太陽能儲熱裝置的蓄熱性能研究

合肥工業大學機械與汽車工程學院 ■ 馬濤 馬少波

0 引言

由于存儲密度高、溫度變化小、便于存儲和提取熱量，相變存儲技術已被證明是一種有效的能源存儲技術。Fluent廣泛應用在流體動力學、工業熱設計、航天設計、汽車設計等領域，是在學術研究活動中的有力工具。人們大量采用數值計算方法來計算PCM的熔化與凝固過程[3]。郭茶秀等人針對具有翅片的板式石蠟儲熱器，利用Fluent軟件中的凝固和熔化模塊，對其凝固過程進行了二維數值模擬，得到了儲熱器3種不同長寬比時通過翅片和PCM壁面的熱流隨時間的變化規律，不同時刻的相界面形狀、相界面隨時間的變化規律，以及總凝固時間的確定方法[4]；Tay N H S等人[5]通過計算流體力學CFD對相變儲熱系統作了研究，將水作為相變材料、導熱油作為傳熱介質，4個管道盤繞在圓形儲罐內，對相變材料的熔化與凝固過程進行模擬，分別描述了導熱油入口和出口處，以及9個溫度監測點溫度與時間的變化關系、相變過程持續時間等參數，并與實驗結果分析比較。以上研究大都對儲熱裝置簡化為二維模型進行分析，造成對結果分析存有誤差。本文針對太陽能儲熱裝置，蓄熱介質選用中溫相變材料——熔鹽，將其具體應用在太陽能光熱利用——儲熱系統中，解決能量供求在時間和空間上不匹配的矛盾。利用Fluent中的凝固/融化模型對三維模型分析太陽能儲熱系統中的儲熱裝置中PCM瞬態相變過程，將Fluent模擬結果與實驗結果進行比較；并對儲熱裝置的強化傳熱方法進行討論，對儲熱裝置的推廣與應用具有現實意義。

1 實驗系統

1.1 實驗工作原理

如圖1所示，實驗系統由太陽能儲熱裝置、碟式集熱器、吸熱器、熱油泵、溫度控制儀組成。實驗過程中所要保持的恒溫要求，主要由溫度控制儀、油桶1、油桶2、熱油泵和可調加熱器組成。可調加熱器通過溫度控制儀進行控制，根據油桶1內傳熱介質的溫度來調節加熱功率，從而控制系統實驗所需要的恒溫要求。具體工作過程為：關閉閥門2，設定油桶1的溫度，啟動熱油泵，開啟可調加熱器，導熱油在吸熱器、上下油箱之間的回路循環并加熱。當溫度接近所設定溫度時，關閉閥門1，開啟閥門2，可調加熱器通過溫度傳感器來調節所需加熱功率，溫度傳感器由溫度控制儀控制，使油桶1內溫度保持在實驗設定溫度，形成吸熱器-油桶1-儲熱裝置-油桶2-集熱器-吸熱器循環加熱回路。

圖1 實驗系統工作原理圖

1.2 太陽能儲熱裝置

如圖2所示，儲熱裝置外腔與內腔之間設有密閉的保溫層，保溫層內填充隔熱介質巖棉，單元是由內腔、螺旋管換熱器和相變儲能材料組成的密閉體；螺旋管換熱器均勻布置在內腔中，相變材料充滿內腔；內腔一端的進油管口和另一端的出油管口都通過保溫層伸出外腔。將儲熱裝置的外腔設計為底面直徑為700 mm、高520 mm；內腔底面直徑450 mm、高450 mm；材料使用不銹鋼304。儲熱裝置內各溫度監測點如圖3所示，坐標分別為：1(0,0,50)、2(0,0,225)、3(0,0,400)。儲熱裝置內腔的體積V=0.07 m3。換熱器結構如圖4所示，內外半徑分別為100 mm、200 mm，螺距40 mm，共10圈，總高度為400 mm。截面的截面直徑φ25 mm，內徑φ20 mm，長L=9.8 m，換熱器體積V1=0.0049 m3，V熔鹽=V-V1=0.065 m3，m熔鹽=2000×0.065=130 kg。

圖2 單元結構示意圖

圖3 各溫度監測點的位置分布

圖4 換熱器的結構尺寸參數

1.3 熔化實驗與實驗結果分析

相變材料的熔點約為142 ℃，設置實驗恒定溫度167 ℃，室溫為27 ℃，即傳熱介質導熱油以溫度167 ℃流入儲熱裝置進油管口，流經換熱器后，經儲熱裝置出油管口流出，進行換熱。圖5為相變材料加熱熔化過程中，點1～點3溫度隨時間的變化情況。

圖5 工況下監測點溫度隨時間的變化關系

由圖5可知：1)初始階段，溫度曲線的斜率較大，各溫度監測點上升較快，隨后曲線趨于平緩。這是由于加熱初始傳熱溫差較大，蓄熱速度較快，熔鹽溫度上升得快；傳熱溫差減小，熔鹽溫度上升緩慢。溫度監測點上升到142 ℃(約為415 K)時，溫度有個陡增階段，監測點溫度很快達到147 ℃(約為421 K）。這是由于實驗過程中所采用熔鹽的相變溫度約為415 K時開始熔化，隨著時間的增加，熔鹽溫度不斷上升，其液體密度小于固體密度，且液體密度隨著溫度的升高而降低。儲熱裝置內由上到下各平面的平均溫度出現差異，致使密度不同。在傳熱溫差的作用下，熔鹽開始流動，固體逐漸下沉，熔化的液體通過自然對流和熱傳導形式加快了熔化速度。

2)相變儲能材料熔化，直到達到一定溫度430 K后，曲線斜率減小，溫度變化較為緩慢。這是由于傳熱作用使得儲熱裝置內溫度基本趨于一致，并且隨著時間的推移，傳熱介質與熔鹽溫差較小，傳熱以熱傳導形式為主，致使各監測點溫度上升緩慢，最終達到約434 K，損失的熱量包括中間管道和儲熱裝置的散熱。

3) 3點溫度變化情況不同，點3溫度上升的速度最快，點1最慢，之間最大溫差約達10 ℃。這是由于相變材料密度隨溫度變化較小，但存在自然對流現象，自然對流使熔化的熔鹽在浮升力的作用下向上運動，致使上下表面出現溫差[6]。

2 模擬結果與討論

2.1 物理模型的建立

儲熱裝置的物理模型如圖6所示，換熱器一端管口為傳熱介質流入端qin，另一端管口為傳熱介質流出端qout，換熱器管道壁面為不銹鋼304，其余壁面絕熱，即不考慮儲熱過程中與外界環境的散熱損失。采用數值模擬的方法研究蓄熱介質熔鹽熔化過程中的溫度場隨時間的變化規律。

圖6 物理模型

2.2 模擬結果與分析

2.2.1 熔化過程的模擬分析

為了節省計算時間，忽略自然對流的影響，圖7是儲熱裝置內各監測點溫度隨時間變化的模擬值與實驗值的對比。

圖7 440 K工況下，監測點溫度隨時間變化情況的模擬值與實驗值對比

由圖7可知：1)模擬與實驗中各監測點溫度隨時間變化的規律相似。2)各監測點的溫度隨時間變化的模擬值與實驗值相差較小，數值計算的結果未出現實驗過程中溫度陡增的點。這是由于數值計算中忽略了自然對流的影響。3)模擬中各監測點的溫度變化速度大于實驗中的溫度變化速度，并且最終監測點的溫度達到440 K。這是由于模擬中忽略了整個儲熱裝置的散熱和換熱器管道壁面的熱阻所造成的。4)模擬結果與實驗基本相似，說明本文所選數學模型及Fluent設置準確可靠，可利用本文的模擬方法對一般情況下的相變過程進行模擬。

2.2.2 溫度場模擬分析

圖8所示是設定溫度為440 K(166.8 ℃)、流速為1.5 m/s時，相變材料熔鹽熔化過程中儲熱單元內距底部50 mm、225 mm、400 mm內部水平截面的溫度場隨時間的變化情況。

由圖8可知：1)熔化過程中，靠近換熱管壁面的區域溫度較高，PCM較先熔化，溫度傳遞由管道依次向周圍傳熱。2)由于換熱器的分布特點，同一平面上換熱器內圈溫度高，外圈溫度低，不同平面平均溫度溫差較小，無明顯溫度分層現象。3)距螺旋管換熱器較遠的四周和中間部位的PCM溫度上升最慢，四周出現傳熱死區。這是由于四周PCM距離換熱器較遠，熔化的PCM通過熱傳導形式將熱量傳遞到四周較為緩慢，四周為傳熱死區。

圖8 儲熱單元內距離底部50 mm、225 mm、400 mm內部水平截面的溫度場隨時間的變化情況

3 儲熱裝置的強化傳熱方法的數值模擬研究

由于換熱器的結構對相變儲熱裝置的蓄熱性能起著關鍵性作用，本節分別采用螺紋管換熱器結構和雙循環螺旋管換熱器結構來達到強化傳熱的目的。

3.1 物理模型及參數

3.1.1 螺紋管換熱器的結構參數

螺紋管換熱器的物理模型如圖9所示，尺寸參數如圖10所示。外徑D=25 mm，壁厚2.5 mm,峰谷間距h=1.8 mm，螺距P=3 mm；螺紋管換熱器內外徑R分別為100 mm、200 mm，共10圈，總高度為400 mm，總長度L=9.8 m。圖11為儲熱裝置的物理模型。數學模型、邊界條件以及初始條件和上述相同。

3.1.2 雙循環螺旋管換熱器的結構參數

圖9 螺紋管換熱器的物理模型

圖10 螺紋管換熱器的物理尺寸參數

圖11 單元組裝式儲熱裝置物理模型

保持儲熱單元、螺旋管換熱器芯體體積不變，即儲熱單元內所能容納的相變材料質量不變，減小芯體橫截面面積，從而增大了換熱器的傳熱表面積，達到增強傳熱的效果，其結構簡圖如圖12所示。圖13為增大換熱器傳熱面積的儲熱單元物理模型，換熱器內部芯體的幾何尺寸見表1。由于換熱器芯體體積沒變，即(πd12L1)/4=(πd22L2)/4，s1=πd1L1，s2=πd2L2，固s2/s1=d1/d2=25/18=1.4，即換熱面積增大了1.4倍。

圖12 雙循環螺旋管換熱器的物理模型

圖13 增大換熱器傳熱面積儲熱單元物理模型

表1 換熱器芯體的尺寸/mm

3.2 強化傳熱前后溫度場的對比分析

圖14為初始化溫度300 K，HTF以流速1.5 m/s、溫度440 K流入管道后，強化傳熱前后，3種結構下儲熱單元內距底部50 mm、225 mm、400 mm不同平面溫度場的對比情況。可觀察到同一時間，螺紋管換熱器使蓄熱速度變快，一定程度上加快了蓄熱速率，但處于四周的相變材料熔化仍然較慢，傳熱死區未得到有效改善；雙循環螺旋管換熱器結構由于換熱器在儲熱單元內的分布較均勻且傳熱面積增大，使儲熱裝置內溫度場分布均衡。由圖14可知，儲熱裝置內同一平面上溫度分布均勻，溫差較小，未發生單循環螺旋管和螺紋管結構中所出現的中部和四周換熱較慢現象，傳熱死區得到消除，熔化速度變快，有效縮短了蓄熱時間，蓄熱性能得到明顯改善。

圖15為強化傳熱前后，儲熱單元液相率隨時間變化的對比。由圖15可知，采用雙循環管經強化傳熱后的儲熱單元相變材料液相率首先達到1，傳熱效率明顯增大。t=1200 s時，采用雙循環螺旋管換熱器情況下，液相所占比例將近0.5；而使用單循環螺旋管換熱器結構液相所占比例僅為0.2；螺紋管換熱器結構液相率也不到0.3，可見雙循環螺旋管換熱器使得換熱面積增大，熱量通過對流及熱傳導使相變蓄熱速度增加，同一時刻液相所占比明顯增大，縮短了相變時間，相變時間比單循環螺旋管結構縮短近一半。

在易出現傳熱死區的地方建立溫度監測點T1(0,200,50)，圖16為3種結構下，點T1的溫度隨時間的變化關系對比。由圖16可知，使用螺旋管換熱器和螺紋管換熱器結構，點T1在初始很長一段時間內溫度都無明顯變化，這是由于儲熱單元四周為傳熱死區，導致整個過程中，點T1的溫度變化較為緩慢；采用雙循環螺旋管換熱器強化傳熱后，點T1溫度上升明顯；由于換熱器在儲熱單元內分布均衡，在熔點附近，相變潛熱表現顯著，曲線斜率出現由平緩到驟增的現象，并且消除了傳熱死區，強化了傳熱，有效改善了儲熱單元內的蓄熱性能。

模擬結果表明：1)將換熱器的傳熱面積增大到原1.4倍的情況下，采用雙循環螺旋管換熱器結構，相同工況下，無傳熱死區的出現；儲熱單元內相變材料的蓄熱速度加快，且溫差越大；蓄熱速度越快，相變時間越短。2)通過增大傳熱面積，即減小換熱器管道橫截面面積增大圈數，在強化傳熱的同時，也給傳熱介質HTF增加一定阻力，動力消耗增大，會給實際操作帶來費用增加。

圖14 強化傳熱前后，儲熱單元溫度場的分布

6)層壓后的組件應充分降溫后才能進行削邊，宜采用玻璃面向下的方式削邊和裝框；

7)裝框前的層壓件應避免翻轉和人工搬運；

8)削邊和預組框等工作臺面應足夠大，組件居中放置后，其邊緣到臺面邊緣的距離應大于200 mm；

9)蓋緊接線盒盒蓋時用力應適度，且臺面下對應的位置應設置一個較大面積的支撐；

10)宜采用鋼架托盤或雙層木托盤來周轉平放的組件，使用液壓車時貨叉應完全穿過托盤。

5 結論

1) 根據隱裂的數量、形態和與主柵線的相對位置來確定互聯失效的風險，對應的產品接收準則是造成單個電池片面積的減少不超過10%；

2) 避免組件產生隱裂的基本原則是在層壓前應著重保證焊接質量，在層壓后避免組件受力造成局部變形過大。

[1] 楊暢民, 張豪, 黃國鋒. 電致發光成像在晶體硅電池和組件質量監測中的應用[J]. 中國建設動態: 陽光能源, 2009, (6):42－43.

[2] 肖嬌, 徐林, 曹建明. 缺陷太陽電池 EL 圖像及伏安特性分析[J]. 現代科學儀器, 2010, 1(5): 105－108.

[3] 王超, 蔣曉瑜, 柳效輝. 基于電致發光成像理論的硅太陽電池缺陷檢測[J]. 光電子. 激光, 2011, 22(9): 1332－1336.

[4] 陳文志, 張鳳燕, 張搖然, 等. 基于電致發光成像的太陽能電池缺陷檢測[J]. 發光學報, 2013, 34(8): 1028－1034.

[5] 索雪松, 高亮, 王楠等. 太陽能電池板缺陷EL檢測系統的設計[J]. 中國農機化學報, 2013, 34(3): 175－178.

[6] 何紀發, 賴其濤. 全自動光伏組件缺陷測試設備的設計[J].電子工業專用設備, 2013, (6): 36－39.

[7] 李娜, 張志根, 武耀忠, 等. 隱裂電池片在標準測試后的變化及分析[J]. 中國建設動態: 陽光能源, 2011, (3): 69－71.

[8] 李長嶺, 江揚宇, 周華英, 等. 晶體硅光伏組件工藝研究[J].上海有色金屬, 2012, 33(3): 135－137.

[9] K?ntges M, Kajari-Schr der S, Kunze I, et al. Crack statistic of crystalline silicon photovoltaic modules[J]. 26th EU-PVSEC,2011, 3290－3294.

[10] International Electrotechnical Commission. IEC 61215 crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules-design qualifi cation and type approval [J]. International Electrotechnical Commission: Geneva, 2005.