太阳能中温相变储热器热损失的研究

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2015年40期 3

太阳能中温相变储热器热损失的研究

戚玉欣 陶志国

皇明太阳能股份有限公司，山东 德州 253300

摘要：太阳能具有分散性强、能流密度低、适合得到中低温热源的特性，太阳能低温热利用是人们最早认识和利用太阳能的转换手段，也是将来太阳能低成本、规模化应用的最重要的领域。但是太阳能资源的间歇性，导致其集热储热和能量利用在时间和空间上产生了不匹配的矛盾，相变储热设备能够有效解决太阳能在时间和空间上不匹配的矛盾，是系统中的关键设备之一，也是系统产品化的重要环节。随着储存热源温度的提高，储热器热损失问题越来越不容忽视，但是人们在设计时往往按照普通传热公式进行计算，在一定程度上会造成保温材料的浪费，增加太阳能光热系统的成本。 关键词：太阳能；中温相变储热器；热损失 中图分类号：TB657.5；TB34 文献标识码：A 文章编号：1671-5659（2015）40-0003-01

1 导言

太阳能光热利用是新能源中应用前景最为广泛的一种，目前制约太阳能光热发展的关键因素之一就是太阳能资源的间歇性，如何保障能源的全天候供给一直是人们重点关注的问题。相变储热设备能够有效解决太阳能在时间和空间上不匹配的矛盾，是系统中的关键设备之一，也是系统产品化的重要环节。随着储存热源温度的提高，储热器热损失问题越来越不容忽视，但是人们在设计时往往按照普通传热公式进行计算，在一定程度上会造成保温材料的浪费，增加太阳能光热系统的成本。

2 我国能源应用概述 2.1 传统能源特点

传统化石能源（煤炭、石油和天然气等）在现有能源结构中占据了绝大部分，但是随着化石能源的不断开采利用，其储量越来越不容乐观。我国传统能源的特点为：一、中国地大物博，能源储量大，但人均拥有量低；二、资源分布较分散，主要消费区在经济发达的东南沿海，而储存地却大部分在华北、西南、西北等地区和海域。故目前中国能源资源的现状为：西气东输、北煤南运、西电东送、北油南运；三、大部分资源需要进行井下作业，能源开采成本逐年增加。

2.2 太阳能集热

人们日常生活中所消耗的能源绝大多数都是间接或者直接以热能的形式消耗，太阳能集热技术能够降低日常生活用能对常规能源的消耗。比如太阳能热水技术，节能效果明显，太阳能热水器的投资回报期一般为2-4年，而一般集热器设计寿命可达15-20年以上，其经济性良好。我国是真空管集热器的生产使用大国，是我国太阳能集热技术的主要形式。全玻璃真空管型集热器经过几十年的发展，其技术已经相当成熟。全玻璃真空管集热器由于其热损系数小，相对于平板集热器在冬季较不容易结冰，且成本低廉，因而在我国得到了广泛的推广和普及。平板集热器相对于真空管集热器，具有易于与建筑相结合的优点，但其热损相对较大，较适用于我国南方区域，在目前我国的集热器市场份额中，平板集热器要明显少于真空管集热器。

2.3 大型埋地储热器

在太阳能的低温热利用中，有一种储热方式是将经过集热器收集到的热能保存至地下含水层、土壤和岩石中，这是因为地下空间比较大，而且有着丰富的天然储热介质。一个典型的案例就是瑞典在乌普萨拉市的居民区中建造了一个

环状的地下太阳能储热器，此储热器的容积为105 m 3

，距离地表30 m ，储存的热能能够供550栋住宅供暖。这类型储热方式的储热介质一般为含水层、地下土壤和岩石，但是目前仍存在着一些问题：大部分未进行地下绝热和防渗处理，导致储热器热损失严重、储热效率低；成本高以及具体应用受到地下条件限制等。

3 热损失分类

储热器热损失可以认为是由储热器的保温热损失和其他热损失两部分组成。

3.1 保温热损失

保温热损失指的是通过保温材料的热损失，这部分热损失可以通过热力学公式算得。保温热损失可由以下公式确定：

3.2 其他热损失

导热介质是通过螺旋盘管和相变介质发生热交换的，当储热器不工作的时候由于没有了外界提供的热源，盘管中导热介质温度下降，和储热器内高温相变熔盐发生热交换，导致储热器热损失；由于盘管是通过将内外桶打穿而伸到外面，保温层结构被破坏，导致多余热损失；储热器底部和地面相接触，这部分热阻造成的热损失；储热器侧面的上下部分、顶面和底面四周部分的热损失。

3.3 数值模拟分析

对储热器进行理论公式计算是针对储热器在稳态散热状态下的分析，其优点是计算比较简便，应用广泛；但是其计算结果和实际结果还是存在一定的误差，而且最重要的是对散热时内部温度场不能进行预测，对散热较大的部位不能有一个直观的分析优化。对储热器进行数值模拟分析，更加贴近实际，具有更好的指导意义。

3.4 储热器热损失影响因素

（1）储热器的形状和结构。储热器的结构改变，其散热面积也随之改变，储热器热损失也就不同。本节通过改变储热器的外形来探讨其热损失情况。储热器的外部形状可分为：圆柱形、长方体形和球形。但是从稳定性和制作工艺的复杂程度上来考虑，球形储热器基本不会使用，故本小节只要考虑圆柱形和长方体形储热器热损失情况。（2）不同结构对热损失的影响。在相同的保温层厚度情况下，圆柱形储热器热损失均要比长方体形储热器热损失要小，但是两者均会随着结构尺寸的变化而变化。因此本小节改变储热器的高径比（高宽比），讨论热损失与结构参数的关系。（3）外部环境对热损失的影响。外部环境对热损失的影响主要包括温度、风速和湿度等，对于本文所研究的储热器而言，其外壁是不绣钢的外桶，在密封性良好的情况下空气中的水蒸气是不会进入到保温材料中的，这就避免了由于空气的湿度问题导致保温材料导热率增大。

4 结束语

综上所述，本文介绍了太阳能低温热利用的几个主要领域，包括：太阳能集热、太阳能采暖，太阳能跨季节储热等，大型埋地储热器不仅节省了空间，而且相比放置在地面上的相同尺寸的储热器而言，在冬季最高能减少侧面和底面热损失达到19.1%，大型埋地储热器对提高热能利用效率、降低成本有着重要意义。

参考文献

[1]刘俊峰.太阳能中温相变储热器热损失的研究[D].合肥工业大学，2015.

[2]刘俊峰，马少波.圆柱形相变储热器热损失的试验研究[J].流体机械，2015（06）：9-13，8.

[3]许佩佩.塔式太阳能吸热器热性能的研究[D].浙江大学，2015.