太陽能跨季節(jié)蓄熱實驗系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究.pdf

1、能源是現(xiàn)代化建設(shè)的基礎(chǔ)和動力，能源供應(yīng)、安全關(guān)乎我國現(xiàn)代化建設(shè)全局。當(dāng)前，世界政治、經(jīng)濟格局深刻調(diào)整，能源供求關(guān)系亦隨之發(fā)生深刻的變化。我國能源資源約束日益加劇，生態(tài)環(huán)境問題突出，調(diào)整結(jié)構(gòu)、提高能效和保障能源安全的壓力進一步加大，能源發(fā)展面臨一系列新問題、新挑戰(zhàn)。太陽能作為一種取之不盡的清潔性能源，其高效利用對于解決能源問題和環(huán)境問題有重要的意義。經(jīng)過將近20年的高速發(fā)展，我國已經(jīng)成為太陽能熱利用生產(chǎn)與應(yīng)用第一大國。但是，當(dāng)前太陽能蓄熱

2、采暖發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)，大規(guī)模蓄熱采暖示范工程較少、較高的土地使用成本、項目初投資巨大而經(jīng)濟性較差以及跨季節(jié)儲熱技術(shù)復(fù)雜程度較高等因素嚴重制約項目的推廣。
　　作為蓄熱系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，水箱和保溫材料的性能會嚴重影響系統(tǒng)的蓄、放熱量，其成本亦在整個蓄熱系統(tǒng)的投資中占有相當(dāng)大的比例。蓄熱量較小時，圓柱形水箱由于其較低的成本以及良好的保溫性能而得到廣泛應(yīng)用，目前國內(nèi)外學(xué)者對圓柱形水箱工作過程的研究已經(jīng)趨近于成熟。但是當(dāng)蓄熱量較大時，圓柱

3、形水箱的成本劇烈上升，且其壽命和性能均難以達到要求。矩形水箱具有強度高、重量輕等優(yōu)點，在工程中可以根據(jù)場地情況現(xiàn)場拼裝焊接，較圓柱形水箱有更高的土地利用率以及更低的成本，在大規(guī)模蓄熱方面有較為廣闊的應(yīng)用前景。本實驗平臺采用矩形水箱作為蓄熱容器，在實際工況條件下對矩形水箱的保溫過程和蓄熱過程進行數(shù)值模擬和實驗分析。
　　課題的主要工作有:1.分析了蓄熱技術(shù)的應(yīng)用范圍和儲熱水箱研究現(xiàn)狀，論證太陽能蓄熱系統(tǒng)的社會效益和環(huán)境效益;2.儲熱

4、方案的確定，并對系統(tǒng)部件進行選型計算;3.建立了矩形水箱的有限元仿真模型，研究了入水口不同流速對水箱蓄熱性能的影響以及水箱在保溫過程形成溫度分層的機理，并在實際工況下進行了實驗測試;4.建立了箱體保溫材料有限元仿真模型，箱體保溫材料厚度和結(jié)構(gòu)對其保溫性能的影響;5.通過仿真，研究了管路保溫材料厚度對其性能的影響。研究結(jié)果表明:1、入口處流速在低于0.1m/s的情況下，水箱在蓄熱過程即形成良好的溫度分層，水箱上部水溫也能夠達到較高的水平，

5、水箱有用能數(shù)量較多，且品質(zhì)較好;2、隨著入口處流速的升高(大于0.1m/s)，水流沖擊深度不斷加大，水箱內(nèi)部冷熱摻混加強，水箱在蓄熱過程中不再形成溫度分層，當(dāng)流速介于0.3m/s～0.4m/s時，水箱內(nèi)部會形成“低溫死角”，當(dāng)流速大于0.4m/s時，“低溫死角”消失，水箱中部會形成“低溫水團”，隨著入口處水溫的上升，水箱出口處流體溫度升高，致使太陽能集熱器和板式換熱器效率下降;3、當(dāng)前環(huán)境條件下，箱體保溫材料厚度達到80mm時，外表面溫

6、度與環(huán)境溫差會下降至3℃以內(nèi)，可以保證較為良好的保溫效果;4、箱體保溫材料外側(cè)圓弧面與平面為直接過渡，由于形狀發(fā)生突變，該處熱流密度較大，對保溫性能影響較大，使用圓角過渡，能夠有效降低該處的對流換熱強度;5、對于當(dāng)前系統(tǒng)管路，其外側(cè)保溫材料（橡塑保溫棉）為厚度30mm時，外表面與環(huán)境溫差為2.638℃，能夠達到良好的保溫效果;6、太陽能蓄熱實驗系統(tǒng)生命周期范圍內(nèi)，每噸蓄熱量能夠節(jié)約標準煤5922.87t，減少二氧化、二氧化硫、煙塵和氮氧