熱時(shí)長(zhǎng)為167 min，太陽(yáng)能平均輻照量為700 W/m2，進(jìn)入系統(tǒng)的有用能Qu為67.5 MJ，整個(gè)儲(chǔ)能箱水和相變材料加熱至80 ℃，儲(chǔ)存的能量Qs為17.78 MJ，集熱系統(tǒng)的運(yùn)行效率ηs為0.263。由于本次實(shí)驗(yàn)主要將儲(chǔ)能箱中的能量蓄滿(mǎn)即可，因此并沒(méi)有在連接管路上做很好地保溫處理，而且連接管路內(nèi)也充滿(mǎn)了同樣被太陽(yáng)能集熱器加熱的熱水，所以蓄熱系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)化效率較低。

圖4　太陽(yáng)能輻照量和水箱內(nèi)水溫變化曲線(xiàn)

此次蓄放熱實(shí)驗(yàn)主要是在同樣的儲(chǔ)能空間下，儲(chǔ)能單元含有不同比例的相變材料對(duì)儲(chǔ)能裝置的放熱能力進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)及分析。因此，在蓄熱時(shí)只對(duì)儲(chǔ)能芯中含有50%相變材料的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄，其他兩組的儲(chǔ)能箱蓄熱水溫達(dá)到80 ℃即可，故不對(duì)其蓄熱過(guò)程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

2.2放熱過(guò)程

第一組試驗(yàn)中，當(dāng)儲(chǔ)能箱中相變材料完全融化，水溫達(dá)到80 ℃時(shí)，關(guān)閉循環(huán)水泵，蓄熱完畢。放熱時(shí)，打開(kāi)圖1中的閥門(mén)5和6并調(diào)整到合適開(kāi)度，達(dá)到出水流量為1.2 L/min，冷水緩慢進(jìn)入儲(chǔ)能箱，使之能夠充分與儲(chǔ)能箱中的相變材料進(jìn)行換熱，從而釋放材料的相變潛熱。放熱從13:35開(kāi)始，放熱過(guò)程中，一開(kāi)始出水溫度維持在80 ℃左右，一段時(shí)間后才緩慢下降，直到出水溫度為40 ℃時(shí)，放熱過(guò)程結(jié)束。在整個(gè)放熱過(guò)程中，儲(chǔ)能箱頂部、中部和底部的水溫變化情況如圖5所示。

從圖5可看出，儲(chǔ)能箱的水在放熱過(guò)程中，開(kāi)始放熱一段時(shí)間內(nèi)，各部位水溫維持不變。由于有溫差的存在，溫度升高，水的密度會(huì)降低，在儲(chǔ)能箱中，溫度較高的水會(huì)在儲(chǔ)能箱的頂部，溫度低的水會(huì)在儲(chǔ)能箱的底部。經(jīng)過(guò)緩慢放熱，由于相變材料與水發(fā)生熱交換，儲(chǔ)能箱中水溫會(huì)有小幅度波動(dòng)。儲(chǔ)能箱中，放熱8 min左右儲(chǔ)能箱底部水溫開(kāi)始下降；放熱17 min左右儲(chǔ)能箱中部水溫開(kāi)始下降，在放熱28 min后儲(chǔ)能箱頂部水溫才開(kāi)始下降。

圖5　儲(chǔ)能芯裝有50%相變材料時(shí)儲(chǔ)能箱放熱水溫分布情況

在儲(chǔ)能芯裝有50%相變材料蓄放熱實(shí)驗(yàn)完成后，將儲(chǔ)能芯中的相變材料加至80%，同樣蓄熱到80 ℃，再進(jìn)行放熱。以1.2 L/min的出水流量進(jìn)行緩慢放熱，直到出水溫度降低到40 ℃時(shí)，水放熱結(jié)束。在水的整個(gè)放熱過(guò)程中，儲(chǔ)能箱中的水溫變化情況如圖6所示。

圖6　儲(chǔ)能芯裝有80%相變材料時(shí)儲(chǔ)能箱放熱水溫分布情況

從圖6可看出，由于相變材料的增加，使得儲(chǔ)能箱在放熱過(guò)程中各部位維持在80 ℃左右的時(shí)間更長(zhǎng)，其放熱能力也就增強(qiáng)。同樣，由于相變材料的存在，水箱各部位水溫在很小范圍內(nèi)有一定波動(dòng)。放熱過(guò)程中，放熱10 min左右儲(chǔ)能箱底部水溫開(kāi)始下降；放熱25 min左右儲(chǔ)能箱中部水溫開(kāi)始下降；在放熱36 min后儲(chǔ)能箱頂部水溫才開(kāi)始下降。

在兩組儲(chǔ)能芯裝有相變材料的蓄放熱實(shí)驗(yàn)完成后，將儲(chǔ)能芯取出，往儲(chǔ)能箱中加滿(mǎn)自來(lái)水，再將儲(chǔ)能箱中的水溫升至80 ℃，然后按照相變材料放熱的方法將水的能量釋放出來(lái)，同樣以1.2 L/min的出水流量進(jìn)行緩慢放熱，直到出水溫度降低到40 ℃時(shí)，水放熱結(jié)束。在水的整個(gè)放熱過(guò)程中，儲(chǔ)能箱中的水溫變化情況如圖7所示。

圖7　無(wú)相變材料時(shí)儲(chǔ)能箱放熱水溫分布情況

從圖7可看出，儲(chǔ)能箱裝滿(mǎn)自來(lái)水的情況下，在放熱時(shí)其各部位水溫變化情況較為緩和。由于沒(méi)有相變材料的緩和，儲(chǔ)能箱底部水溫直接從80 ℃開(kāi)始下降；儲(chǔ)能箱中部水溫在放熱20 min左右開(kāi)始下降；頂部水溫在放熱35 min左右開(kāi)始下降。

儲(chǔ)能芯中裝有50%相變材料時(shí)，由于儲(chǔ)能芯占有一定容積，儲(chǔ)能箱中水的體積要比儲(chǔ)能箱中全部裝滿(mǎn)水的體積要小，所以在兩者放熱時(shí)裝有相變材料的儲(chǔ)能箱各部位水溫維持在80 ℃的時(shí)間比裝純水的儲(chǔ)能箱要短。但將儲(chǔ)能芯中的相變材料加至80%時(shí)，放熱過(guò)程中儲(chǔ)能箱各部位水溫維持在80 ℃的時(shí)間比裝純水的儲(chǔ)能箱長(zhǎng)。

2.3有效能分析

儲(chǔ)能芯裝有50%相變材料的儲(chǔ)能箱以1.2 L/ min緩慢放熱時(shí)，儲(chǔ)能箱出水溫度在40 ℃以上的放熱時(shí)間為56 min。儲(chǔ)能芯裝有80%相變材料的儲(chǔ)能箱出水溫度在40 ℃以上的放熱時(shí)間為60 min。裝有純水的儲(chǔ)能箱出水溫度在40 ℃以上的放熱時(shí)間為45 min。3種情況下儲(chǔ)能箱出口水溫變化情況如圖8所示。

圖8　3種情況儲(chǔ)能箱出口水溫變化曲線(xiàn)

純水放熱時(shí)出水溫度在80 ℃的出水量比儲(chǔ)能芯裝有50%材料時(shí)的要多，與儲(chǔ)能芯裝有80%相變材料時(shí)在80 ℃的出水量相差不大。隨著純水的出水溫度迅速下降，有相變材料的出水溫度較為緩和。3種情況下的儲(chǔ)能箱放熱能力如表2所示。

表2　儲(chǔ)能箱放熱能力

利用有效能式(4)可分別計(jì)算出3組放熱的有效能，其中純水釋放出的有效能為8.2 MJ，儲(chǔ)能芯在裝有50%相變材料時(shí)釋放的有效能為8.9 MJ，儲(chǔ)能芯在裝有80%相變材料時(shí)釋放的有效能為13.3 MJ，在有效能方面，相變材料所釋放的有效能要比純水更多[14]。當(dāng)儲(chǔ)能單元只裝有50%相變材料時(shí)，由于儲(chǔ)能箱容積較小，而且相變材料與水有二次換熱的發(fā)生[15]，相變材料的有效能跟水相比優(yōu)勢(shì)并不明顯。但將儲(chǔ)能芯中的相變材料增加至80%，其放熱能力明顯增強(qiáng)，在儲(chǔ)能空間一致的情況下，相變材料釋放的有效能為水的1.62倍。相變材料在有效能放熱方面比水更有優(yōu)勢(shì)，相變儲(chǔ)能在家庭生活用熱中的效果更佳。

3　結(jié)論

本文利用硬脂酸作為相變材料應(yīng)用于太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能系統(tǒng)中，對(duì)儲(chǔ)能芯含有50%和80%相變材料及純水的儲(chǔ)能箱進(jìn)行蓄放熱性能測(cè)試與分析?？傻玫揭韵陆Y(jié)論：

1)裝有相變材料的儲(chǔ)能箱在放熱過(guò)程中，由于相變材料的放熱，儲(chǔ)能箱中水溫波動(dòng)比純水放熱時(shí)的水溫波動(dòng)大，可在一定時(shí)間內(nèi)維持局部溫度不變。

2)在儲(chǔ)能量相當(dāng)?shù)那闆r下，相變材料釋放的有效能比水要多，材料釋放的有效能為8.9 MJ，水釋放的有效能為8.2 MJ。

3)在相同儲(chǔ)能容積下，相變材料的有效能為水的1.62倍，相變儲(chǔ)能在家用熱水方面將發(fā)揮重要作用。

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2016-04-22

劉鋒(1992—)，男，碩士研究生，主要從事太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能和熱利用方向的研究。fengliu4757@163.com