相变材料对盐梯度太阳池热性能影响的实验和理论研究

发布时间：2020-09-10 09:13

　　随着环境和传统能源短缺问题的日益严重,太阳能作为理想的清洁能源逐渐在经济发展中扮演越来越大的作用。盐梯度太阳池是太阳能利用的一种方式,兼有对太阳辐射能的吸收和储存作用,不仅是对当今传统能源的重要补充,更是未来太阳能应用的重要形式。本文以盐梯度太阳池为研究对象,从实验和理论两个方面研究分析。提出了在盐梯度太阳池(SGSP)储热层(LCZ)加入复合相变材料(PCM)蓄热单元以提高其热性能的方法。首先通过可行的方式制备出低成本、热性能较好的复合PCM蓄热单元,然后基于程序控温模拟盐梯度太阳池实验台,研究了添加复合PCM(50℃熔点石蜡RT50和60℃熔点石蜡RT60)蓄热单元对SGSP温度场的影响,根据实验数据对盐梯度太阳池进行瞬态?分析计算,最后利用COMSOL Multiphysics建立数值仿真模型并与实验结果对比。各部分主要工作及结论如下:采用添加钢丝的可行方式制备出低成本、热性能较好的复合相变材料(PCM)蓄热单元,不同条件下使其传热系数相比纯石蜡分别提高17.16%(55℃熔化过程),18.84%(65℃熔化过程),35.15%(凝固过程),证明添加钢丝的确能够大幅提高复合相变材料的传热系数,并且钢丝不会影响石蜡的熔化潜热和熔化峰值温度,但石蜡循环相变5次后,其熔化潜热会降低10%左右。实验研究表明:在相变材料发生相变阶段,添加复合PCM蓄热单元的盐梯度太阳池昼夜最大温差分别降低了2.87℃和2.53℃,瞬态?参量分别增加了13.52%和20.46%。说明PCM对盐梯度太阳池储热层的温度变化具有良好的稳定作用,并且可以优化SGSP储热层热性能。数值研究表明:在相变材料发生相变阶段,添加复合PCM蓄热单元的盐梯度太阳池昼夜最大温差分别降低了1.29℃和1.99℃,实验与数值结果具有良好的一致性。验证了此数值模型的合理正确性,并且数值结果显示添加PCM能相对降低盐梯度太阳池LCZ区域温度,抑制流场流速,对维持SGSP的稳定性有一定的积极意义。
【学位单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK515;TB34
【部分图文】：

制作过程,石蜡

通过可行的方式制备出低成本、热性能较好的复合 PCM 相变储热材料，并且能够适用于盐梯度太阳池系统。第二，利用同步热分析（NETZSCH-STA449）测量石蜡样品的热、物性参数，结合实验数据计算复合 PCM 蓄热单元的热性能参数包括：平均传热系数、熔化潜热以及和熔点。2.1 蓄热单元的制备（1）定制满足实验要求的试管：试管下部有直径为 3mm 的圆柱形小孔，可以把热电偶插入试管内部，方便测量复合 PCM 蓄热单元内部的温度变化。（2）将石蜡（熔点为 47-55℃）RT50 加热到液相，钢丝以 1%到 10%不同质量分数和液态石蜡放入特制的玻璃试管中（图 2-1（a）（b）），制作成含有不同钢丝含量的复合相变材料样品。在相同条件下制备 10 个复合 PCM 蓄热单元。（3）自然地暴露冷却至固态(图 2-1 (c))。

实验过程,实验装置,恒温水浴

2.2 复合 PCM 蓄热单元实验研究2.2.1 平均传热系数测定实验RT50 的熔点范围是 47-55℃，盐梯度太阳池储热层温度一般在 50-70℃，因此分别设置在 55℃和 65℃恒温水浴中对复合 PCM 蓄热单元进行实验测定，目的是在两个温度条件下，对所制备的复合 PCM 蓄热单元平均传热系数的测定。恒温水浴实验装置如图 2-2（a）所示，主要由 HH-600 型恒温水浴、PT100热电偶温度传感器、四通道 THTZ408R 型温度数据记录仪和计算机组成。各部分的作用和工作参数：恒温水浴控制水的温度，温度控制范围为室温+5℃-100℃，控制精确度为±0.5℃；热电偶用于测量在复合 PCM 蓄热单元在实验过程中的内部的温度变化，测量范围为-50℃-380℃，测量精度为±0.01℃；数据记录仪用于收集温度数据，数据采集周期为 1min，并将数据传输到计算机进行图像分析处理。

实验过程,实验装置,循环相变,陶瓷杯

探究添加钢丝是否会对石蜡的热物性能产生影响。二是石蜡在循环相变过程中熔化潜热和熔点是否会发生变化。将制备好的复合 PCM 蓄热单元放入 25ml 陶瓷杯中，每个陶瓷杯中的样品质量约为 16g。样品放置在恒定温度为 100℃的马弗炉中 30min（如图 2-3（a）（b）），然后取出自然冷却（如图 2-3（c）），共循环相变（每次相变包括一次熔化过程和凝固过程）55 次。因为实验时间特别巨大，因此只选取 C 组：0%、4%和 10%的样品进行循环相变过程的实验。图 2-3 为循环相变实验的装置和实验过程。

【参考文献】