太阳能热发电中铝基合金高温相变储热材料及储热系统研究

论文摘要

能源是人类赖以生存和发展的基础,随着全球工业的迅猛发展,全球化石燃料不断减少,迫切要求各国开发利用新能源。太阳能是巨大的能源宝库,具有清洁无污染、取用方便等特点,但是太阳辐射具有显著的稀薄性、间断性和不稳定性,而蓄热技术是满足生产和生活中连续利用太阳能的最好方法之一。在多种储热技术中,固-液相变储热因具有储热密度大、储热过程近似恒温、体积变化小、过程易控制等优点而得到各国科学家的广泛重视。本文研究对象是铝合金高温相变储热材料及其储热系统。该相变储热材料具有高的相变潜热、大的储热密度、性能稳定、导热系数大等优点,具有很大的开发潜力。本文通过设计不同成分铝合金相变储热材料并进行相关热物理性能实验,分析了储热材料高储热密度的机理,选取了一种高效的太阳能高温储热材料。铝合金高温储热系统的合理设计可以提高储热室内的热交换能力,延长储热系统使用寿命,增强系统运行稳定性,也是整个储热系统成功、高效运行的关键因素。本文选择多种保温性能良好的保温材料,通过传热计算优化设计了储热室保温材料组合。高温铝合金对普通不锈钢、碳钢均具有较强的腐蚀能力,本文通过分析新型陶瓷材料的高温性能以及高温铝合金对不锈钢的腐蚀机理,研究了新型陶瓷材料、耐热钢以及镍基高温合金作为储热管道材料的可行性。本文还针对以铝合金作为高温储热材料、空气作为传热介质的储热室进行了结构设计,包括折流挡板的使用、管道排列、储热室内换热过程的强化以及进、出气口布置等,计算了两种不同结构储热室的平均对流传热系数,并借助计算机三维绘图软件UGNX4绘制了不同储热室结构的三维模型。研究结果表明:铝硅合金密度高、潜热大,在太阳能高温储热方面具有很大的前景;设计出的储热室及管道材料能很好的满足课题需要,同时热交换充分,储热效率高,为下一步对储热室的模拟及实际建立打下了基础,该储热系统具有很大的开发潜力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的背景及意义
• 1.1.1 我国能源问题现状
• 1.1.2 解决我国能源问题的对策
• 1.1.3 太阳能利用
• 1.1.4 储热材料概述
• 1.1.5 热交换装置
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 储热材料研究及应用现状
• 1.2.2 储热装置研究现状
• 1.3 本课题主要研究内容
• 1.3.1 已有研究工作的不足
• 1.3.2 本文主要工作
• 第2章 铝合金储热材料
• 2.1 铝合金储热材料制备
• 2.1.1 熔炼及辅助材料
• 2.1.2 熔炼前的准备
• 2.1.3 熔炼工艺要点
• 2.2 铝合金储热材料的选择
• 第3章 管道材料
• 3.1 陶瓷管道材料
• 3.1.1 碳化硅陶瓷
• 3.1.2 氮化硅陶瓷
• 3.1.3 塞隆陶瓷
• 3.2 耐热钢管道材料
• 3.3 高温合金管道材料
• 3.4 管道材料的封装
• 3.5 储热材料及管道数值模拟
• 第4章 保温绝热材料
• 4.1 实验方案制定
• 4.2 保温材料计算及选择
• 第5章 储热室研究
• 5.1 本课题储热室传热模型分析
• 5.2 储热室选型
• 5.2.1 沉浸式热交换器
• 5.2.2 套管式热交换器
• 5.2.3 管壳式热交换器
• 5.3 流体及管道参数
• 5.3.1 流体流速的选择
• 5.3.2 管道参数的选择
• 5.4 储热室结构设计
• 5.4.1 无折流板储热室结构设计
• 5.4.2 带折流板储热室结构设计
• 5.5 储热室结构及对流传热系数计算
• 5.5.1 储热室结构计算
• 5.5.2 管壁对空气的平均对流传热系数计算
• 5.6 储热系统传热过程的强化
• 5.6.1 增大传热面积
• 5.6.2 采用小直径管
• 5.6.3 增大总传热系数
• 5.7 储热室性能的实验测试方法
• 5.7.1 储热室性能测试系统
• 5.7.2 储热室的研究方法
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录