太阳能热发电蓄热材料的选择计算

2012-06-12于秀艳

综合智慧能源 2012年7期

于秀艳

(中国华电工程(集团)有限公司，北京 100035)

0 引言

太阳能光热发电由于采用了蓄热器进行储热，使整体发电效率高于光伏发电，因此，近几年引起了世界各国的高度重视并进行了相关开发。

设计蓄热器的目的是将白天接收来的太阳能以某种形式先储存起来，到了夜间或阴天光照不足时再释放出来，按需要进行发电。利用储热技术，一方面可以起到“削峰填谷”稳定电网负荷的作用，另一方面还能大大减少系统频繁启、停过程中疏水导致的能量损耗，起到提高能源利用率的作用;更重要的是，它使利用不连续的太阳能提供连续的电能成为可能。

碟式发电和部分塔式发电装置采用空气作为载热介质，因此，这2种太阳能热发电的蓄热方式也非常相似，蓄热材料的选择也具有相通性。

1 可供选择的蓄热材料种类

目前，通过对大量固态及非固态材料进行初步分析和筛选，选出陶瓷球和蜂窝陶瓷2种材料作为以空气为载热介质的太阳能热发电蓄热的备选材料。

1.1 陶瓷球

在以往的钢铁行业中，蓄热器使用的蓄热材料多为氧化铝陶瓷球，它具有蓄热量大、强度高的优点，同时也具有比表面积小、蓄放热速率慢的缺点。陶瓷球实物图如图1所示。

图1 陶瓷球实物图

1.2 蜂窝陶瓷

蜂窝陶瓷是一种多孔性的工业用陶瓷，内部造型是许多贯通的平行通道。由于其管壁薄、孔距小，与一般的块状陶瓷相比，蜂窝陶瓷的质量小、比表面积大、热交换面积大、传热能力强，能在短时间内积蓄和释放大量的热量;透热深度小，容易达到热饱和状态，有利于发挥蓄热体的蓄热作用，热效高。由于其贯通的平行通道，气流阻力比陶瓷球小很多，使用过程中压力损失小且堆积稳定性较好。但蜂窝陶瓷蓄热密度较陶瓷球小，耐压强度相对较低。蜂窝陶瓷实物图如图2所示。

图2 蜂窝陶瓷实物图

2 选择蓄热材料的相关计算及分析

进行蓄热材料选择的相关计算，目的是通过对不同材料进行计算、分析和对比，找出一种最合适的材料作为蓄热材料。

根据热力学相关公式可知，当蓄热器的最高工作温度及环境温度确定后，蓄热器所用的蓄热材料量仅取决于材料的比热容及密度的大小，比热容及密度越大，材料价格越低，对降低总造价越有利。

要进行蓄热材料的计算，需选择形状比较规则的材料。下面对表面光滑的陶瓷球和蜂窝陶瓷2种材料进行计算，通过对计算结果的分析，确定蓄热材料的类型。

在蓄热器实际蓄热和放热过程中，各物性参数是随着温度的变化而变化的，并非定值，但因该计算仅是为了做不同材料的对比计算，故在计算中采用了各物性的平均值作为原始取值。

2.1 陶瓷球蓄热器的计算及分析

2.1.1 设定条件

(1)假设蓄热器的总容量为18 MW·h，可24 h连续运行。

(2)假设蓄热器不能放出的死区能量为总容量的15%。

(3)假设蓄热器的每天散热量为总容量的2%。

(4)假设蓄热材料为陶瓷球，直径为10 mm。

(5)假设环境温度为10℃。

2.1.2 计算说明

该设计计算的思路是:选取陶瓷球作为蓄热球，计算出蓄热器的蓄热/放热时间、对流换热时间、导热换热时间及蓄热器阻力。

蓄热球在蓄热器横截面上有2种极限排列方式:正方形点阵排列方式(如图3所示)及插空错列排列方式(如图4所示)。实际的蓄热球排列应介于此2种排列方式之间，因此，计算结果也应介于2种排列方式的计算结果之间。

2.1.3 陶瓷球蓄热器计算结果

蓄热球的相关计算结果见表1，蓄热器的相关计算结果见表2，蓄热器中空气吸热及放热的相关计算结果见表3，蓄热器对流换热相关计算结果见表4，蓄热器导热相关计算结果见表5，蓄热器阻力相关计算结果见表6。

2.1.4 陶瓷球蓄热器计算结果分析

对计算结果进行分析，得出结论如下:

(1)按18 MW·h的总蓄热量进行设计的蓄热器，当蓄热材料为陶瓷球，材料最高温度为850℃，环境温度为10℃时，热量蓄满所需的蓄热材料用量为79.2 t。当采用陶瓷球的直径为10 mm，截面尺寸为1.1 m ×2.2 m 时，蓄热器长度为 16.92 ～19.54 m。

(2)按18 MW·h的总蓄热量进行设计的蓄热器，当空气流量为1 906×2 m3/h，最高温度为850℃，环境温度为10℃时，蓄热器理论上充满时间为14.7 h。按假设死区能量为总容量的15%，且蓄热器的每天散热量为总容量的2%来计算，放热时空气流量为1 906 m3/h，蓄热器理论上的放热时间为24.5 h。

(3)当蓄热器结构按上述进行设计时，蓄热器蓄满18 MW·h的热量需对流换热时间为0.25～0.46 h。

(4)当蓄热器结构按上述进行设计时，蓄热器

表1 蓄热球的相关计算结果

表2 蓄热器的相关计算结果

表3 蓄热器中空气吸热及放热的相关计算结果

表4 蓄热器对流换热相关计算结果

表5 蓄热器导热相关计算结果

表6 蓄热器阻力相关计算结果

蓄满18 MW·h的热量需导热换热时间为2.26～4.17 h。

(5)从阻力计算的结果看，采用陶瓷球作为蓄热材料，蓄热器的阻力非常大(3.0～5.2 MPa)，这个压力等级将无法选到合适的风机。

2.2 蜂窝陶瓷蓄热器的计算及分析

2.2.1 设定条件

(1)假设蓄热器的总容量为18 MW·h，可24 h连续运行。

(2)假设蓄热器不能放出的死区能量为总容量的15%。

(3)假设蓄热器每天的散热量为总容量的2%。

(4)假定蜂窝陶瓷的孔为3 mm×3 mm的方孔，肋厚为 1.3 mm。

(5)假设环境温度为10℃。

2.2.2 计算的目的及思路

(1)用选定的蜂窝陶瓷作为蓄热材料，按照蓄热量的需要，选定合适的蓄热器尺寸，即蓄热器的横截面边长及长度，并求出蓄热材料的用量。

(2)根据太阳能集热转换器所能提供的热空气量及正常运行时锅炉的额定输入空气量分别计算出蓄热器的蓄热和放热时间。

(3)计算蓄热器对流换热时间及蓄热材料导热换热时间，与蓄热、放热时间进行对比，找出它们之间的关系，核算所选择蓄热材料及设计蓄热器的尺寸是否满足蓄热放热要求(所设计的蓄热器，其对流换热时间和导热换热时间应远小于同样条件下空气的理论蓄热、放热时间)。

(4)计算蓄热器阻力，将工作状态时的空气流量及阻力损失作为风机选择的依据。

2.2.3 蜂窝陶瓷蓄热器计算结果

蜂窝陶瓷的相关计算结果见表7，蓄热体的相关计算结果见表8，蓄热器中空气吸热及放热的计算结果见表9，蓄热器的对流换热计算结果见表10，蓄热器的导热计算结果见表11，蓄热器的阻力计算结果见表12。

表7 蜂窝陶瓷的相关计算结果

表8 蓄热体的相关计算结果

表9 蓄热器中空气吸热及放热的计算结果

表10 蓄热器对流换热计算结果

表11 蓄热器的导热计算结果

2.3 蜂窝陶瓷蓄热器计算结果分析

(1)蓄热器的设计尺寸及蓄热材料用量。按18 MW·h的总蓄热量进行设计的蓄热器，其内截面为2.2m ×1.1m、长度为22.8m。蓄热材料的总用量为76.82 t。

表12 蓄热器的阻力计算结果(蓄热过程)

(2)充满18 MW·h的热量所需要的时间。蓄热器启动时，空气总流量为3 812 m3/h，假设热空气温度为850℃，环境温度为10℃时，蓄热器理论上充满18 MW·h的热量所需要的时间为14.7 h。

(3)额定工况下理论上可放热时间。按假设死区能量占总容量的15%，蓄热器每天的散热量为总容量的2%来计算，蓄热器在额定工况下理论可放热时间为 24.5 h。

(4)对流换热时间较短，能够满足蓄热放热要求。

由以上计算结果可知，设计的蜂窝陶瓷式蓄热器对流换热所需要的时间很短，按充满18MW·h的热量来计算，所用时间为0.258 26 h，占理论蓄热时间的比例很小，仅为其0.017 6倍，这说明在蓄热时进入蓄热器的空气所携带的热量能在瞬间快速地被蓄热器吸收。这将有利于蓄热器的快速蓄热、放热，从而使实际的蓄热器温度－长度(位置)变化曲线更接近理想趋势(如图5所示)。

图5 理想的蓄热器温度-长度(位置)变化趋势曲线

此结论也可以从表13的计算结果得以证明。表13数据说明:额定工况时，空气流过蓄热器全长所需时间为9.760 s，而空气带进的热量在流过蓄热器时，仅在0.172 s的时间内就能被蓄热材料完全吸收。也就是说，当热空气流出蓄热器之前，就已将所携带的热量通过热交换的方式完全传递给了蓄热材料，当其流出蓄热器时，温度接近环境温度。只有当蓄热器即将充满时，温度才会因蓄热器末端蓄热材料温度的升高而升高。当温度升高到≥120℃时，就可停运蓄热器引风机，此时，可认为蓄热器热量已蓄满。

(1)导热换热时间极短，能够满足蓄、热放热要求。由以上计算结果可知，设计采用的蜂窝陶瓷蓄热材料导热、换热所需时间极短，充满18 MW·h的热量所需时间仅为0.7 s，占理论蓄热时间的比例非常小，仅为其0.000 013 31倍，而且比对流换热还要快很多，更是瞬间吸收。

(2)蜂窝陶瓷蓄热器的快速蓄热、放热，主要取决于对流换热。对比导热和对流换热可知，对于蜂窝陶瓷式蓄热器，导热比对流换热快得多，故空气所带来的热量能否被蓄热器快速吸收，主要取决于对流换热这一环节。

(3)设计的蜂窝陶瓷式蓄热器，可使引风机长期工作在低温环境。通过对比导热、对流换热时间与蓄热时间的关系，还可得出以下结论:即采用上述蜂窝陶瓷式蓄热器，可以使进入蓄热器的热空气所带进的热量在靠近入口端被快速地吸收，然后逐渐向冷端推移，使热空气被快速地冷却下来，空气温度由较高快速降低，至出口端时，温度已接近环境温度。也就是说，在蓄热器的整个蓄热阶段，出口端的温度大部分时间内较低(接近于环境温度)，只有当蓄热器快要充满时，出口端温度才会逐渐升高。这将有利于引风机长期在低温环境中工作。

表13 蓄热器的换热时间

(4)蜂窝陶瓷式蓄热器与球式蓄热器相比，阻力小很多。由前面的计算可知，球式蓄热器在蓄热时阻力为3.0～5.2 MPa，这么大的阻力根本无法选到风机。而在同样蓄热条件下，蜂窝陶瓷式蓄热器在蓄热时的阻力约为2948 Pa，即蜂窝陶瓷式蓄热器的阻力小于球式蓄热器的1/1000，而且这个数值刚好在中低压风机压头可选的范围之内。这将有利于蓄热器风机的选取，并可节省大量厂用电。

2.4 蓄热材料的选定

2.4.1 从阻力特性方面选择蓄热材料

由上述计算结果可以看出，蜂窝陶瓷式蓄热器和球式蓄热器相比，在相同空气流量、蓄热量以及相同蓄热器截面尺寸的情况下，球式蓄热器的阻力过大(≥3 MPa)，根本选不到可用的风机，故无法实现蓄热目的。而蜂窝陶瓷蓄热器从各方面都具备蓄热的可实现性，尤其是其阻力较低，在同样空气流量的情况下，因风机的工作压力较低，厂用电的消耗相对要少很多。从长远看，对节能更加有利。

因此，从阻力特性方面看，选用蜂窝陶瓷作为蓄热材料最为合适。

2.4.2 从换热特性方面选择蓄热材料

球式蓄热器的对流换热时间(0.25～0.46 h)和导热换热时间(2.26～4.17 h)较长，热空气进入蓄热器后，其所携带的热量还没来得及被蓄热球充分吸收就被排出，从而导致蓄热器内蓄热材料内部的温度与热空气温度始终存在一定的温差，而且排出去的空气温度会高于相应位置的陶瓷球本身的温度较多，导致在蓄热器热量还没蓄满的情况下，就出现引风机进口的空气温度过高而无法继续蓄热的情况，无法满足蓄热和放热的要求。

蜂窝陶瓷蓄热器由于材料壁薄，换热比表面积大，蓄热器蓄满的对流换热时间(0.258 h)和导热换热时间(0.000195 h)极短，热空气进入蓄热器后，其所携带的热量在极短的时间内(不到1 s)就会被蓄热材料充分吸收，从而使蓄热材料的温度几乎在极短的时间内就会达到和热空气一样的温度。当空气从蓄热器内排出时，其温度已接近环境温度(只有当蓄热器即将充满时温度才会有所升高)，不仅大大提高了蓄热器的效率，而且使引风机长期工作在低温环境，保证了引风机的使用寿命。

因此，从换热特性方面看，选用蜂窝陶瓷作为蓄热材料也最为合适。