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1、第 卷第期 年月热科学与技术 文章编号：（）：固固相变蓄热材料在太阳能高温空气集热系统中的应用研究胡 仁 林，刘 振 华，赵峰，肖 红 升（上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 ；江苏桑夏太阳能产业有限公司，江苏 南通 ）摘要：为利用太阳能获得稳定持续的高温空气工质，除了有效集热外，还需要解决因太阳辐射强度变化导致输出工质温度波动的问题。在性能优良的太阳能集热系统中采用蓄热技术是解决此问题的有效途径。根据给定的设计目标，研究将固固相变蓄热材料季戊四醇应用到太阳能集热蓄热一体化的实验装置中。实验结果表明：按集热蓄热一体化思路设计的实验装置，集热单元能够输出最高温度超过 的高温空气，蓄热单元能够
2、将高温空气的温度稳定在蓄热材料的相变温度附近。并且随着蓄热管级数的增加，空气出口温度稳定的时间就越长，为利用太阳能获得稳定持续的高温热媒工质奠定了基础。关键词：太阳能；高温空气；相变蓄热中图分类号：文献标识码：收稿日期：；修回日期：作者简介：胡仁林（），男，安徽铜陵人，硕士生，主要研究方向为太阳能集热器 ：；刘振华（），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为中高温太阳能集热器的开发及应用 ：引言能源紧缺越来成为制约人类社会发展的瓶颈，太阳能作为一种清洁、可再生能源成为研究的重点。但由于地球上接受到的太阳光照受天气影响较大，使其应用受到限制。蓄热技术则可以缓解因太阳辐射强度变化带来的问题，其
3、中相变蓄热具 有 蓄 能 密 度 高、蓄 热 温 差 变 化 小 等 优点，在太阳能集热方面有重要的用途。早在 年美国的 及其同行就在马萨诸塞州建起了世界上第一座 被动太阳能暖房。等研究了季戊四醇及相关的多元醇在固固相变过程中的热力学特性和机理，以及这些材料在太阳能蓄热系统中利用的可行性。等对相变储热材料 在太阳能热泵的应用进行了一系列研究，指出使用储热技术，太阳能热泵特别在晚上有很好的供热性能。姜益强等用相变蓄热材料在夏季将太阳能储存起来，在冬季通过热泵系统将储存在相变蓄热材料中的热量取出来供给室内取暖，满足建筑物的热负荷需求。本实验从中高温固固相变材料中进行比较筛选，结合太阳能集热系统的目
4、标输出温度，选取相变性能稳定、相变潜热大且无毒害的季戊四醇，作为应用相变材料，并针对高温空气集热工程应用建立一套实验系统。实验结果表明：增加蓄热材料后，集热系统可以有效地将流动工质的温度稳定在蓄热材料的相变温度附近。太阳能集热蓄热系统结构图、是按集热蓄热一体化思路设计的太阳能真空管式内部套管传热的实验装置的实物照片及示意图。整个实验装置由 级集热单元、级蓄热单元和附加设备三部分组成。集热、蓄热单元的结构相同，都是由经工艺简化的聚合抛物线式反射聚光板（）、太阳能双层玻璃真空管以及安装在其内的紫铜换热套管等组成。简化式 是由不锈钢镜面板弯制而成，其宽度为 ，长度为 ，安装在底部支架上，结构如图所示
5、。图高温太阳能集热蓄热系统图片 图高温太阳能集热蓄热系统整体结构示意图 图简易型 结构图（单位：）（：）在换热套管与真空管内壁的空隙之间填充有导热或蓄热介质。不同的是：集热单元的填充介质为高温导热油与石墨粉末颗粒的混合物，其作用是将真空集热管收集的太阳能传导到换热套管。而蓄热单元的填充介质为季戊四醇、导热油和石墨的混合物，混合物在起导热作用的同时还起到蓄热作用。在室内预备实验中，已经确定好三种材料的最优混合比例，使按比例混合的材料在具有较高的单位体积蓄热能的同时具有较高导热系数，以兼顾其蓄热和热传导两方面的性能。真空管内部的构造及空气的流动情况如图所示。附加设备由空气压缩机、储压罐以及相关的测
6、量元件等组成。空气压缩机向实验装置提供流动工质 压缩空气，大型储压罐用来减小空气压力波动。测量元件包括空气流量计、热电偶和空气流路压力传感器。实验装置中热电偶布置如图所示，每个集热单元的空气进出口处、套管外管外壁管长中间处以及玻璃管内管内壁管长中间处各安装一个 型热电偶。图真空管内部构造及空气流动示意图 图热电偶探头分布图 太阳能集热蓄热系统的实验研究 蓄热材料导热系数的测量本文相变材料选用的是季戊四醇，其物性参数如表所示。表季戊四醇的物性参数 固固相变温度相变潜热（）导热系数（）密度（）蓄热管中填充的蓄热材料为季戊四醇、导热第期胡仁林等：固固相变蓄热材料在太阳能高温空气集热系统中的应用研究油
7、和石墨的混合物。导热油的型号为 ，石墨微粒的粒径为 目。通过室内实验确定三种材料的最优混合比例，以平衡好蓄热和热传导两方面的性能。本试验采用热探针法来测量混合物的导热系数。首先测量的是季戊四醇和石墨微粒两种材料不同体积比例搭配后的导热系数。将混合后的材料倒入圆筒状不锈钢容器中轻轻压实，将热探头竖直插入被测样品中，开通直流稳压电源并记录温度数据，到一定时间后关闭电源停止记录。每种体积混合比例测量三遍取平均值，一共测量组，数据如表所示，其中 为季戊四醇的简称。表混合物导热系数 （）（石墨）（）由表可以看出，随着石墨比例的增加材料整体的导热系数呈上升趋势，由最小的 （）增加到 （）。虽然变化趋势明显
8、，但数值仍然较小。这主要是因为颗粒与颗粒之间有着大量的缝隙存在，而空气的导热系数只有 （），导致整体的导热系数无法提高较多。因此通过添加导热油来进一步提高导热系数。考虑到石墨添加的过多会减少单位体积内的季戊四醇的含量，因此选取两份材料，一份石墨比例 ，一份石墨比例 ，作为下面的实验材料。将混合好的材料倒入不锈钢容器中，然后用量杯量取相应比例的导热油灌入混合材料中，在灌入的过程中要不断搅拌，使之充分混合。测量结果如表、所示。在表中，可以看出当导热油与固体材料的体积比为 的时候，混合物的导热系数为所有测量数据中的最高值 （）。在表中，当导热油与固体材料的体积比为 的时候，混合物的导热系数为所有测量
9、数据中的最高值 （）。在实际的混合当中，当导热油的比例为 的时候，混合物呈现黏结成块的情况，相当一部分混合物仍然保持表面干燥。当导热油的比例加到 的时候，黏结情况有很大改善，整个混合物可以混合均匀，但仍有小部分颗粒保持干燥。当油的比例为 的时候，混合物可以完全浸润。最后综合混合物体积增加情况选择导热系数为 （）的混合物为系统实验材料。表 固体材料构成（）（石墨）（）（）（）（）（油）（固料）（）表固体材料构成（）（石墨）（）（）（）（）（油）（固料）（）蓄热材料其他物性参数的测量与计算蓄热材料的蓄热功能是依靠伴随相变过程而发生的吸热放热现象而实现的。本实验采用恒定热流密度加热分析法来测量蓄热材
10、料的相变温度，实验结果表明蓄热材料的相变温度区间为 ，结合季戊四醇的物性参数可知，添加导热油及石墨后的其相变温度保持不变。从化工词典中查得石墨的密度为 ，并由厂家提供的检测报告知 型导热油的密度为 ，据此可计算出混合后蓄热材料的相关物性参数如表所示。表混合物的组分及物性参数 （）（石墨）（导热油）（）（石墨）（导热油）密度（）相变潜热（）相变温度 热科学与技术第 卷 太阳能集热蓄热系统的实验第一次实验日期是 年 月 日，当日天气晴到多云，环境最高温度达到。实验中工质入口压力稳定在 ，工质的流量受入口压力和入口温度影响，在 波动。图列出的是空气在前级集热单元流动传热时进出口温度变化的实验曲线。从
11、图可以看出，测量的空气出口温度随着太阳能集热管的增加而升高，显示出太阳能真空管式内部套管传热实验装置良好的高温集热特性。在晴到多云的天气条件下，仅仅通过根集热管工质最高温度就可以超过 ，这在国内外的 型太阳能集热器研究中都是一个领先指标。图集热单元级测量出口温度 在第根管之后，由于高温辐射热损失增大，空气流经各级集热管的温升很缓慢，最高温度在 左右。这说明单纯增加管数并不能无限制提高工质温度，但是增加管数可以增加工质流量，从而提高输出总功率。图是放在集热系统最末段的蓄热单元（第 管）的空气出口温度曲线图，为便于比较，无储热材料的第 根管的温度变化曲线也放在图中。从图可以看出；无储热材料的第 根
12、管的空气出口温度随着太阳辐射的消长而变化明显。但当使用储热材料后，当空气温度在蓄热材料的相变温度附近时温度能够保持相当一段时间不再变化，此时太阳辐射强度的变化对空气出口温度的影响减小。随着蓄热管级数的增加，空气出口温度的稳定时间就越长。本实验中，储热管只有根，储热材料充填量比较少，恒温时间还比较短，但已经确认在集热管内充填储热材料是一种简单有效的储热方法。下步试验将采用大口径集热管，并减小换热管外径来增加储热材料充填量。图蓄热单元空气温度曲线 第二次实验日期是 年 月日，当日天气晴到多云，环境最高温度达到。图是根单根蓄热管的集热功率随时间变化曲线图。在上午随着空气集热温度升高，蓄热材料进行相变
13、吸热的开始阶段，集热功率为负值。而在下午随着空气集热温度降低，储热材料相变放热时，集热功率有一个正的峰值，而在中间时间，集热功率变化比较稳定。图蓄热管集热功率曲线 图是太阳能集热蓄热系统总输出功率曲线。从图可以看出：在 这个时间段，相比于没有安装储热管的系统（管），安装了根储热管的系统（管）的整体功率输出特性有所改善，在午后时间功率输出有所提高，而且更加均匀。反映出蓄热材料在太阳能集第期胡仁林等：固固相变蓄热材料在太阳能高温空气集热系统中的应用研究热中所起到的消峰填谷的作用，能够一定程度上平稳空气温度因太阳辐射强度变化带来的波动。本系统只安装了根储热管，储热功能表现还不是很明显，下一步工作将把
14、所有玻璃集热管都做成储热型，进一步了解整体系统集热储热能力。图太阳能集热蓄热系统输出功率曲线 结论本文设计并建立了一套采用简化 集热板的真空管式太阳能高温空气集热储热系统并进行了实验研究。该实验装置由 级集热单元、级蓄热单元组成。集、蓄热单元的结构相同，内部填充介质不同。实验得到结论。）实验装置中集热单元的空气最大出口温度可以达到 以上，试验系统表现出良好的高温集热特性。）集热管内充填蓄热材料可以有效地稳定流动工质的出口温度，起到一定的消峰填谷作用。）在集热单元后加装蓄热管，系统集热功率受太阳辐射强度的影响减小。可以预测：随着蓄热管数的增加，系统集热功率曲线会更趋于平缓。参考文献（）：陆维德太
15、阳能利用技术发展趋势评述世界科技研究与发展，（）：，（）：（）沈学忠，张仁元相变储能材料的研究和应用节能技术，（）：，（）：（），（）：，（）：张寅平，胡汉平，孔祥冬，等相变贮能：理论和应用合肥：中国科学技术大学出版社，：，（）：，（）：，（）：姜益强，齐琦，姚杨，等太阳能季节性相变蓄热热泵系统在哈尔滨应用的模拟研究暖通空调，（）：，（）：（）樊耀峰，张兴祥有机固固相变材料的研究进展材料导报，（）：，（）：（）陆琳，陆方，罗永浩，等探针法测量水稻秸秆热导率 ，上 海 交 通 大 学 学 报，（）：热科学与技术第 卷 ，（）：（），（，；：，）：，：；责任编辑：郭万慧第期胡仁林等：固固相变蓄热材料在太阳能高温空气集热系统中的应用研究