■ 劉鋒章學(xué)來周宇杜曉冬高雅漢

(1.上海海事大學(xué)；2.山東建筑大學(xué))

一種太陽能相變儲能材料蓄放熱性能的實驗研究

■ 劉鋒1*章學(xué)來1周宇2杜曉冬1高雅漢1

(1.上海海事大學(xué)；2.山東建筑大學(xué))

以硬脂酸為太陽能中溫相變儲能材料，建立了相變蓄熱裝置蓄放熱特性測試實驗臺，對儲能單元含有50%和80%相變材料以及純水的儲能箱分別進(jìn)行3組放熱性能實驗測試。結(jié)果表明，在放熱過程中，儲能箱在裝有相變材料放熱時水溫波動比純水放熱時的水溫波動大，可在一定時間內(nèi)維持局部溫度不變；在儲能箱蓄熱水溫都達(dá)到80 ℃、冷水以1.2 L/min進(jìn)入儲能箱進(jìn)行緩慢換熱時，儲能單元含80%相變材料的放熱能力最強，儲能單元含50%相變材料的次之，純水的放熱能力最弱；在相同儲能空間下，相變材料釋放的有效能為水的1.62倍。

硬脂酸；太陽能；相變儲能；有效能

0　引言

新能源和可再生能源是非化石能源發(fā)展的必由之路，而太陽能是理想和潔凈的新能源，是最值得人類開發(fā)利用的替代能源[1]。太陽能不僅有著可再生能源的巨大潛力，提供清潔能源，而且太陽能行業(yè)的發(fā)展可增加就業(yè)率[2]。由于太陽能具有很強的間歇性和不穩(wěn)定性，使得太陽能相變儲能技術(shù)應(yīng)運而生。

太陽能相變儲能即利用相變材料將太陽能儲存起來，再換熱給用戶使用。太陽能中溫相變儲能與生活用熱息息相關(guān)，近些年，有許多國內(nèi)外學(xué)者對太陽能相變儲能在家庭生活用熱中的應(yīng)用有深入研究。崔潔[3]對太陽能相變儲能地板采暖系統(tǒng)進(jìn)行了熱性能分析；趙文佳[4]研究了適合應(yīng)用于太陽能發(fā)電的高溫相變材料熱物性的強化；袁小永[5]設(shè)計了一種適用于太陽能熱水系統(tǒng)的無機(jī)水合鹽相變蓄熱裝置；Kant等[6]研究了太陽能相變儲能在農(nóng)產(chǎn)品干燥方面的利用；Dheep等[7]提出穩(wěn)定性好的有機(jī)相變材料——苯甲酰胺和癸二酸，其更加適用于中溫太陽能儲能；Kapsalis等[8]將相變材料應(yīng)用在建筑及熱泵方面；Xue[9]用傳統(tǒng)的太陽能熱水器和與相變材料耦合使用的熱水系統(tǒng)進(jìn)行比較，其中耦合系統(tǒng)的熱力性能比傳統(tǒng)的更為優(yōu)良。

本文主要在前人研究的基礎(chǔ)上，將封裝有相變材料的金屬儲能芯置于儲能箱中，分別測試儲能箱中儲能芯含有50%和80%相變材料，以及儲能箱中為純水時3組的蓄放熱性能。

1　實驗裝置

太陽能相變儲能材料的蓄放熱性能測試系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由太陽能集熱器、儲能箱、水泵、管路，以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實驗分成3組，分別是儲能芯中為50%的相變材料、80%的相變材料和純水，分別對其進(jìn)行蓄放熱試驗測試。為將儲能箱能量快速儲滿，選用3臺真空管式太陽能集熱器，真空管數(shù)為75根，長度為1.8 m，整個集熱器的集熱面積為9.6 m2。儲能箱為圓筒形，帶孔的分隔板將其分成上下兩部分，下部分儲存水，儲能芯置于上部，儲能箱的容積為67 L。水泵選微型循環(huán)水泵，最大揚程為9 m，最大流量為 20 L/min，額定功率為20 W。部件之間用波紋軟管連接。溫度探頭為熱電偶，輻照量數(shù)據(jù)采集選用四線制電阻，并用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀將溫度和輻照量數(shù)據(jù)采集至電腦。

圖1　太陽能相變儲能材料的蓄放熱性能測試系統(tǒng)原理圖和實物圖

相變材料的蓄熱實驗從2016年3月 27日08:00開始，直到儲能箱中水溫達(dá)到80 ℃。實驗開始時，將太陽能集熱器上的遮陽板移除，以確保溫度平衡；關(guān)閉閥門5和6，啟動水泵，開始蓄熱，儲能棒上、中、下部分別有溫度探頭；輻照量和溫度都通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄，每10 s記錄一次；蓄熱實驗中使用水作為循環(huán)加熱工質(zhì)，儲能箱中溫度達(dá)到80 ℃時，關(guān)閉循環(huán)水泵，蓄熱實驗結(jié)束。相變材料進(jìn)行放熱時，打開閥門5和6，閥門6調(diào)到合適開度，以使儲能芯緩慢連續(xù)放熱。當(dāng)水箱頂部出水口溫度接近40 ℃時認(rèn)為放熱完成，記錄出水量。

裝有50%相變材料的蓄放熱實驗結(jié)束后，再做儲能芯中為80%的相變材料和純水的兩組蓄放熱實驗。同樣，儲能箱中水溫升高到80 ℃，放熱時都以當(dāng)水箱頂部出水口溫度接近40 ℃時為放熱完成，記錄相關(guān)參數(shù)。待水完全放熱后，實驗結(jié)束。

1.1相變材料的選擇

由于硬脂酸熔點適合太陽能熱水系統(tǒng)，熔解熱較高，原料易得，對人體無任何毒害作用，且價格便宜[10]，故選其為此次太陽能相變儲能材料的蓄放熱性能測試的材料，其物性參數(shù)見表1。

表1　硬脂酸的熱物理性質(zhì)

1.2儲能裝置

在蓄放熱過程中，相變材料從固態(tài)到液態(tài)或從液態(tài)到固態(tài)，液態(tài)的材料具有流動性，故要求相變材料在儲能系統(tǒng)中有容器封裝以保持穩(wěn)定；而且需保證相變材料在容器中不泄漏，同時還需保證容器有盡可能好的傳熱性能，使相變材料可以快速實現(xiàn)蓄放熱。目前常用的儲能式熱水系統(tǒng)主要采用塑料球封裝和金屬管封裝。由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于塑料(鋁合金和塑料的導(dǎo)熱系數(shù)分別約為10～20 W/(m?K)、0.3 W/(m?K)，在相變材料的蓄放熱實驗中易實現(xiàn)快速蓄放熱，且封裝較為簡單，硬脂酸對鋁合金無腐蝕、無溶透、無化學(xué)反應(yīng)[11]，因此選用鋁合金管作為封裝容器，如圖2所示。鋁合金管直徑為38 mm，長570 mm，壁厚2 mm。

蓄熱單元中的相變材料在吸收熱量達(dá)到相變溫度時，材料從固體變成液體，儲存相變潛熱。儲能完成后，放熱過程中，水從儲能箱底部流入，與相變儲能單元發(fā)生熱交換，相變材料溫度下降到相變溫度時，材料開始凝固，產(chǎn)生固液相界面，隨著放熱不斷地進(jìn)行，固液相界面不斷遠(yuǎn)離儲能單元壁面[12]，最后相變材料完全凝固，潛熱釋放完成。

圖2　相變材料儲能單元

在儲能箱蓄熱完成后，冷水從儲能箱底部進(jìn)入，如圖3a所示，通過帶孔擋板，使冷水進(jìn)入儲能箱均勻分布，可與儲能芯充分均勻換熱，換熱之后的熱水從儲能箱頂部流出。將封裝有相變材料的儲能單元均勻布置在儲能箱中，如圖3b所示。

圖3　儲能芯在儲能箱中的布置

1.3傳熱過程

太陽能蓄熱系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化過程是通過太陽能集熱器將太陽能轉(zhuǎn)化成攜熱介質(zhì)水的熱能，再經(jīng)過循環(huán)將能量儲存到儲能箱中。太陽能蓄熱系統(tǒng)熱力性能評估的有用能Qu、儲存的能量Qs和系統(tǒng)效率ηs[13]為：

式(1)～式(3)中，A為集熱器的集熱面積；I為單位面積的輻照量；mw為儲能箱中水的質(zhì)量；cw為儲能箱中水的比熱；mp為相變材料的質(zhì)量；cp為相變材料的比熱；L為相變材料的潛熱值；Ts′為儲能箱的初始溫度；Ts′為儲能箱的終溫。

儲能箱在蓄滿能量后再將能量釋放出來，認(rèn)為出水溫度在40 ℃以上的能量為有效能，在整個放熱過程中，儲能箱釋放的有效能Qa為：

式中，m為儲能材料質(zhì)量；cp為儲能材料比熱容；ΔT為儲能箱出口水溫與40 ℃的溫差；Δτ為時間步長。

2　實驗結(jié)果與分析

本次相變材料的蓄放熱實驗將太陽能儲存在儲能箱中，再將冷水從儲能箱底部放入儲能箱，將熱量以熱水的形式釋放出來。此次實驗主要通過對比相變材料和水的蓄放熱過程，以判別相變材料和水的蓄放熱能力。

2.1蓄熱過程

儲能芯裝有50%相變材料的儲能裝置在太陽能儲能過程中，水在太陽能集熱器和儲能箱之間通過泵驅(qū)動循環(huán)。在集熱器出口的水溫要大于進(jìn)口水溫，由于循環(huán)速度較快，儲能箱中的底部水溫要比上部水溫高，但溫差在2 ℃以內(nèi)，所以水在儲能箱中的溫度分布大致相等。整個儲能過程水溫從室溫一直被集熱器加熱至80 ℃，儲能才完成，太陽能輻照量和水箱內(nèi)水溫隨時間變化曲線如圖4所示。

儲能過程中，從08:00～10:47，儲能箱的蓄熱時長為167 min，太陽能平均輻照量為700 W/m2，進(jìn)入系統(tǒng)的有用能Qu為67.5 MJ，整個儲能箱水和相變材料加熱至80 ℃，儲存的能量Qs為17.78 MJ，集熱系統(tǒng)的運行效率ηs為0.263。由于本次實驗主要將儲能箱中的能量蓄滿即可，因此并沒有在連接管路上做很好地保溫處理，而且連接管路內(nèi)也充滿了同樣被太陽能集熱器加熱的熱水，所以蓄熱系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)化效率較低。

圖4　太陽能輻照量和水箱內(nèi)水溫變化曲線

此次蓄放熱實驗主要是在同樣的儲能空間下，儲能單元含有不同比例的相變材料對儲能裝置的放熱能力進(jìn)行對比實驗及分析。因此，在蓄熱時只對儲能芯中含有50%相變材料的儲能裝置進(jìn)行實驗記錄，其他兩組的儲能箱蓄熱水溫達(dá)到80 ℃即可，故不對其蓄熱過程的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

2.2放熱過程

第一組試驗中，當(dāng)儲能箱中相變材料完全融化，水溫達(dá)到80 ℃時，關(guān)閉循環(huán)水泵，蓄熱完畢。放熱時，打開圖1中的閥門5和6并調(diào)整到合適開度，達(dá)到出水流量為1.2 L/min，冷水緩慢進(jìn)入儲能箱，使之能夠充分與儲能箱中的相變材料進(jìn)行換熱，從而釋放材料的相變潛熱。放熱從13:35開始，放熱過程中，一開始出水溫度維持在80 ℃左右，一段時間后才緩慢下降，直到出水溫度為40 ℃時，放熱過程結(jié)束。在整個放熱過程中，儲能箱頂部、中部和底部的水溫變化情況如圖5所示。

從圖5可看出，儲能箱的水在放熱過程中，開始放熱一段時間內(nèi)，各部位水溫維持不變。由于有溫差的存在，溫度升高，水的密度會降低，在儲能箱中，溫度較高的水會在儲能箱的頂部，溫度低的水會在儲能箱的底部。經(jīng)過緩慢放熱，由于相變材料與水發(fā)生熱交換，儲能箱中水溫會有小幅度波動。儲能箱中，放熱8 min左右儲能箱底部水溫開始下降；放熱17 min左右儲能箱中部水溫開始下降，在放熱28 min后儲能箱頂部水溫才開始下降。

圖5　儲能芯裝有50%相變材料時儲能箱放熱水溫分布情況

在儲能芯裝有50%相變材料蓄放熱實驗完成后，將儲能芯中的相變材料加至80%，同樣蓄熱到80 ℃，再進(jìn)行放熱。以1.2 L/min的出水流量進(jìn)行緩慢放熱，直到出水溫度降低到40 ℃時，水放熱結(jié)束。在水的整個放熱過程中，儲能箱中的水溫變化情況如圖6所示。

圖6　儲能芯裝有80%相變材料時儲能箱放熱水溫分布情況

從圖6可看出，由于相變材料的增加，使得儲能箱在放熱過程中各部位維持在80 ℃左右的時間更長，其放熱能力也就增強。同樣，由于相變材料的存在，水箱各部位水溫在很小范圍內(nèi)有一定波動。放熱過程中，放熱10 min左右儲能箱底部水溫開始下降；放熱25 min左右儲能箱中部水溫開始下降；在放熱36 min后儲能箱頂部水溫才開始下降。

在兩組儲能芯裝有相變材料的蓄放熱實驗完成后，將儲能芯取出，往儲能箱中加滿自來水，再將儲能箱中的水溫升至80 ℃，然后按照相變材料放熱的方法將水的能量釋放出來，同樣以1.2 L/min的出水流量進(jìn)行緩慢放熱，直到出水溫度降低到40 ℃時，水放熱結(jié)束。在水的整個放熱過程中，儲能箱中的水溫變化情況如圖7所示。

圖7　無相變材料時儲能箱放熱水溫分布情況

從圖7可看出，儲能箱裝滿自來水的情況下，在放熱時其各部位水溫變化情況較為緩和。由于沒有相變材料的緩和，儲能箱底部水溫直接從80 ℃開始下降；儲能箱中部水溫在放熱20 min左右開始下降；頂部水溫在放熱35 min左右開始下降。

儲能芯中裝有50%相變材料時，由于儲能芯占有一定容積，儲能箱中水的體積要比儲能箱中全部裝滿水的體積要小，所以在兩者放熱時裝有相變材料的儲能箱各部位水溫維持在80 ℃的時間比裝純水的儲能箱要短。但將儲能芯中的相變材料加至80%時，放熱過程中儲能箱各部位水溫維持在80 ℃的時間比裝純水的儲能箱長。

2.3有效能分析

儲能芯裝有50%相變材料的儲能箱以1.2 L/ min緩慢放熱時，儲能箱出水溫度在40 ℃以上的放熱時間為56 min。儲能芯裝有80%相變材料的儲能箱出水溫度在40 ℃以上的放熱時間為60 min。裝有純水的儲能箱出水溫度在40 ℃以上的放熱時間為45 min。3種情況下儲能箱出口水溫變化情況如圖8所示。

圖8　3種情況儲能箱出口水溫變化曲線

純水放熱時出水溫度在80 ℃的出水量比儲能芯裝有50%材料時的要多，與儲能芯裝有80%相變材料時在80 ℃的出水量相差不大。隨著純水的出水溫度迅速下降，有相變材料的出水溫度較為緩和。3種情況下的儲能箱放熱能力如表2所示。

表2　儲能箱放熱能力

利用有效能式(4)可分別計算出3組放熱的有效能，其中純水釋放出的有效能為8.2 MJ，儲能芯在裝有50%相變材料時釋放的有效能為8.9 MJ，儲能芯在裝有80%相變材料時釋放的有效能為13.3 MJ，在有效能方面，相變材料所釋放的有效能要比純水更多[14]。當(dāng)儲能單元只裝有50%相變材料時，由于儲能箱容積較小，而且相變材料與水有二次換熱的發(fā)生[15]，相變材料的有效能跟水相比優(yōu)勢并不明顯。但將儲能芯中的相變材料增加至80%，其放熱能力明顯增強，在儲能空間一致的情況下，相變材料釋放的有效能為水的1.62倍。相變材料在有效能放熱方面比水更有優(yōu)勢，相變儲能在家庭生活用熱中的效果更佳。

3　結(jié)論

本文利用硬脂酸作為相變材料應(yīng)用于太陽能相變儲能系統(tǒng)中，對儲能芯含有50%和80%相變材料及純水的儲能箱進(jìn)行蓄放熱性能測試與分析。可得到以下結(jié)論：

1)裝有相變材料的儲能箱在放熱過程中，由于相變材料的放熱，儲能箱中水溫波動比純水放熱時的水溫波動大，可在一定時間內(nèi)維持局部溫度不變。

2)在儲能量相當(dāng)?shù)那闆r下，相變材料釋放的有效能比水要多，材料釋放的有效能為8.9 MJ，水釋放的有效能為8.2 MJ。

3)在相同儲能容積下，相變材料的有效能為水的1.62倍，相變儲能在家用熱水方面將發(fā)揮重要作用。

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2016-04-22

劉鋒(1992—)，男，碩士研究生，主要從事太陽能相變儲能和熱利用方向的研究。fengliu4757@163.com