太阳能显热储热技术发展现状201101.doc

太阳能显热储热技术发展现状
韩智香1， 李 芃2， 仇中柱3
(1,2.同济大学机械工程学院，上海 201804；3.上海电力学院，上海 200090)

摘要：太阳能储热形式一般可分为显热储热，潜热储热和化学反应储热。显热储热技术是发展最早、最为成熟的技术，是唯一一种应用到太阳能电站的储热方式。本文总结了出现在文献和发电站的显热储热材料，重点介绍了高温混凝土储热的研究现状，包括其材料，模拟，测试实验和实际应用。详细分析了混凝土储热块的传热模型，介绍了有限元分析方法在储热系统瞬态特性模拟中的作用。
关键词：储热；太阳能；显热；有限元法

Abstract: According to the storage media, storage systems are classified as sensible heat storage, latent heat storage and chemical heat storage. Sensible heat storage is the earliest and the most mature technology, and only the sensible heat storage have been actually used in real solar power plants. In this paper, all sensible heat storage materials considered in literature or plants are listed，the detailed information of high-temperature concrete storage is presented, including materials, simulation, test and real application. The heat transfer model of solide heat storage is presented in detail, and the effect of a finite element method (FEM)analysis for a segment of a storage pipe with solide storage material is introduced.
Keywords: Thermal energy storage; solar energy; sensible heat; finite element method
0 序言
太阳能热发电技术是一项缓解全球能源危机的重要技术。太阳能的昼夜间断性以及由于多云阴雨而造成的不稳定性、能量密度低等一系列问题，对太阳能热发电系统电力的平稳输出产生了很大的影响。太阳能热发电系统需配置储热系统，储热系统可以提高太阳能系统的利用效率[1]，调节能量供需平衡，保证电力的平稳输出。

1 太阳能储热方式
目前的太阳能储热形式可分为显热储热，潜热储热和可逆化学反应储热[2]。显热蓄热主要是通过某种材料温度的上升或下降而存储热能，显热蓄热是各种蓄热方式中原理最简单、技术最成熟、材料来源最丰富,成本最低廉的一种，因而也是实际应用和推广得最普遍的一种[3]；潜热蓄热主要是通过蓄热材料发生相变时吸收或放出热量来实现能量的储存，储热过程几乎是恒温的, 一般采用硝酸盐等相变材料作为储热材料。具有蓄热密度大, 充、放热过程温度波动范围小等优点[4]。但目前为止，没有应用于商业中的高温PCM技术[5]；化学反应热蓄热主要是通过化学反应的反应热来进行蓄热, 比如利用可逆氢氧化钙[4]和氨水[5]等材料的分解与合成反应，这种蓄热方式具有储能密度高、可以长期储存等优点。一些研究宣称氨水和SnOx/Sn的反应可能是最实用的一种方式[5]，但还需深一步的实验证明。

2 显热储热
显热储热技术是发展最早、最为成熟的技术，且其储热装置运行和管理也较为方便。显热储热材料分为固态和液态两类。显热储热材料的重要参数[5]包括：密度，比热容，导热率，热扩散率，运行温度，蒸汽压力，稳定性，兼容性，散热系数和成本。
显热储热材料是指在储热过程中随着温度变化没有相变发生的材料。单位体积储热材料的储热量可表示为：
（1）
式中：
Qs：单位体积储热材料的储热量，J/m3；
rs：储热材料的密度，kg/m3；
cps: 储热材料的比热，J/(kg·K)；
DT：储热材料温度变化值，K
给定物质的显热储热能力主要取决于其密度和比热。一种物质在储热系统中发挥其有用性，它一定要廉价，并有好的储热能力。显然储热系统中另一个重要参数是能量被储存和释放的速度。这个特性是材料热扩散率的函数。

2.1 显热固体储热
固体介质一般用于填充床或制作为储热块。储热块一般由高温混凝土或铸造陶瓷和内嵌的管道组成，固体材料作为储热材料，液体材料作为换热流体，通过管道进行换热(图1[6])。为了强化传热可以在管道外侧加翅片。显热固体储热材料见表1
表1[5,7]显热固体储热材料的主要特性
Table1 Main characteristics of sensible heat storage solid materials
储热材料
温度(℃)
冷端 热端
平均密度
(kg/m3)
平均体积比热容
(kWh/m3)
平均热导率
(W/mK)
平均热容(KJ/KgK)
蓄热成本
(＄/kWht)
沙-岩石-矿物油
200
300
1700
60
1.0
1.30
4.2
加固混凝土
200
400
2200
100
1.5
0.85
1
氯化钠（固体）
200
500
2160
150
7.0
0.85
2
铸铁
200
400
7200
160
37.0
0.56
32
铸钢
200
700
7800
450
40.0
0.60
60
耐火硅砖
200
700
1820
150
1.5
1.00
7.0
耐火镁砖
200
1200
3000
600
5.0
1.15
6.0

Fig. 1 Storage module with visible tube register
图1 可见管排的储热模型

对于固体材料，混凝土和陶瓷是研究较多的材料[5]。2001年12月到2003年12月，德国政府出资建立的WESPE项目的主要研究目的高效廉价的储热材料的发展，管道换热器的优化和一个采用这种技术的350 kWh测试单元[6]的示范。同时研发了两种蓄热材料：铸造陶瓷和高温混凝土。这两种材料都是由粘合剂，聚合物和少量辅助材料组成。高温混凝土的粘合剂是由矿渣水泥组成，聚合物主要为氧化铁。铸造陶瓷的粘合剂含有Al2O3，聚合物也为氧化铁。辅助材料是为了促进混合材料的处理，可用于强化传热和降低粘度。
固体储热材料的测试[8]于2001～2006年期间，在西班牙南部太阳能研究中心Plataforma Solar de Almeria（PSA）中进行的。DLR进行了早期的测试，发现陶瓷和高温混凝土都可作为合适的固体显热蓄热材料。高温混凝土更合格，因为它价格较低，强度较高，制作方法较简单，而且，换热管与混凝土之间性能没有退化的现象[6,9]。

2.2 显热液体储热
大量流体被测试来输送热能，包括水，空气，油，钠和熔融盐等。熔融盐是最佳显热液体储热材料[5]，主要用于太阳能发电，因为其在大气压力下是液态的，是一种高效，价廉的储热介质。八十年代最常用储热介质是矿物油和熔融盐。Solar Two太阳能电站中成熟的采用了硝酸钠和硝酸钾混合盐作为传热和蓄热材料, 证明混合熔融盐在太阳能热发电系统中的可行性[1]。西班牙新建的发电站采用熔融盐或蒸气与固体储热材料联合作用的储热方式[8]。熔融盐的运行温度与目前的高压高温汽轮机是兼容的，并且不易燃，无毒。液体显热储热材料详见表2。
目前，两种主要的熔融盐[5]是“太阳盐”和商业出售的HitecXL。“太阳盐”是由60% NaNO3 和 40% KNO3 组成，这种盐在221℃时融化，288℃时可在隔热冷储热罐内保持液态；HitecXL是由48% Ca(NO3)2, 7% NaNO3, 和45% KNO3组成,其特性已在PSA和Themis电站中研究过。

Table 2 Main characteristics of sensible heat storage liquid materials [5,7].
表2 显然液态储热材料的主要特性

储热材料
低温（℃）
高温（℃）
平均密度（kg/m3）
平均导热系数（W/(m·K)）
平均热容kJ/(kg·K)
体积比热容 KWh/ m3
每千克的成本（$）
每千瓦的成本（$）
HITEC 太阳能盐
120
133
-
-
-
-
-
-
矿物油
200
300
770
0.12
2.6
55
0.3
4.2
合成油
250
350
900
0.11
2.3
57
3
43
硅油
300

400
900
0.10
2.1
52
5
80
亚硝酸盐
250
450
1825
0.57
1.5
152
1
12
硝酸盐
265
565
1870
0.52
1.6
250
0.5
3.7
碳酸盐
450
850
2100
2
1.8
430
2.4
11
液态钠
270
530
850
71
1.3
80
2
21

3 显热固体储热的模拟方法
显热固体储热的模拟常用有限元分析方法，来分析和模拟储热系统的瞬态特性。得到储热系统的温度分布和储热量。
DLR研发了一种模拟环境“StorageTech-Thermo”[10]，用于储热系统的设计和模拟。这种工具可以建立储热系统的物理模型，并模拟其动力性特性。储热过程，模拟结果与WESPE的测试结果吻合较好，放热过程两者存在一些偏差。
一种基于模拟语言Modelica的一种模拟工具[11]，用于模拟不同边界条件下储热系统的瞬态特性，采用有限差分法。该物理模型包含了描述由质量流量决定的对流换热和压力损失。
Laing et al. [5,12]提出用有限元分析方法分析一个混凝土储热块在添加翅片前后的温度分布，并进行比较，翅片用于强化传热。两种模拟中，储热换热管内壁的温度相同，管间距相同。
Rafidi and Blasiak [513]研发了一种双相模拟模型来数值化求解气体和固态储热材料的动力学温度和速度曲线。

4 混凝土储热的测试
德国公司Ed. Züblin AG和德国研究中心DLR共同研发了一种采用混凝土作为储热材料的显热储热，为了现场测试和将来的研究，在Stuttgart建立了一个20m3固体储热测试模块[6]，该混凝土测试模块由混凝土和内嵌的管道组成，管道按设计等间距均匀分布，导热流体在管内循环流通，与混凝土储热材料进行换热，完成热量的储存和释放。如图1。
测试模块的几何尺寸：总长10m，混凝土部分长8.6m，高1.7m，宽1.3m。其管道系统由132根长9m，外径18mm的无缝钢管组成，采用叉排管束形式。测试模块采用一种特殊的混凝土混合物，这种混凝土采用纤维材料来增强其渗透性，这样可防止第一次加热时，水分蒸发产生的高压对混凝土模块的破坏。除了高耐热性，储热混凝土材料必须满足多个要求，比如高热容，高导热率和低成本。
为了测试模块的热性能，测试模块上布置了大量的温度，流量传感器。导热油的温度通过设在模块出入口的两个PT100传感器测得；导热油流量通过差压原理得到；混凝土的温度通过布置在模块的热电偶测得。为了保证初期加热混凝土模块的安全，测量了混凝土内部的压力，通过讲压力传感器与布置在混凝土内部的毛细钢管连接的方法。
当储热模块第一次由环境温度加热到400℃时，混凝土里的水分蒸发使混凝土内部的压力升高，为了保证安全，加热一段时间后保持恒温状态，使混凝土中水蒸气排出，然后继续加热。测试表明，蒸气压力的峰值约为4bar，蒸汽压力到达峰值，然后经过一定的保留时间又返回开始时的状态，表明该温度下产生的水蒸汽都被排除。
通过两种热循环方式来测试储热模块的性能，一种为储热和放热时间均为24h的“稳态循环”，可减少与模拟的差距；另一种为储热和放热时间均为6h的“加速循环”，可增加循环次数和测定混凝土的动态特性。
一般，储热时，导热油从集热器进入储热模块的温度为390℃；放热时，导热油出口温度低于350℃就表示放热过程结束。储热模块在储热/放热循环中的温差为40℃。测试结果详见文献[6]中图10。

5 参数计算
5.1 储热过程
传热流体与换热管进行对流换热，然后热量以导热形式传递到储热材料，传热流体提供的热量大部分储存到储热材料中，还有少量散失到环境中。如下式：
（2）
式中：
QHTF：传热流体提供的热量，J；
Qs：储热材料储存的热量，J；
Ql：散失到环境的热量，J。
QHTF取决于传热流体的体积，密度，比热容，在储热块的入口和出口的温差，流体的物性参数可根据生产商提供的数据，通过实验测得流体在储热块的入口和出口的温度，根据下式求得QHTF。
（3）
式中：
cp：流体的比热，J/(kg·K)；
ρ：流体的密度，kg/m3；
V：流体的体积， m3；
Ti：入口处流体的温度，K；
To：出口处流体的温度，K。

5.2 放热过程
放热过程，热量由储热材料传递给传热流体，有少量热量散失到环境中，如下式
（4）
传热流体在放热过程得到的热量可通过下式计算
（5）
假设储热过程和放热过程中的散热量是相等的，根据上述公式，得到简化的储热量计算公式
（6）

散热量公式
（7）

储热的目的是为了调节能量供需平衡，并不会节能，因为能量在储存和释放的过程都会散失一部分能量到环境中。储热效率ηs直接反映了能量的有效利用情况，如下式
（8）
根据公式1，推导出储热材料的比热容的计算公式
（9）
6 储热模型的传热分析
6.1 传热分析
储热过程的热量传递路线：传热流体与换热管间发生对流换热，然后，热量以导热形式传递给混凝土储热材料，大部分热量会储存在混凝土中，少量热量会散失到环境（空气）。
1 对流换热方程
（10）
式中：
q：对流换热量，w；
h：表面传热系数，W/(m2·K)；
A：传热面积，m2；
Tf：传热流体的温度，K；
Tw：换热管壁的温度，K；

2 换热管壁的导热方程
（11）
式中：
q：长度为l的换热管壁的导热量，w；
λ：换热管的导热系数，W/(m·K)；
l：换热管长m；
Tw1：换热管内壁面的温度，K；
Tw2：换热管内壁面的温度，K；
d1：换热管内径，m；
d2：换热管外径，m；

3 混凝土的导热方程
无内热源的二维瞬态导热微分方程式
（12）
按照傅里叶定律，热流密度矢量沿x和y轴的分量应为
（13）
（14）

6.2 储热块导热过程的单值性条件
1 几何条件
说明参与导热过程的物体的几何形状和大小。如传热管的壁厚和管径，混凝土的尺寸。
2物理条件
说明参与导热过程的物体的物理特征。如换热流体，传热管和储热材料的密度，导热系数和比热等。
3时间条件
说明在时间上过程进行的特点。稳态导热过程没有单值性的时间条件。对于非稳态导热过程，应该说明过程开始时刻物体内的温度分布，故时间条件又称初始条件。储热过程开始时刻，物体的各部分具有相同的温度，那么初始条件表示式可简化为：
t︱t=0=t0=const
测试开始前，测量混凝土初始温度，这一温度可当作初始温度。
4边界条件
说明物体边界上过程进行的特点，反映过程与周围环境相互作用的条件称为边界条件。常见的边界条件的表达方式可分为三类：
1 第一类边界条件是已知任何时刻物体边界面上的温度值。
2 第二类边界条件是已知任何时刻物体边界面上的热流密度值。
3 第三类边界条件是已知边界面周围流体温度和边界面与流体之间的表面传热系数。
储热元的边界条件为第三类边界条件：已知换热流体和周围空气的温度，和两种流体与边界面的表面传热系数。

6.3 二维瞬态ansys传热模型
有限元法[14]就是根据变分原理来求解热传导问题微分方程的一种数值计算方法，它的解题步骤是先将连续求解域分割为有限个单元组成的离散化模型，再用变分原理将各单元内的热传导方程转化为等价的线性方程组，最后求解全域内的总体合成矩阵。有限元分析软件ANSYS是集结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它的热分析基于能量守恒原理的热平衡方程。进行热分析的基本原理是先将所处理的对象划分为有限个单元，每个单元包括几个节点，然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一个节点处的热平衡方程，由此计算出各节点的温度值，然后进一步求出其他相关量，如温度梯度、热量的获取或损失、热流密度等。
在储热实验中，循环传热流体通过管壁与周围混凝土进行热交换，这是一个三维非稳态传热过程，影响因素和参数复杂多变，不可能用解析法来精确求解，为了方便建立模型，用有限元分析热分析法对其进行模拟，特做如下假设：
1 不考虑竖直方向的传热情况，将三维传热问题简化为二维。
2 混凝土的热物性均匀，且不随温度变化而变化。
3 换热器、混凝土、保温层和地层具有相同的初始温度且初始温度均匀一致。
利用ansys有限元分析法，可模拟不同因素对储热模型传热过程的影响，可以模拟不同的混凝土导热系数，换热流体的温度，流速，模拟的初始温度条件下，储热块温度场的分布和储热速率的变化。

7 总结
储热系统对太阳能热发电站的电力的平稳输出有重要作用。太阳能储热形式可分为显热储热，潜热储热和可逆化学反应储热。显热蓄热是各种蓄热方式中原理最简单、技术最成熟、材料来源最丰富,成本最低廉的一种，因而也是实际应用和推广得最普遍的一种。混凝土储热热测试的成功运行，证实了混凝土储热技术是一种合适的显热储热方式。混凝土储热在材料，模拟，测试和实际应用取得了很大的发展。显热储热技术在较高温度（高于500℃）的运行，高导热率混凝土材料的开发和强化传热换热器的研究方面还有很大的发展空间。

参考文献
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