太陽能熱發電復合相變蓄熱材料的實驗研究

李勇,郭蓓,黃官飛,譚書鵬,河合武,宮保修一,束鵬程

(1.西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安; 2.日本揖斐電株式會社, 503-8604, 日本大垣)

太陽能熱發電復合相變蓄熱材料的實驗研究

李勇1,郭蓓1,黃官飛1,譚書鵬1,河合武1,宮保修一2,束鵬程1

(1.西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安; 2.日本揖斐電株式會社, 503-8604, 日本大垣)

針對相變材料無機鹽KNO3/NaNO3(摩爾比50/50)導熱系數低,影響了蓄熱系統充放熱過程傳熱效率,制備了適用于太陽能熱發電系統的無機鹽/膨脹石墨復合相變材料,對復合相變材料的微觀結構和熱物性進行了分析,并搭建充放熱測試平臺對相變材料分別進行了熱性能研究。結果表明:復合相變材料中的無機鹽均勻分布在膨脹石墨中,其相變潛熱與基于復合材料中無機鹽質量分數的計算值相當,添加膨脹石墨后相變材料的導熱系數得到了改善;在充熱過程中純無機鹽的換熱方式以自然對流為主,同一蓄熱單元內沿軸向上下位置溫差較大,不同蓄熱單元內相同位置完成充熱過程所需時間從上到下依次增加,而對于無機鹽/膨脹石墨復合相變材料(質量比90/10)充熱過程以導熱為主;與純無機鹽不同,同一蓄熱單元內沿軸向上下位置溫度變化趨勢基本一致,不同蓄熱單元相同位置完成充熱過程所需時間幾乎沒有差別。添加膨脹石墨后,相變材料的充熱過程所需時間減少較小,而放熱過程所需時間減少約45%,傳熱介質流量的變化對復合相變材料充/放熱過程影響較小。

KNO3/NaNO3;膨脹石墨;相變材料;太陽能熱發電

化石燃料的消耗導致大氣污染和溫室效應日益嚴重,無污染可再生的新能源越來越被重視。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的能源,可作為取代舊能源的方法之一。由于太陽能不連續、不穩定的特點,所以蓄熱技術使得穩定持續地使用太陽能成為可能。相變材料由于蓄熱密度大、相變時溫度波動區間小而引起越來越多的重視和研究[1-4]。然而,相變材料普遍存在導熱系數低的缺點,降低了充/放熱過程的換熱效率。許多學者研究了如何改善相變材料換熱效率的方法,Velraj等在管道上使用豎直肋片以增加換熱面積,結果表明傳熱速率得到很大的提高[5]。Fukai等使用碳纖維刷作為導熱強化材料填充在相變材料中,碳纖維體積分數僅為1%時蓄熱裝置的換熱效果就得到了明顯的改善[6]。文獻[7-8]在相變材料中添加金屬泡沫,雖然在充熱過程中對流換熱被減弱,但由于導熱系數的提高,充/放熱所需時間得以減少。文獻[9]沿流體流動方向布置3種相變溫度由高到低的相變材料,各個單元中完成充熱過程所需時間依次增加。應用于太陽能熱發電系統中的蓄熱系統溫度區間一般在100～300 ℃之間,共晶鹽KNO3/NaNO3(摩爾比50/50)的熔點為220 ℃,相變潛熱為106.5kJ·kg-1,同時KNO3/NaNO3具有過冷度可忽略、良好的化學穩定性、無相分離、低腐蝕性以及成本低等特點[10],適合作為蓄熱材料應用于太陽能熱發電系統中。

與其他相變材料一樣,無機鹽存在導熱系數低的缺點,因此本文以無機鹽KNO3/NaNO3作為相變材料,膨脹石墨作為導熱強化材料,制備了無機鹽/膨脹石墨復合相變材料,并對其微型結構與熱物性進行了分析。將無機鹽/膨脹石墨復合相變材料(質量比90/10)封裝在3個圓柱型蓄熱單元中,3個蓄熱單元從上到下依次排列,合成導熱油作為傳熱介質在蓄熱裝置中間管道內流入,搭建充放熱測試平臺對復合相變材料的傳熱性能進行了實驗研究,分析了膨脹石墨對相變材料內部傳熱過程的影響,并與純無機鹽進行了比較分析。

1 實驗方法

1.1 分析與測試

采用掃描電鏡(日本,Hitachi-FE-SEM-S-4800)觀測無機鹽/膨脹石墨復合相變材料的微觀結構,使用差示掃描量熱儀(Perkin Elmer-DSC-7)測量了無機鹽以及復合相變材料的潛熱以及熔點溫度,并使用熱線法分別測量了它們的導熱系數。

1.2 實驗測試平臺

S1表示位于最下面的蓄熱單元;1,2,…,9表示熱電偶的位置(a)結構圖 (b)熱電偶布置

本文所使用的不銹鋼蓄熱單元高為550 mm、外徑為139.8 mm、壁厚為3 mm,其結構尺寸如圖1所示。3個蓄熱單元從上到下依次布置。蓄熱單元中間為外徑27.2 mm、厚度2 mm的不銹鋼管道,合成導熱油作為傳熱介質從上而下流入。在每個蓄熱單元中分別布置9個K型熱電偶,熱電偶在蓄熱單元中的位置如圖1所示。實驗中分別對純無機鹽以及無機鹽/膨脹石墨(質量比90/10)復合相變材料的充/放熱性能進行了測試。充熱過程中,蓄熱材料的初始溫度為室溫,合成油的進口溫度為300 ℃;放熱過程中,合成油的進口溫度為180 ℃。

相變材料充/放熱性能測試平臺如圖2所示。充熱過程中,開通蓄熱單元的旁路,循環導熱油經電加熱器加熱達到所需溫度后,關閉旁路側閥門,打開蓄熱單元側閥門,導熱油流入蓄熱單元中間的管道,開始充熱過程。使用自動控制裝置用以控制進口油溫在所需溫度范圍內。放熱過程中,流體方向與充熱過程時方向相同。在蓄熱單元上部與下部分別布置熱電阻(pt100)測量進出口油溫。在蓄熱單元以及管道外部包裹絕熱材料用以減少熱損失。數據采集器(安捷倫34790A)每10 s采集一次實驗數據。

圖2 充/放熱性能測試平臺示意圖

2 結果與討論

2.1 微觀結構以及熱物性分析

本文制作的無機鹽/膨脹石墨復合相變材料在不同放大倍數下的掃描電鏡照片如圖3所示。從圖3a可以看出,無機鹽較為均勻地分布在膨脹石墨中。從更大倍數的掃描照片可以看到無機鹽以固態形式密集地包裹在膨脹石墨粉末上。

(a)500倍

(b)2 500倍

(c)5000倍

本文通過熱線法對膨脹石墨質量分數不同的復合相變材料的導熱系數進行了測量。如圖4所示,純無機鹽的導熱系數僅為0.5W·m-1·K-1,在無機鹽中添加了膨脹石墨后,導熱系數得到了明顯的改善。復合材料的導熱系數隨著復合材料中膨脹石墨質量分數的增加而增大,膨脹石墨質量分數為10%的復合相變材料的導熱系數為1.96 W·m-1·K-1,與純無機鹽相比增加了將近3倍。當膨脹石墨質量分數增加至25%甚至50%時,復合相變材料的導熱系數增加更為明顯,但復合相變材料的潛熱相應減少。如圖5所示,純無機鹽的相變潛熱為106.5kJ·kg-1,膨脹石墨質量分數為10%、25%、50%和75%的復合相變材料的相變潛熱分別為96、76.4、50.3和24.6 kJ·kg-1,這與按照復合相變材料中無機鹽質量分數的計算值相當。無機鹽以及無機鹽/膨脹石墨(質量比90/10)復合相變材料的物性參數如表1所示。

表1 無機鹽以及無機鹽/膨脹石墨(質量比90/10)復合相變材料的熱物性參數

物性參數 復合相變材料無機鹽密度/kg·m-318801920相變潛熱/kJ·kg-196106 5相變起始溫度/℃220220相變結束溫度/℃223220導熱系數/W·m-1·K-11 960 5比熱容/J·kg-1·K-113401350

圖4 膨脹石墨質量分數對復合相變材料導熱系數的影響

圖5 膨脹石墨質量分數對復合相變材料潛熱的影響

2.2 相變材料的傳熱性能

蓄熱單元S2內充/放熱過程中不同位置的純無機鹽和復合相變材料溫度隨時間的變化如圖6所示,圖中位置S2-1、S2-2和S2-3距離油管最遠,且到油管的距離相同。從圖6a中可以看出,對于純無機鹽,在充熱過程前1 200 s無機鹽大部分以固體狀態存在,傳熱方式以導熱為主,所以溫度變化趨勢比較相似。隨后,S2-3處的溫度較其他2處上升明顯加快,而且在加熱的大部分過程中3個位置的溫差較大,造成這一現象的原因是因為無機鹽液體中自然對流的產生加快了無機鹽的熔化。對于復合相變材料來說,3個位置在整個充熱過程中溫度變化趨勢十分類似。分析認為添加膨脹石墨影響了液體無機鹽中自然對流的產生,在整個傳熱過程中導熱占主導地位。雖然S2-3處復合相變材料完成充熱過程所需時間與該位置純相變材料相比有所增加,但蓄熱單元內復合相變材料全部完成充熱過程并達到最終的穩態溫度所需時間與純無機鹽相比有所縮短,因此添加膨脹石墨后相變材料的傳熱效率有所提高。放熱過程如圖6b所示,純無機鹽以及復合相變材料的傳熱過程中皆以導熱為主,所以即使在純無機鹽中3個位置的溫差也不大。與純無機鹽相比,無機鹽/膨脹石墨復合相變材料的導熱系數明顯增加,因此放熱過程所需時間減少了約45%,其他蓄熱單元內相同位置的傳熱過程與蓄熱單元S2類似。

(a)充熱過程

(b)放熱過程

圖7 S3-1、S2-1和S1-1位置純無機鹽和復合相變材料溫度隨時間的變化

在進口油溫皆為300 ℃且流量均為10 L·min-1的條件下,不同蓄熱單元內位置1處的相變材料溫度變化如圖7所示。在開始階段,S3-1、S2-1和S1-1處的溫度變化趨勢較為一致。在100 ℃附近有一段時間溫度變化較小,是因為無機鹽在該階段發生了固固相變,隨后3個位置的溫差逐漸拉大。由于進口位置油溫較高,3個單元相同位置從上到下依次發生熔化。當該位置無機鹽達到熔點溫度時,其溫度上升加速,這是因為自然對流引起了無機鹽的熔化加速。對于復合相變材料,3個蓄熱單元內相同位置的溫度變化趨勢較為一致,沒有出現無機鹽中溫差較大的現象,說明以導熱為主的傳熱方式使得3個蓄熱單元內的傳熱過程并沒有太大的區別。對于復合相變材料,可以從圖7中看到明顯的固液相變過程,因此可以推斷出復合相變材料內傳熱方式以導熱占主導地位。

在進口油溫均為300 ℃,流量分別為5、10和15L·min-1的情況下,S3-1處相變材料的溫度變化趨勢如圖8所示。流量的變化對蓄熱材料的傳熱過程影響較小,在放熱過程中流量為5L·min-1的情況下,放熱過程所需時間有所增加。

(a)充熱過程

(b)放熱過程

3 結 論

由于無機鹽KNO3/NaNO3(摩爾比50/50)的導熱系數較低,不能滿足太陽能熱發電充/放熱系統中對傳熱速率的要求,本文制作了無機鹽/膨脹石墨復合相變材料,以增加相變材料的導熱系數。通過掃描電鏡對其微觀結構進行了分析,無機鹽較為均勻地分布在膨脹石墨中,同時對復合相變材料和純無機鹽的熱物性進行了比較,復合相變材料的潛熱值與按照復合相變材料中無機鹽質量分數的計算值相當。添加膨脹石墨后相變材料的導熱系數明顯改善,質量比為90/10的無機鹽/膨脹石墨復合相變材料的導熱系數為1.96 W·m-1·K-1,與純無機鹽相比增加了將近3倍。

本文搭建了相變材料充/放熱測試平臺,把純無機鹽和無機鹽/膨脹石墨(質量比90/10)復合相變材料封裝在3個蓄熱單元內分別進行了充/放熱性能實驗,結果表明純無機鹽傳熱過程以自然對流為主,自然對流加速了相變材料的熔化。在同一蓄熱單元內加熱過程中上下位置溫差較大,完成充熱所需時間差別也較大。不同蓄熱單元內最外最下位置蓄熱材料傳熱過程趨勢較為一致,但完成熔化所需時間從上到下依次增加。對于復合相變材料,傳熱過程以導熱占主導地位,無論是同一蓄熱單元的不同位置,還是不同單元的相同位置,其溫度變化趨勢較為一致。在相變材料中添加膨脹石墨影響了對流換熱的產生,但由于導熱系數明顯增加,充熱過程所需時間有所縮短,放熱過程所需時間約減少了45%,因此認為無機鹽/膨脹石墨復合相變材料更適用于大規模蓄熱場合,尤其是對蓄熱量以及蓄熱時間有嚴格要求的太陽能熱發電系統。

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(編輯 荊樹蓉)

ExperimentalInvestigationonPhaseChangeThermalStorageMaterialCompositeforSolarEnergyThermalPower

LI Yong1,GUO Bei1,HUANG Guanfei1,TAN Shupeng1,TAKESHI Kawai1,SHUICHI Kubo2,SHU Pengcheng1

(1.School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2.IBIDEN Ltd., Co., Ltd., 2-1 Kanda-cho, Ogaki, Gifu 503-8604, Japan)

Low thermal conductivity of inorganic salt KNO3/NaNO3(mole ratio 50/50) usually leads to low heat transfer efficiency of thermal energy storage(TES) system.Thus a phase change material (PCM) composite with inorganic salt and expanded natural graphite (ENG) for solar energy thermal power is prepared.The micro-structures and thermal properties are analyzed, and an experimental heat charging/discharging system is set up for testing the heat transfer performance of the PCM.The results show that the solid inorganic salt is uniformly distributed on the ENG powder inside PCM composite and the latent heat of PCM composite gets equal to the calculation of the mass ratio of inorganic salt.The thermal conductivity of PCM is enhanced after inserting ENG.The heat transfer in pure PCM is mainly controlled by natural convection, which results in a large temperature difference from top to bottom along the axial direction in the same TES unit, and the time for completing charging at the same positions in different units increases from top to bottom.For PCM composite(mass ratio 90/10), the heat transfer is mainly driven by thermal conductivity in charging process.The temperature variations are almost the same at the same locations in the radial direction in a unit, and the time for completing charging at the same positions in different units remains constant.After adding ENG into inorganic salt, the time for PCM completing charging decreases slightly, while the time for discharging reduces by 45%.The changed oil flow rates exert little influence on the heat transfer in PCM composite.

KNO3/NaNO3; natural expanded graphite; phase change material; solar energy thermal power

10.7652/xjtuxb201403010

2013-09-26。

李勇(1984—),男,博士生;郭蓓(通信作者),女,副教授。

時間: 2013-12-10

TK512.4

:A

:0253-987X(2014)03-0049-05

網絡出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20131210.1438.007.html