于秀艷

(中國華電工程(集團)有限公司，北京 100035)

0 引言

太陽能光熱發(fā)電由于采用了蓄熱器進行儲熱，使整體發(fā)電效率高于光伏發(fā)電，因此，近幾年引起了世界各國的高度重視并進行了相關(guān)開發(fā)。

設(shè)計蓄熱器的目的是將白天接收來的太陽能以某種形式先儲存起來，到了夜間或陰天光照不足時再釋放出來，按需要進行發(fā)電。利用儲熱技術(shù)，一方面可以起到“削峰填谷”穩(wěn)定電網(wǎng)負荷的作用，另一方面還能大大減少系統(tǒng)頻繁啟、停過程中疏水導(dǎo)致的能量損耗，起到提高能源利用率的作用;更重要的是，它使利用不連續(xù)的太陽能提供連續(xù)的電能成為可能。

碟式發(fā)電和部分塔式發(fā)電裝置采用空氣作為載熱介質(zhì)，因此，這2種太陽能熱發(fā)電的蓄熱方式也非常相似，蓄熱材料的選擇也具有相通性。

1 可供選擇的蓄熱材料種類

目前，通過對大量固態(tài)及非固態(tài)材料進行初步分析和篩選，選出陶瓷球和蜂窩陶瓷2種材料作為以空氣為載熱介質(zhì)的太陽能熱發(fā)電蓄熱的備選材料。

1.1 陶瓷球

在以往的鋼鐵行業(yè)中，蓄熱器使用的蓄熱材料多為氧化鋁陶瓷球，它具有蓄熱量大、強度高的優(yōu)點，同時也具有比表面積小、蓄放熱速率慢的缺點。陶瓷球?qū)嵨飯D如圖1所示。

圖1 陶瓷球?qū)嵨飯D

1.2 蜂窩陶瓷

蜂窩陶瓷是一種多孔性的工業(yè)用陶瓷，內(nèi)部造型是許多貫通的平行通道。由于其管壁薄、孔距小，與一般的塊狀陶瓷相比，蜂窩陶瓷的質(zhì)量小、比表面積大、熱交換面積大、傳熱能力強，能在短時間內(nèi)積蓄和釋放大量的熱量;透熱深度小，容易達到熱飽和狀態(tài)，有利于發(fā)揮蓄熱體的蓄熱作用，熱效高。由于其貫通的平行通道，氣流阻力比陶瓷球小很多，使用過程中壓力損失小且堆積穩(wěn)定性較好。但蜂窩陶瓷蓄熱密度較陶瓷球小，耐壓強度相對較低。蜂窩陶瓷實物圖如圖2所示。

圖2 蜂窩陶瓷實物圖

2 選擇蓄熱材料的相關(guān)計算及分析

進行蓄熱材料選擇的相關(guān)計算，目的是通過對不同材料進行計算、分析和對比，找出一種最合適的材料作為蓄熱材料。

根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)公式可知，當蓄熱器的最高工作溫度及環(huán)境溫度確定后，蓄熱器所用的蓄熱材料量僅取決于材料的比熱容及密度的大小，比熱容及密度越大，材料價格越低，對降低總造價越有利。

要進行蓄熱材料的計算，需選擇形狀比較規(guī)則的材料。下面對表面光滑的陶瓷球和蜂窩陶瓷2種材料進行計算，通過對計算結(jié)果的分析，確定蓄熱材料的類型。

在蓄熱器實際蓄熱和放熱過程中，各物性參數(shù)是隨著溫度的變化而變化的，并非定值，但因該計算僅是為了做不同材料的對比計算，故在計算中采用了各物性的平均值作為原始取值。

2.1 陶瓷球蓄熱器的計算及分析

2.1.1 設(shè)定條件

(1)假設(shè)蓄熱器的總?cè)萘繛?8 MW·h，可24 h連續(xù)運行。

(2)假設(shè)蓄熱器不能放出的死區(qū)能量為總?cè)萘康?5%。

(3)假設(shè)蓄熱器的每天散熱量為總?cè)萘康?%。

(4)假設(shè)蓄熱材料為陶瓷球，直徑為10 mm。

(5)假設(shè)環(huán)境溫度為10℃。

2.1.2 計算說明

該設(shè)計計算的思路是:選取陶瓷球作為蓄熱球，計算出蓄熱器的蓄熱/放熱時間、對流換熱時間、導(dǎo)熱換熱時間及蓄熱器阻力。

蓄熱球在蓄熱器橫截面上有2種極限排列方式:正方形點陣排列方式(如圖3所示)及插空錯列排列方式(如圖4所示)。實際的蓄熱球排列應(yīng)介于此2種排列方式之間，因此，計算結(jié)果也應(yīng)介于2種排列方式的計算結(jié)果之間。

2.1.3 陶瓷球蓄熱器計算結(jié)果

蓄熱球的相關(guān)計算結(jié)果見表1，蓄熱器的相關(guān)計算結(jié)果見表2，蓄熱器中空氣吸熱及放熱的相關(guān)計算結(jié)果見表3，蓄熱器對流換熱相關(guān)計算結(jié)果見表4，蓄熱器導(dǎo)熱相關(guān)計算結(jié)果見表5，蓄熱器阻力相關(guān)計算結(jié)果見表6。

2.1.4 陶瓷球蓄熱器計算結(jié)果分析

對計算結(jié)果進行分析，得出結(jié)論如下:

(1)按18 MW·h的總蓄熱量進行設(shè)計的蓄熱器，當蓄熱材料為陶瓷球，材料最高溫度為850℃，環(huán)境溫度為10℃時，熱量蓄滿所需的蓄熱材料用量為79.2 t。當采用陶瓷球的直徑為10 mm，截面尺寸為1.1 m ×2.2 m 時，蓄熱器長度為 16.92 ～19.54 m。

(2)按18 MW·h的總蓄熱量進行設(shè)計的蓄熱器，當空氣流量為1 906×2 m3/h，最高溫度為850℃，環(huán)境溫度為10℃時，蓄熱器理論上充滿時間為14.7 h。按假設(shè)死區(qū)能量為總?cè)萘康?5%，且蓄熱器的每天散熱量為總?cè)萘康?%來計算，放熱時空氣流量為1 906 m3/h，蓄熱器理論上的放熱時間為24.5 h。

(3)當蓄熱器結(jié)構(gòu)按上述進行設(shè)計時，蓄熱器蓄滿18 MW·h的熱量需對流換熱時間為0.25～0.46 h。

(4)當蓄熱器結(jié)構(gòu)按上述進行設(shè)計時，蓄熱器

表1 蓄熱球的相關(guān)計算結(jié)果

表2 蓄熱器的相關(guān)計算結(jié)果

表3 蓄熱器中空氣吸熱及放熱的相關(guān)計算結(jié)果

表4 蓄熱器對流換熱相關(guān)計算結(jié)果

表5 蓄熱器導(dǎo)熱相關(guān)計算結(jié)果

表6 蓄熱器阻力相關(guān)計算結(jié)果

蓄滿18 MW·h的熱量需導(dǎo)熱換熱時間為2.26～4.17 h。

(5)從阻力計算的結(jié)果看，采用陶瓷球作為蓄熱材料，蓄熱器的阻力非常大(3.0～5.2 MPa)，這個壓力等級將無法選到合適的風(fēng)機。

2.2 蜂窩陶瓷蓄熱器的計算及分析

2.2.1 設(shè)定條件

(1)假設(shè)蓄熱器的總?cè)萘繛?8 MW·h，可24 h連續(xù)運行。

(2)假設(shè)蓄熱器不能放出的死區(qū)能量為總?cè)萘康?5%。

(3)假設(shè)蓄熱器每天的散熱量為總?cè)萘康?%。

(4)假定蜂窩陶瓷的孔為3 mm×3 mm的方孔，肋厚為 1.3 mm。

(5)假設(shè)環(huán)境溫度為10℃。

2.2.2 計算的目的及思路

(1)用選定的蜂窩陶瓷作為蓄熱材料，按照蓄熱量的需要，選定合適的蓄熱器尺寸，即蓄熱器的橫截面邊長及長度，并求出蓄熱材料的用量。

(2)根據(jù)太陽能集熱轉(zhuǎn)換器所能提供的熱空氣量及正常運行時鍋爐的額定輸入空氣量分別計算出蓄熱器的蓄熱和放熱時間。

(3)計算蓄熱器對流換熱時間及蓄熱材料導(dǎo)熱換熱時間，與蓄熱、放熱時間進行對比，找出它們之間的關(guān)系，核算所選擇蓄熱材料及設(shè)計蓄熱器的尺寸是否滿足蓄熱放熱要求(所設(shè)計的蓄熱器，其對流換熱時間和導(dǎo)熱換熱時間應(yīng)遠小于同樣條件下空氣的理論蓄熱、放熱時間)。

(4)計算蓄熱器阻力，將工作狀態(tài)時的空氣流量及阻力損失作為風(fēng)機選擇的依據(jù)。

2.2.3 蜂窩陶瓷蓄熱器計算結(jié)果

蜂窩陶瓷的相關(guān)計算結(jié)果見表7，蓄熱體的相關(guān)計算結(jié)果見表8，蓄熱器中空氣吸熱及放熱的計算結(jié)果見表9，蓄熱器的對流換熱計算結(jié)果見表10，蓄熱器的導(dǎo)熱計算結(jié)果見表11，蓄熱器的阻力計算結(jié)果見表12。

表7 蜂窩陶瓷的相關(guān)計算結(jié)果

表8 蓄熱體的相關(guān)計算結(jié)果

表9 蓄熱器中空氣吸熱及放熱的計算結(jié)果

表10 蓄熱器對流換熱計算結(jié)果

表11 蓄熱器的導(dǎo)熱計算結(jié)果

2.3 蜂窩陶瓷蓄熱器計算結(jié)果分析

(1)蓄熱器的設(shè)計尺寸及蓄熱材料用量。按18 MW·h的總蓄熱量進行設(shè)計的蓄熱器，其內(nèi)截面為2.2m ×1.1m、長度為22.8m。蓄熱材料的總用量為76.82 t。

表12 蓄熱器的阻力計算結(jié)果(蓄熱過程)

(2)充滿18 MW·h的熱量所需要的時間。蓄熱器啟動時，空氣總流量為3 812 m3/h，假設(shè)熱空氣溫度為850℃，環(huán)境溫度為10℃時，蓄熱器理論上充滿18 MW·h的熱量所需要的時間為14.7 h。

(3)額定工況下理論上可放熱時間。按假設(shè)死區(qū)能量占總?cè)萘康?5%，蓄熱器每天的散熱量為總?cè)萘康?%來計算，蓄熱器在額定工況下理論可放熱時間為 24.5 h。

(4)對流換熱時間較短，能夠滿足蓄熱放熱要求。

由以上計算結(jié)果可知，設(shè)計的蜂窩陶瓷式蓄熱器對流換熱所需要的時間很短，按充滿18MW·h的熱量來計算，所用時間為0.258 26 h，占理論蓄熱時間的比例很小，僅為其0.017 6倍，這說明在蓄熱時進入蓄熱器的空氣所攜帶的熱量能在瞬間快速地被蓄熱器吸收。這將有利于蓄熱器的快速蓄熱、放熱，從而使實際的蓄熱器溫度－長度(位置)變化曲線更接近理想趨勢(如圖5所示)。

圖5 理想的蓄熱器溫度-長度(位置)變化趨勢曲線

此結(jié)論也可以從表13的計算結(jié)果得以證明。表13數(shù)據(jù)說明:額定工況時，空氣流過蓄熱器全長所需時間為9.760 s，而空氣帶進的熱量在流過蓄熱器時，僅在0.172 s的時間內(nèi)就能被蓄熱材料完全吸收。也就是說，當熱空氣流出蓄熱器之前，就已將所攜帶的熱量通過熱交換的方式完全傳遞給了蓄熱材料，當其流出蓄熱器時，溫度接近環(huán)境溫度。只有當蓄熱器即將充滿時，溫度才會因蓄熱器末端蓄熱材料溫度的升高而升高。當溫度升高到≥120℃時，就可停運蓄熱器引風(fēng)機，此時，可認為蓄熱器熱量已蓄滿。

(1)導(dǎo)熱換熱時間極短，能夠滿足蓄、熱放熱要求。由以上計算結(jié)果可知，設(shè)計采用的蜂窩陶瓷蓄熱材料導(dǎo)熱、換熱所需時間極短，充滿18 MW·h的熱量所需時間僅為0.7 s，占理論蓄熱時間的比例非常小，僅為其0.000 013 31倍，而且比對流換熱還要快很多，更是瞬間吸收。

(2)蜂窩陶瓷蓄熱器的快速蓄熱、放熱，主要取決于對流換熱。對比導(dǎo)熱和對流換熱可知，對于蜂窩陶瓷式蓄熱器，導(dǎo)熱比對流換熱快得多，故空氣所帶來的熱量能否被蓄熱器快速吸收，主要取決于對流換熱這一環(huán)節(jié)。

(3)設(shè)計的蜂窩陶瓷式蓄熱器，可使引風(fēng)機長期工作在低溫環(huán)境。通過對比導(dǎo)熱、對流換熱時間與蓄熱時間的關(guān)系，還可得出以下結(jié)論:即采用上述蜂窩陶瓷式蓄熱器，可以使進入蓄熱器的熱空氣所帶進的熱量在靠近入口端被快速地吸收，然后逐漸向冷端推移，使熱空氣被快速地冷卻下來，空氣溫度由較高快速降低，至出口端時，溫度已接近環(huán)境溫度。也就是說，在蓄熱器的整個蓄熱階段，出口端的溫度大部分時間內(nèi)較低(接近于環(huán)境溫度)，只有當蓄熱器快要充滿時，出口端溫度才會逐漸升高。這將有利于引風(fēng)機長期在低溫環(huán)境中工作。

表13 蓄熱器的換熱時間

(4)蜂窩陶瓷式蓄熱器與球式蓄熱器相比，阻力小很多。由前面的計算可知，球式蓄熱器在蓄熱時阻力為3.0～5.2 MPa，這么大的阻力根本無法選到風(fēng)機。而在同樣蓄熱條件下，蜂窩陶瓷式蓄熱器在蓄熱時的阻力約為2948 Pa，即蜂窩陶瓷式蓄熱器的阻力小于球式蓄熱器的1/1000，而且這個數(shù)值剛好在中低壓風(fēng)機壓頭可選的范圍之內(nèi)。這將有利于蓄熱器風(fēng)機的選取，并可節(jié)省大量廠用電。

2.4 蓄熱材料的選定

2.4.1 從阻力特性方面選擇蓄熱材料

由上述計算結(jié)果可以看出，蜂窩陶瓷式蓄熱器和球式蓄熱器相比，在相同空氣流量、蓄熱量以及相同蓄熱器截面尺寸的情況下，球式蓄熱器的阻力過大(≥3 MPa)，根本選不到可用的風(fēng)機，故無法實現(xiàn)蓄熱目的。而蜂窩陶瓷蓄熱器從各方面都具備蓄熱的可實現(xiàn)性，尤其是其阻力較低，在同樣空氣流量的情況下，因風(fēng)機的工作壓力較低，廠用電的消耗相對要少很多。從長遠看，對節(jié)能更加有利。

因此，從阻力特性方面看，選用蜂窩陶瓷作為蓄熱材料最為合適。

2.4.2 從換熱特性方面選擇蓄熱材料

球式蓄熱器的對流換熱時間(0.25～0.46 h)和導(dǎo)熱換熱時間(2.26～4.17 h)較長，熱空氣進入蓄熱器后，其所攜帶的熱量還沒來得及被蓄熱球充分吸收就被排出，從而導(dǎo)致蓄熱器內(nèi)蓄熱材料內(nèi)部的溫度與熱空氣溫度始終存在一定的溫差，而且排出去的空氣溫度會高于相應(yīng)位置的陶瓷球本身的溫度較多，導(dǎo)致在蓄熱器熱量還沒蓄滿的情況下，就出現(xiàn)引風(fēng)機進口的空氣溫度過高而無法繼續(xù)蓄熱的情況，無法滿足蓄熱和放熱的要求。

蜂窩陶瓷蓄熱器由于材料壁薄，換熱比表面積大，蓄熱器蓄滿的對流換熱時間(0.258 h)和導(dǎo)熱換熱時間(0.000195 h)極短，熱空氣進入蓄熱器后，其所攜帶的熱量在極短的時間內(nèi)(不到1 s)就會被蓄熱材料充分吸收，從而使蓄熱材料的溫度幾乎在極短的時間內(nèi)就會達到和熱空氣一樣的溫度。當空氣從蓄熱器內(nèi)排出時，其溫度已接近環(huán)境溫度(只有當蓄熱器即將充滿時溫度才會有所升高)，不僅大大提高了蓄熱器的效率，而且使引風(fēng)機長期工作在低溫環(huán)境，保證了引風(fēng)機的使用壽命。

因此，從換熱特性方面看，選用蜂窩陶瓷作為蓄熱材料也最為合適。

3 結(jié)論

由以上計算結(jié)果可知，對于采用以空氣為熱能傳輸介質(zhì)的碟式及塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，宜選用蜂窩陶瓷作為其蓄熱材料。其具備以下優(yōu)點:

(1)能夠在極短的時間內(nèi)完成蓄熱和放熱。

(2)可通過改變蜂窩陶瓷孔的大小、壁厚和個數(shù)，改變整個蓄熱材料的比表面積，從而實現(xiàn)快速導(dǎo)熱及對流傳熱的性能。

(3)蜂窩陶瓷式蓄熱器的阻力較小，有利于風(fēng)機的選取，與其他形式的蓄熱器相比，可節(jié)省大量廠用電。

(4)蜂窩陶瓷式蓄熱器可以使引風(fēng)機長期工作在低溫環(huán)境，保證引風(fēng)機的使用壽命。

［1］羅運俊，何梓年，王長貴.太陽能利用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.4版.北京:高等教育出版社，2011.

［3］蔡九菊，饒榮水，于慶波.填充球蓄熱室阻力特性的實驗研究［J］.鋼鐵，1998(6):59－62.

［4］施振球.動力管道設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.