太阳能热发电用储热混凝土的制备与储热单元模拟分析

论文摘要

太阳能辐射能量不稳定,主要原因是云层的变化,当太阳能电站在进行热发电时,可能会突然受到云层的影响,集热器收到的辐射量短时间内不足,汽轮机不能适应这种不可控制的变化,储热系统可以在阳光正常时储热,在阳光不足时放出热来供给汽轮机运转发电,起到功率缓冲的作用,另一方面,储热材料可以把白天太阳辐射的能量以热能的形式储存起来,到了晚上释放出来进行热发电,这样可以起到削峰填谷的作用。储热系统是太阳能热电站的一个重要组成部分。本实验用铝酸盐水泥CA-80,工业铜矿渣,钢渣,石墨,制备了一系列太阳能储热混凝土样品,水泥用量对混凝土强度影响很大,水泥用量10%,石墨用量为5%时,烘烤后抗压强度可达42MPa,抗折达到6.3MPa,而水泥用量为6%时,烘烤抗压强度最高31.4MPa,抗折5.3MPa。石墨用量的增加会增加混凝土的用水量,降低强度,但可大幅提高热导率,C纤维属柔性纤维,对混凝土抗压强度影响不大,但增加抗折强度达33%。钢纤维对材料的抗压,抗折强度均有一定程度的提高,由于铜矿渣,钢渣,本身密度大,增加铜矿渣,钢渣含量可增加体积密度。基于现已制备的混凝土热导率数据对材料储热循环过程用ansys软件进行了有限元热模拟,用现实的储热系统结构,建立四方简化模型,分四个阶段,储热,保温,放热,保温,施加不同的载荷,四方模型顶点处离热管最远,在传热时存在滞后现象,热导率越低,滞后现象越明显,热导率越高,储热,放热速度越高,保温时材料内温度能很快达到平衡。模拟了管间距对储热性能的影响,当材料的热导率较低时,可缩短管间距来提高储热材料的储性能,但这样会增加管材的数量,增加储热系统的成本。新设计了两种储热结构,把热管三角错排,最小储热单元由四方形变成正六边形,呈蜂窝状,对称性好,最小面积不变,顶点离热管距离缩短了15%,储放热速度略有提高。另一种模型,在六边形单元的六角位置引入高热导率的石墨片,体积分数质量分数为5%,与掺5%石墨粉相比,等效热导率提高了近一倍,超过了5W/m℃,在储热分析中发现石墨片内温度梯度小,但在径向方向上热流量很大,通过储热材料的结构设计可大幅度提高储热系统的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 太阳能热发电方式
• 1.2.1 塔式太阳能热发电系统
• 1.2.2 槽式太阳能热发电系统
• 1.2.3 碟式太阳能热发电系统
• 1.3 太阳能热发电储热
• 1.3.1 储热材料的性能要求
• 1.3.2 无机耐火材料储热
• 1.3.3 液态储热
• 1.3.4 相变储热
• 1.3.5 化学反应储热
• 1.4 研究内容和技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 关键问题
• 1.4.3 创新点
• 第2章 原材料的性能要求及其选择
• 2.1 铝酸盐水泥
• 2.2 集料
• 2.3 微粉
• 2.3.1 矿渣粉
• 2.3.2 硅微粉
• 2.4 石墨粉
• 2.5 外加剂
• 第3章 储热混凝土配合比及其力学性能研究
• 3.1 实验原材料
• 3.2 混凝土配比
• 3.3 混凝土常温力学性能测试
• 3.4 混凝土高温力学性能测试
• 3.5 其它性能测试
• 3.5.1 体积密度测试
• 3.5.2 电导率测试
• 第4章 热性能测试分析
• 4.1 热容测试
• 4.2 热导测试
• 4.2.1 热导率测试方法
• 4.2.2 热导率测试结果
• 第5章 传热模拟分析
• 5.1 热分析理论
• 5.1.1 传热方程
• 5.1.2 热传递方式
• 5.1.3 模拟分析方法
• 5.2 储热单元模型
• 5.2.1 四方储热单元模型温度分布模拟
• 5.2.2 管间距对储热材料性能的影响
• 5.2.3 热导率对储热材料性能的影响
• 5.3 储热单元结构设计与分析
• 5.4 误差分析
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录: 攻读硕士研究生期间发表的论文