高溫太陽能蓄熱裝置的研制

高溫太陽能蓄熱裝置的研制

0太陽能蓄熱器與太陽灶的結(jié)合隨著化石能源的日益匱乏和燃燒環(huán)境的嚴(yán)重問題，我們必須找到一個(gè)清潔的能源替代品。太陽能被國際公認(rèn)為是未來最具競爭力的新能源之一。太陽灶作為太陽能熱利用的一種重要設(shè)備，在太陽能豐富地區(qū)的使用可以減少對環(huán)境的影響，對可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。但是，由于太陽能的時(shí)間波動特性，普通太陽灶的使用受到很大限制。國外有將蓄熱器與太陽灶結(jié)合起來，開發(fā)蓄熱式太陽灶地研究，但其相變蓄熱材料的工作溫度都很低，系統(tǒng)工作時(shí)間長，導(dǎo)熱性能差。為此，本文提出將高溫蓄熱器與太陽灶結(jié)合起來，研制出高溫太陽能蓄熱灶，從而實(shí)現(xiàn)太陽灶在無日照的條件下工作，提高太陽灶的適用性及太陽能的使用效率，保持太陽灶穩(wěn)定不間斷地運(yùn)行。該高溫蓄熱式太陽灶經(jīng)現(xiàn)場測試，能夠滿足實(shí)際使用要求。1光照和蓄熱器高溫太陽能蓄熱灶的主要構(gòu)成為聚光集熱器、蓄熱器和灶具，如圖1所示。在日照期間，太陽能聚光器將太陽光聚焦到蓄熱器底面，并以導(dǎo)熱方式將熱量傳給蓄熱體，蓄熱體在達(dá)到熔點(diǎn)溫度時(shí)發(fā)生相變并儲存熱量，在無日照期間，蓄熱體將熱能釋放出來，并加熱灶具內(nèi)的物品。蓄熱器是高溫太陽能蓄熱灶的核心部件1.1聚光集熱器結(jié)構(gòu)選型原則聚光集熱器即為普通的太陽灶，該技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)非常成熟。聚光集熱器的選擇原則是分析系統(tǒng)各個(gè)組成模塊的性能，選擇能適應(yīng)季節(jié)變化、抗風(fēng)性強(qiáng)、成本低、運(yùn)行維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的聚光集熱器。其采光面積達(dá)2m2，聚焦比30左右，在青藏高原地區(qū)使用，聚光集熱功率一般在2000W以上。1.2相變材料研究相變蓄熱材料應(yīng)具備較高的熱傳導(dǎo)性能，才能實(shí)現(xiàn)蓄熱灶足夠的蓄熱和放熱速率具有實(shí)用性。參考已有文獻(xiàn)，本文分別對鋁基合金和鋅基合金進(jìn)行了熱工實(shí)驗(yàn)測試，最終選擇鋅基合金為相變材料研究高溫太陽能蓄熱器的性能。相變蓄熱器的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是高溫隔熱保溫，可從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和隔熱保溫材料兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)高效隔熱技術(shù)。相變材料盛于不銹鋼容器中，相變材料上部與加熱盤完全接觸，加熱盤與相變蓄熱材料之間靠焊接連接。在相變材料容器和不銹鋼鍋具外側(cè)包裹玻纖棉保溫材料，減少熱損失。鍋具與加熱盤間無固定連接，依靠傳導(dǎo)換熱。2性能試驗(yàn)2.1太陽能加熱條件測試結(jié)果為了驗(yàn)證高溫太陽能蓄熱器的蓄熱放熱能力，進(jìn)行了蓄熱器蓄熱性能測試。重慶地區(qū)不具備太陽能加熱的條件，采用電加熱模擬太陽能聚光加熱的過程進(jìn)行測試。測試結(jié)果見表1。圖1為加熱功率為1000W時(shí)的相變材料溫升曲線，圖2為蓄熱完成后加熱2L水時(shí)水的溫升曲線。測試結(jié)果表面，目前的設(shè)計(jì)有足夠的蓄熱量和傳熱速率，能滿足蒸煮食物的需求。2.2溫度對蓄熱器工作原理的影響測量fluge-ro-mometer見表1為了測試高溫太陽能蓄熱器的使用效果，在西藏拉薩地區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。測試時(shí)間為2009年9月，平均直射輻射強(qiáng)度850W/m2，測試時(shí)采用激光測溫裝置測試蓄熱體底部吸熱面和蓄熱器頂部加熱盤溫度。測試儀器采用紅外溫度計(jì)FLUKE62MiniIRTHER-MOMETER，測溫精度：<±(0.75%+1)℃。蓄熱測試過程如下：（1）蓄熱器安裝：將蓄熱器按要求安放于太陽灶聚焦位置，并在上部加蓋特制保溫蓋；（2）測試調(diào)整及相應(yīng)準(zhǔn)備工作：調(diào)整太陽灶位置及仰角，將太陽光聚焦在儲熱器底部受熱面上。（3）數(shù)據(jù)采集：人工進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作,按照測試程序開始每隔5～10min記錄儲熱器底部受熱面和頂部加熱盤表面溫度。放熱過程測試采用直接加熱水的方式，將定量的處于環(huán)境溫度的自來水盛于普通鍋內(nèi)，記錄水從環(huán)境溫度加熱至沸騰所需時(shí)間。3加熱水對儲熱介質(zhì)儲熱量的影響根據(jù)現(xiàn)場測試記錄數(shù)據(jù)，得到圖3所示的儲熱器頂部加熱盤溫升曲線。由圖可見，在加熱至90min時(shí)，曲線變得很平緩，表示儲熱器內(nèi)材料正在發(fā)生相變，持續(xù)大概30min，相變儲能過程完成，材料全部熔化。經(jīng)計(jì)算儲熱過程完成時(shí)蓄熱介質(zhì)總儲熱量為2216kJ，其熱量相當(dāng)于6.6kg的100℃開水所包含的熱量。為了驗(yàn)證蓄熱灶的實(shí)用性和可操作性，將蓄熱完成后的蓄熱器用于加熱水以達(dá)到蒸煮食物的目的。表2為實(shí)測加熱水的過程以及使用時(shí)情況。該過程為儲熱介質(zhì)放熱過程。分4次分別加熱550mL水，每次放熱以后，相變儲熱介質(zhì)溫度仍高于316℃，還可繼續(xù)用于加熱開水。通過實(shí)驗(yàn)，蓄熱灶的使用與普通電開水器使用時(shí)相當(dāng)，操作簡單易行，能達(dá)到實(shí)用要求。4熱水機(jī)器產(chǎn)品，即實(shí)行市場機(jī)制，見圖2本文研制的高溫太陽能蓄熱器經(jīng)測試可得出如下結(jié)論：（1）在環(huán)境溫度10～25℃范圍時(shí)，每天產(chǎn)開水10