一種太陽能相變儲能材料蓄放熱性能的實驗研究

■ 劉鋒章學來周宇杜曉冬高雅漢

(1.上海海事大學；2.山東建筑大學)

一種太陽能相變儲能材料蓄放熱性能的實驗研究

■ 劉鋒1*章學來1周宇2杜曉冬1高雅漢1

(1.上海海事大學；2.山東建筑大學)

以硬脂酸為太陽能中溫相變儲能材料，建立了相變蓄熱裝置蓄放熱特性測試實驗臺，對儲能單元含有50%和80%相變材料以及純水的儲能箱分別進行3組放熱性能實驗測試。結果表明，在放熱過程中，儲能箱在裝有相變材料放熱時水溫波動比純水放熱時的水溫波動大，可在一定時間內維持局部溫度不變；在儲能箱蓄熱水溫都達到80 ℃、冷水以1.2 L/min進入儲能箱進行緩慢換熱時，儲能單元含80%相變材料的放熱能力最強，儲能單元含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；太陽能；相變儲能；有效能

0　引言

新能源和可再生能源是非化石能源發展的必由之路，而太陽能是理想和潔凈的新能源，是最值得人類開發利用的替代能源[1]。太陽能不僅有著可再生能源的巨大潛力，提供清潔能源，而且太陽能行業的發展可增加就業率[2]。由于太陽能具有很強的間歇性和不穩定性，使得太陽能相變儲能技術應運而生。

太陽能相變儲能即利用相變材料將太陽能儲存起來，再換熱給用戶使用。太陽能中溫相變儲能與生活用熱息息相關，近些年，有許多國內外學者對太陽能相變儲能在家庭生活用熱中的應用有深入研究。崔潔[3]對太陽能相變儲能地板采暖系統進行了熱性能分析；趙文佳[4]研究了適合應用于太陽能發電的高溫相變材料熱物性的強化；袁小永[5]設計了一種適用于太陽能熱水系統的無機水合鹽相變蓄熱裝置；Kant等[6]研究了太陽能相變儲能在農產品干燥方面的利用；Dheep等[7]提出穩定性好的有機相變材料——苯甲酰胺和癸二酸，其更加適用于中溫太陽能儲能；Kapsalis等[8]將相變材料應用在建筑及熱泵方面；Xue[9]用傳統的太陽能熱水器和與相變材料耦合使用的熱水系統進行比較，其中耦合系統的熱力性能比傳統的更為優良。

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

1　實驗裝置

太陽能相變儲能材料的蓄放熱性能測試系統如圖1所示，系統由太陽能集熱器、儲能箱、水泵、管路，以及數據采集系統組成。實驗分成3組，分別是儲能芯中為50%的相變材料、80%的相變材料和純水，分別對其進行蓄放熱試驗測試。為將儲能箱能量快速儲滿，選用3臺真空管式太陽能集熱器，真空管數為75根，長度為1.8 m，整個集熱器的集熱面積為9.6 m2。儲能箱為圓筒形，帶孔的分隔板將其分成上下兩部分，下部分儲存水，儲能芯置于上部，儲能箱的容積為67 L。水泵選微型循環水泵，最大揚程為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，輻照量數據采集選用四線制電阻，并用安捷倫數據采集儀將溫度和輻照量數據采集至電腦。

圖1　太陽能相變儲能材料的蓄放熱性能測試系統原理圖和實物圖

相變材料的蓄熱實驗從2016年3月 27日08:00開始，直到儲能箱中水溫達到80 ℃。實驗開始時，將太陽能集熱器上的遮陽板移除，以確保溫度平衡；關閉閥門5和6，啟動水泵，開始蓄熱，儲能棒上、中、下部分別有溫度探頭；輻照量和溫度都通過數據采集系統進行記錄，每10 s記錄一次；蓄熱實驗中使用水作為循環加熱工質，儲能箱中溫度達到80 ℃時，關閉循環水泵，蓄熱實驗結束。相變材料進行放熱時，打開閥門5和6，閥門6調到合適開度，以使儲能芯緩慢連續放熱。當水箱頂部出水口溫度接近40 ℃時認為放熱完成，記錄出水量。

裝有50%相變材料的蓄放熱實驗結束后，再做儲能芯中為80%的相變材料和純水的兩組蓄放熱實驗。同樣，儲能箱中水溫升高到80 ℃，放熱時都以當水箱頂部出水口溫度接近40 ℃時為放熱完成，記錄相關參數。待水完全放熱后，實驗結束。

1.1相變材料的選擇

由于硬脂酸熔點適合太陽能熱水系統，熔解熱較高，原料易得，對人體無任何毒害作用，且價格便宜[10]，故選其為此次太陽能相變儲能材料的蓄放熱性能測試的材料，其物性參數見表1。

表1　硬脂酸的熱物理性質

1.2儲能裝置

在蓄放熱過程中，相變材料從固態到液態或從液態到固態，液態的材料具有流動性，故要求相變材料在儲能系統中有容器封裝以保持穩定；而且需保證相變材料在容器中不泄漏，同時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現蓄放熱。目前常用的儲能式熱水系統主要采用塑料球封裝和金屬管封裝。由于鋁合金的導熱系數遠大于塑料(鋁合金和塑料的導熱系數分別約為10～20 W/(m?K)、0.3 W/(m?K)，在相變材料的蓄放熱實驗中易實現快速蓄放熱，且封裝較為簡單，硬脂酸對鋁合金無腐蝕、無溶透、無化學反應[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570 mm，壁厚2 mm。

蓄熱單元中的相變材料在吸收熱量達到相變溫度時，材料從固體變成液體，儲存相變潛熱。儲能完成后，放熱過程中，水從儲能箱底部流入，與相變儲能單元發生熱交換，相變材料溫度下降到相變溫度時，材料開始凝固，產生固液相界面，隨著放熱不斷地進行，固液相界面不斷遠離儲能單元壁面[12]，最后相變材料完全凝固，潛熱釋放完成。

圖2　相變材料儲能單元

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

圖3　儲能芯在儲能箱中的布置

1.3傳熱過程

太陽能蓄熱系統的能量轉化過程是通過太陽能集熱器將太陽能轉化成攜熱介質水的熱能，再經過循環將能量儲存到儲能箱中。太陽能蓄熱系統熱力性能評估的有用能Qu、儲存的能量Qs和系統效率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為儲能箱中水的質量；cw為儲能箱中水的比熱；mp為相變材料的質量；cp為相變材料的比熱；L為相變材料的潛熱值；Ts′為儲能箱的初始溫度；Ts′為儲能箱的終溫。

儲能箱在蓄滿能量后再將能量釋放出來，認為出水溫度在40 ℃以上的能量為有效能，在整個放熱過程中，儲能箱釋放的有效能Qa為：

式中，m為儲能材料質量；cp為儲能材料比熱容；ΔT為儲能箱出口水溫與40 ℃的溫差；Δτ為時間步長。

2　實驗結果與分析

本次相變材料的蓄放熱實驗將太陽能儲存在儲能箱中，再將冷水從儲能箱底部放入儲能箱，將熱量以熱水的形式釋放出來。此次實驗主要通過對比相變材料和水的蓄放熱過程，以判別相變材料和水的蓄放熱能力。

2.1蓄熱過程

儲能芯裝有50%相變材料的儲能裝置在太陽能儲能過程中，水在太陽能集熱器和儲能箱之間通過泵驅動循環。在集熱器出口的水溫要大于進口水溫，由于循環速度較快，儲能箱中的底部水溫要比上部水溫高，但溫差在2 ℃以內，所以水在儲能箱中的溫度分布大致相等。整個儲能過程水溫從室溫一直被集熱器加熱至80 ℃，儲能才完成，太陽能輻照量和水箱內水溫隨時間變化曲線如圖4所示。

儲能過程中，從08:00～10:47，儲能箱的蓄熱時長為167 min，太陽能平均輻照量為700 W/m2，進入系統的有用能Qu為67.5 MJ，整個儲能箱水和相變材料加熱至80 ℃，儲存的能量Qs為17.78 MJ，集熱系統的運行效率ηs為0.263。由于本次實驗主要將儲能箱中的能量蓄滿即可，因此并沒有在連接管路上做很好地保溫處理，而且連接管路內也充滿了同樣被太陽能集熱器加熱的熱水，所以蓄熱系統的光熱轉化效率較低。

圖4　太陽能輻照量和水箱內水溫變化曲線

此次蓄放熱實驗主要是在同樣的儲能空間下，儲能單元含有不同比例的相變材料對儲能裝置的放熱能力進行對比實驗及分析。因此，在蓄熱時只對儲能芯中含有50%相變材料的儲能裝置進行實驗記錄，其他兩組的儲能箱蓄熱水溫達到80 ℃即可，故不對其蓄熱過程的實驗數據進行記錄。

2.2放熱過程

第一組試驗中，當儲能箱中相變材料完全融化，水溫達到80 ℃時，關閉循環水泵，蓄熱完畢。放熱時，打開圖1中的閥門5和6并調整到合適開度，達到出水流量為1.2 L/min，冷水緩慢進入儲能箱，使之能夠充分與儲能箱中的相變材料進行換熱，從而釋放材料的相變潛熱。放熱從13:35開始，放熱過程中，一開始出水溫度維持在80 ℃左右，一段時間后才緩慢下降，直到出水溫度為40 ℃時，放熱過程結束。在整個放熱過程中，儲能箱頂部、中部和底部的水溫變化情況如圖5所示。

從圖5可看出，儲能箱的水在放熱過程中，開始放熱一段時間內，各部位水溫維持不變。由于有溫差的存在，溫度升高，水的密度會降低，在儲能箱中，溫度較高的水會在儲能箱的頂部，溫度低的水會在儲能箱的底部。經過緩慢放熱，由于相變材料與水發生熱交換，儲能箱中水溫會有小幅度波動。儲能箱中，放熱8 min左右儲能箱底部水溫開始下降；放熱17 min左右儲能箱中部水溫開始下降，在放熱28 min后儲能箱頂部水溫才開始下降。

圖5　儲能芯裝有50%相變材料時儲能箱放熱水溫分布情況

在儲能芯裝有50%相變材料蓄放熱實驗完成后，將儲能芯中的相變材料加至80%，同樣蓄熱到80 ℃，再進行放熱。以1.2 L/min的出水流量進行緩慢放熱，直到出水溫度降低到40 ℃時，水放熱結束。在水的整個放熱過程中，儲能箱中的水溫變化情況如圖6所示。

圖6　儲能芯裝有80%相變材料時儲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，使得儲能箱在放熱過程中各部位維持在80 ℃左右的時間更長，其放熱能力也就增強。同樣，由于相變材料的存在，水箱各部位水溫在很小范圍內有一定波動。放熱過程中，放熱10 min左右儲能箱底部水溫開始下降；放熱25 min左右儲能箱中部水溫開始下降；在放熱36 min后儲能箱頂部水溫才開始下降。

在兩組儲能芯裝有相變材料的蓄放熱實驗完成后，將儲能芯取出，往儲能箱中加滿自來水，再將儲能箱中的水溫升至80 ℃，然后按照相變材料放熱的方法將水的能量釋放出來，同樣以1.2 L/min的出水流量進行緩慢放熱，直到出水溫度降低到40 ℃時，水放熱結束。在水的整個放熱過程中，儲能箱中的水溫變化情況如圖7所示。

圖7　無相變材料時儲能箱放熱水溫分布情況

從圖7可看出，儲能箱裝滿自來水的情況下，在放熱時其各部位水溫變化情況較為緩和。由于沒有相變材料的緩和，儲能箱底部水溫直接從80 ℃開始下降；儲能箱中部水溫在放熱20 min左右開始下降；頂部水溫在放熱35 min左右開始下降。

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

2.3有效能分析

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

圖8　3種情況儲能箱出口水溫變化曲線

純水放熱時出水溫度在80 ℃的出水量比儲能芯裝有50%材料時的要多，與儲能芯裝有80%相變材料時在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種情況下的儲能箱放熱能力如表2所示。

表2　儲能箱放熱能力

利用有效能式(4)可分別計算出3組放熱的有效能，其中純水釋放出的有效能為8.2 MJ，儲能芯在裝有50%相變材料時釋放的有效能為8.9 MJ，儲能芯在裝有80%相變材料時釋放的有效能為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]。當儲能單元只裝有50%相變材料時，由于儲能箱容積較小，而且相變材料與水有二次換熱的發生[15]，相變材料的有效能跟水相比優勢并不明顯。但將儲能芯中的相變材料增加至80%，其放熱能力明顯增強，在儲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勢，相變儲能在家庭生活用熱中的效果更佳。

3　結論

本文利用硬脂酸作為相變材料應用于太陽能相變儲能系統中，對儲能芯含有50%和80%相變材料及純水的儲能箱進行蓄放熱性能測試與分析。可得到以下結論：

1)裝有相變材料的儲能箱在放熱過程中，由于相變材料的放熱，儲能箱中水溫波動比純水放熱時的水溫波動大，可在一定時間內維持局部溫度不變。

2)在儲能量相當的情況下，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)在相同儲能容積下，相變材料的有效能為水的1.62倍，相變儲能在家用熱水方面將發揮重要作用。

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2016-04-22

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