一种太阳能相变储能材料蓄放热性能的实验研究

■ 刘锋章学来周宇杜晓冬高雅汉

(1.上海海事大学；2.山东建筑大学)

一种太阳能相变储能材料蓄放热性能的实验研究

■ 刘锋1*章学来1周宇2杜晓冬1高雅汉1

(1.上海海事大学；2.山东建筑大学)

以硬脂酸为太阳能中温相变储能材料，建立了相变蓄热装置蓄放热特性测试实验台，对储能单元含有50%和80%相变材料以及纯水的储能箱分别进行3组放热性能实验测试。结果表明，在放热过程中，储能箱在装有相变材料放热时水温波动比纯水放热时的水温波动大，可在一定时间内维持局部温度不变；在储能箱蓄热水温都达到80 ℃、冷水以1.2 L/min进入储能箱进行缓慢换热时，储能单元含80%相变材料的放热能力最强，储能单元含50%相变材料的次之，纯水的放热能力最弱；在相同储能空间下，相变材料释放的有效能为水的1.62倍。

硬脂酸；太阳能；相变储能；有效能

0　引言

新能源和可再生能源是非化石能源发展的必由之路，而太阳能是理想和洁净的新能源，是最值得人类开发利用的替代能源[1]。太阳能不仅有着可再生能源的巨大潜力，提供清洁能源，而且太阳能行业的发展可增加就业率[2]。由于太阳能具有很强的间歇性和不稳定性，使得太阳能相变储能技术应运而生。

太阳能相变储能即利用相变材料将太阳能储存起来，再换热给用户使用。太阳能中温相变储能与生活用热息息相关，近些年，有许多国内外学者对太阳能相变储能在家庭生活用热中的应用有深入研究。崔洁[3]对太阳能相变储能地板采暖系统进行了热性能分析；赵文佳[4]研究了适合应用于太阳能发电的高温相变材料热物性的强化；袁小永[5]设计了一种适用于太阳能热水系统的无机水合盐相变蓄热装置；Kant等[6]研究了太阳能相变储能在农产品干燥方面的利用；Dheep等[7]提出稳定性好的有机相变材料——苯甲酰胺和癸二酸，其更加适用于中温太阳能储能；Kapsalis等[8]将相变材料应用在建筑及热泵方面；Xue[9]用传统的太阳能热水器和与相变材料耦合使用的热水系统进行比较，其中耦合系统的热力性能比传统的更为优良。

本文主要在前人研究的基础上，将封装有相变材料的金属储能芯置于储能箱中，分别测试储能箱中储能芯含有50%和80%相变材料，以及储能箱中为纯水时3组的蓄放热性能。

1　实验装置

太阳能相变储能材料的蓄放热性能测试系统如图1所示，系统由太阳能集热器、储能箱、水泵、管路，以及数据采集系统组成。实验分成3组，分别是储能芯中为50%的相变材料、80%的相变材料和纯水，分别对其进行蓄放热试验测试。为将储能箱能量快速储满，选用3台真空管式太阳能集热器，真空管数为75根，长度为1.8 m，整个集热器的集热面积为9.6 m2。储能箱为圆筒形，带孔的分隔板将其分成上下两部分，下部分储存水，储能芯置于上部，储能箱的容积为67 L。水泵选微型循环水泵，最大扬程为9 m，最大流量为 20 L/min，额定功率为20 W。部件之间用波纹软管连接。温度探头为热电偶，辐照量数据采集选用四线制电阻，并用安捷伦数据采集仪将温度和辐照量数据采集至电脑。

图1　太阳能相变储能材料的蓄放热性能测试系统原理图和实物图

相变材料的蓄热实验从2016年3月 27日08:00开始，直到储能箱中水温达到80 ℃。实验开始时，将太阳能集热器上的遮阳板移除，以确保温度平衡；关闭阀门5和6，启动水泵，开始蓄热，储能棒上、中、下部分别有温度探头；辐照量和温度都通过数据采集系统进行记录，每10 s记录一次；蓄热实验中使用水作为循环加热工质，储能箱中温度达到80 ℃时，关闭循环水泵，蓄热实验结束。相变材料进行放热时，打开阀门5和6，阀门6调到合适开度，以使储能芯缓慢连续放热。当水箱顶部出水口温度接近40 ℃时认为放热完成，记录出水量。

装有50%相变材料的蓄放热实验结束后，再做储能芯中为80%的相变材料和纯水的两组蓄放热实验。同样，储能箱中水温升高到80 ℃，放热时都以当水箱顶部出水口温度接近40 ℃时为放热完成，记录相关参数。待水完全放热后，实验结束。

1.1相变材料的选择

由于硬脂酸熔点适合太阳能热水系统，熔解热较高，原料易得，对人体无任何毒害作用，且价格便宜[10]，故选其为此次太阳能相变储能材料的蓄放热性能测试的材料，其物性参数见表1。

表1　硬脂酸的热物理性质

1.2储能装置

在蓄放热过程中，相变材料从固态到液态或从液态到固态，液态的材料具有流动性，故要求相变材料在储能系统中有容器封装以保持稳定；而且需保证相变材料在容器中不泄漏，同时还需保证容器有尽可能好的传热性能，使相变材料可以快速实现蓄放热。目前常用的储能式热水系统主要采用塑料球封装和金属管封装。由于铝合金的导热系数远大于塑料(铝合金和塑料的导热系数分别约为10～20 W/(m•K)、0.3 W/(m•K)，在相变材料的蓄放热实验中易实现快速蓄放热，且封装较为简单，硬脂酸对铝合金无腐蚀、无溶透、无化学反应[11]，因此选用铝合金管作为封装容器，如图2所示。铝合金管直径为38 mm，长570 mm，壁厚2 mm。

蓄热单元中的相变材料在吸收热量达到相变温度时，材料从固体变成液体，储存相变潜热。储能完成后，放热过程中，水从储能箱底部流入，与相变储能单元发生热交换，相变材料温度下降到相变温度时，材料开始凝固，产生固液相界面，随着放热不断地进行，固液相界面不断远离储能单元壁面[12]，最后相变材料完全凝固，潜热释放完成。

图2　相变材料储能单元

在储能箱蓄热完成后，冷水从储能箱底部进入，如图3a所示，通过带孔挡板，使冷水进入储能箱均匀分布，可与储能芯充分均匀换热，换热之后的热水从储能箱顶部流出。将封装有相变材料的储能单元均匀布置在储能箱中，如图3b所示。

图3　储能芯在储能箱中的布置

1.3传热过程

太阳能蓄热系统的能量转化过程是通过太阳能集热器将太阳能转化成携热介质水的热能，再经过循环将能量储存到储能箱中。太阳能蓄热系统热力性能评估的有用能Qu、储存的能量Qs和系统效率ηs[13]为：

式(1)～式(3)中，A为集热器的集热面积；I为单位面积的辐照量；mw为储能箱中水的质量；cw为储能箱中水的比热；mp为相变材料的质量；cp为相变材料的比热；L为相变材料的潜热值；Ts′为储能箱的初始温度；Ts′为储能箱的终温。

储能箱在蓄满能量后再将能量释放出来，认为出水温度在40 ℃以上的能量为有效能，在整个放热过程中，储能箱释放的有效能Qa为：

式中，m为储能材料质量；cp为储能材料比热容；ΔT为储能箱出口水温与40 ℃的温差；Δτ为时间步长。

2　实验结果与分析

本次相变材料的蓄放热实验将太阳能储存在储能箱中，再将冷水从储能箱底部放入储能箱，将热量以热水的形式释放出来。此次实验主要通过对比相变材料和水的蓄放热过程，以判别相变材料和水的蓄放热能力。

2.1蓄热过程

储能芯装有50%相变材料的储能装置在太阳能储能过程中，水在太阳能集热器和储能箱之间通过泵驱动循环。在集热器出口的水温要大于进口水温，由于循环速度较快，储能箱中的底部水温要比上部水温高，但温差在2 ℃以内，所以水在储能箱中的温度分布大致相等。整个储能过程水温从室温一直被集热器加热至80 ℃，储能才完成，太阳能辐照量和水箱内水温随时间变化曲线如图4所示。

储能过程中，从08:00～10:47，储能箱的蓄热时长为167 min，太阳能平均辐照量为700 W/m2，进入系统的有用能Qu为67.5 MJ，整个储能箱水和相变材料加热至80 ℃，储存的能量Qs为17.78 MJ，集热系统的运行效率ηs为0.263。由于本次实验主要将储能箱中的能量蓄满即可，因此并没有在连接管路上做很好地保温处理，而且连接管路内也充满了同样被太阳能集热器加热的热水，所以蓄热系统的光热转化效率较低。

图4　太阳能辐照量和水箱内水温变化曲线

此次蓄放热实验主要是在同样的储能空间下，储能单元含有不同比例的相变材料对储能装置的放热能力进行对比实验及分析。因此，在蓄热时只对储能芯中含有50%相变材料的储能装置进行实验记录，其他两组的储能箱蓄热水温达到80 ℃即可，故不对其蓄热过程的实验数据进行记录。

2.2放热过程

第一组试验中，当储能箱中相变材料完全融化，水温达到80 ℃时，关闭循环水泵，蓄热完毕。放热时，打开图1中的阀门5和6并调整到合适开度，达到出水流量为1.2 L/min，冷水缓慢进入储能箱，使之能够充分与储能箱中的相变材料进行换热，从而释放材料的相变潜热。放热从13:35开始，放热过程中，一开始出水温度维持在80 ℃左右，一段时间后才缓慢下降，直到出水温度为40 ℃时，放热过程结束。在整个放热过程中，储能箱顶部、中部和底部的水温变化情况如图5所示。

从图5可看出，储能箱的水在放热过程中，开始放热一段时间内，各部位水温维持不变。由于有温差的存在，温度升高，水的密度会降低，在储能箱中，温度较高的水会在储能箱的顶部，温度低的水会在储能箱的底部。经过缓慢放热，由于相变材料与水发生热交换，储能箱中水温会有小幅度波动。储能箱中，放热8 min左右储能箱底部水温开始下降；放热17 min左右储能箱中部水温开始下降，在放热28 min后储能箱顶部水温才开始下降。

图5　储能芯装有50%相变材料时储能箱放热水温分布情况

在储能芯装有50%相变材料蓄放热实验完成后，将储能芯中的相变材料加至80%，同样蓄热到80 ℃，再进行放热。以1.2 L/min的出水流量进行缓慢放热，直到出水温度降低到40 ℃时，水放热结束。在水的整个放热过程中，储能箱中的水温变化情况如图6所示。

图6　储能芯装有80%相变材料时储能箱放热水温分布情况

从图6可看出，由于相变材料的增加，使得储能箱在放热过程中各部位维持在80 ℃左右的时间更长，其放热能力也就增强。同样，由于相变材料的存在，水箱各部位水温在很小范围内有一定波动。放热过程中，放热10 min左右储能箱底部水温开始下降；放热25 min左右储能箱中部水温开始下降；在放热36 min后储能箱顶部水温才开始下降。

在两组储能芯装有相变材料的蓄放热实验完成后，将储能芯取出，往储能箱中加满自来水，再将储能箱中的水温升至80 ℃，然后按照相变材料放热的方法将水的能量释放出来，同样以1.2 L/min的出水流量进行缓慢放热，直到出水温度降低到40 ℃时，水放热结束。在水的整个放热过程中，储能箱中的水温变化情况如图7所示。

图7　无相变材料时储能箱放热水温分布情况

从图7可看出，储能箱装满自来水的情况下，在放热时其各部位水温变化情况较为缓和。由于没有相变材料的缓和，储能箱底部水温直接从80 ℃开始下降；储能箱中部水温在放热20 min左右开始下降；顶部水温在放热35 min左右开始下降。

储能芯中装有50%相变材料时，由于储能芯占有一定容积，储能箱中水的体积要比储能箱中全部装满水的体积要小，所以在两者放热时装有相变材料的储能箱各部位水温维持在80 ℃的时间比装纯水的储能箱要短。但将储能芯中的相变材料加至80%时，放热过程中储能箱各部位水温维持在80 ℃的时间比装纯水的储能箱长。

2.3有效能分析

储能芯装有50%相变材料的储能箱以1.2 L/ min缓慢放热时，储能箱出水温度在40 ℃以上的放热时间为56 min。储能芯装有80%相变材料的储能箱出水温度在40 ℃以上的放热时间为60 min。装有纯水的储能箱出水温度在40 ℃以上的放热时间为45 min。3种情况下储能箱出口水温变化情况如图8所示。

图8　3种情况储能箱出口水温变化曲线

纯水放热时出水温度在80 ℃的出水量比储能芯装有50%材料时的要多，与储能芯装有80%相变材料时在80 ℃的出水量相差不大。随着纯水的出水温度迅速下降，有相变材料的出水温度较为缓和。3种情况下的储能箱放热能力如表2所示。

表2　储能箱放热能力

利用有效能式(4)可分别计算出3组放热的有效能，其中纯水释放出的有效能为8.2 MJ，储能芯在装有50%相变材料时释放的有效能为8.9 MJ，储能芯在装有80%相变材料时释放的有效能为13.3 MJ，在有效能方面，相变材料所释放的有效能要比纯水更多[14]。当储能单元只装有50%相变材料时，由于储能箱容积较小，而且相变材料与水有二次换热的发生[15]，相变材料的有效能跟水相比优势并不明显。但将储能芯中的相变材料增加至80%，其放热能力明显增强，在储能空间一致的情况下，相变材料释放的有效能为水的1.62倍。相变材料在有效能放热方面比水更有优势，相变储能在家庭生活用热中的效果更佳。

3　结论

本文利用硬脂酸作为相变材料应用于太阳能相变储能系统中，对储能芯含有50%和80%相变材料及纯水的储能箱进行蓄放热性能测试与分析。可得到以下结论：

1)装有相变材料的储能箱在放热过程中，由于相变材料的放热，储能箱中水温波动比纯水放热时的水温波动大，可在一定时间内维持局部温度不变。

2)在储能量相当的情况下，相变材料释放的有效能比水要多，材料释放的有效能为8.9 MJ，水释放的有效能为8.2 MJ。

3)在相同储能容积下，相变材料的有效能为水的1.62倍，相变储能在家用热水方面将发挥重要作用。

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2016-04-22

刘锋(1992—)，男，硕士研究生，主要从事太阳能相变储能和热利用方向的研究。fengliu4757@163.com