王政伟，，， ，

(常州大学 石油工程学院，江苏 常州 213016)

国内外学者做了大量有关光热蓄热系统数值计算与实验方面的研究。穆志君[3]等对太阳能光伏光热一体化系统进行了实验研究，分析结果表明，系统电效率比常规光伏系统提高了约7%；郑建涛[4]等对太阳能柱式吸热器非均匀受热进行了数值模拟；N.G.Barton[5]通过数值模拟方法分析比较了两种不同运行方式对系统整体蓄热性能的影响。

该文在上述研究的基础上，针对中小型太阳能光热发电项目，提出一种高温固体蓄热系统，采用耐高温固体颗粒作为蓄热体、空气作为热媒介质，与其他类型的蓄热系统相比具有明显的优势：(1)热媒介质空气工作温度范围大，无毒无害。(2)蓄热体来源广泛，成本低，耐高温，蓄热温度能达到1 000℃以上。(3)蓄热器外壳和管道无需采用耐腐蚀材料。(4)系统安全性好，投资低、运行费用少，不仅可进行光热发电，还能满足实际工业生产生活用热需求，提高了太阳能利用效率和使用范围。

1 蓄热系统总体设计方案

蓄热系统设计需满足以下原则：(1)蓄热系统的热效率高(85%以上)；(2)系统连续稳定运行，太阳能提供系统所需能源；(3)系统能满足多功能的要求；(4)蓄热系统流动阻力小，运行费用低；(5)系统要便于调节、灵活运行，以满足检修维护等其他操作。

图1 光热发电高温固体蓄热系统示意图

蓄热系统如图1所示，光热发电高温固体蓄热系统由取热子系统、蓄热子系统和用热子系统三部分组成，子系统两两之间可以形成闭合循环回路。取热子系统1布置的塔式太阳能聚光集热器工作时[6]，定日镜将太阳光束反射到集热器处，集热器处的热媒吸收太阳的辐射能并将其转化为高温热能。取热子系统末端旁路装有电加热器，以防止连续阴雨天气对整个系统运行的影响。蓄热子系统2由多个蓄热器组成，蓄热器内部填充蓄热材料，高温热媒介质与蓄热介质进行热交换从而实现热能的有效存储，解决了太阳能的间歇性和不稳定性等问题。用热子系统3包括空气热用户和蒸汽锅炉热电联产系统。在光照条件良好的情况下，从集热器得到热量，一部分供给用热子系统，另一部分储存在蓄热子系统中。光照条件不好时，集热器的集热满足不了用热系统或在无光照的情况下，蓄热系统的蓄热器则进行放热用来供给用热子系统。

2 蓄热器的优化设计

2.1 蓄热器结构及容量的确定

蓄热器的结构如图2所示，蓄热器采用卧式的布置方式，由蓄热器本体和保温层两部分组成。蓄热器内部填充层的填充材料为陶瓷球-高铝球(Al2O3·SiO2)，其设计最高温度为900℃，蓄热器外表面温度为50℃，环境温度为20℃。

图2 高温固体蓄热器结构图

为了尽可能降低环境热损失以及考虑到成本和承重等因素，蓄热器保温层最里层用耐火砖2砌筑内墙，内墙外层耐高温合金钢3制作的罐体，再往外是作为保温层的胀珍珠岩4。为了减小蓄热器的辐射散热损失，蓄热器最外层包有高反射率的铝箔5。蓄热器各结构材料的尺寸计算如表1所示。

表1 蓄热器内部直径及各保温材料厚度

为简化分析计算，对蓄热器作以下假设：(1)蓄热器保温层保温效果较好，蓄热材料的起始温度为300℃；(2)蓄热器平均每天蓄热的时间为8小时；(3)蓄热周期为3天且2天日照较好；(4)蓄热器最高蓄热温度为900℃。

无论是热带气旋还是东北季风，灯浮标的移位都是由于海浪作用于灯浮标的外力大于锚链和沉块在海水中的重量，从而使灯浮标移位的。铁在水里的比重为0.87，则1.5节锚链在水里的重量大概为1吨；水泥在水里的比重为0.67，则5吨沉块在水里的重量大概为3.36吨，也就是说只要海浪的作用力大于4.36吨就可以使灯浮标移位。沉块在海床上可能会存在一些抓力，但当海浪大到将锚链拉离海床时，沉块的抓力基本就不存在了。

蓄热系统设计总热功率为1.0 MW，集热器的集热量80%用于蓄热，20%用于放热，蓄热系统中设置有3个蓄热器。一个工作周期内，系统总的集热量为57 600 MJ，蓄热系统存储的热量为46 080 MJ。蓄热器的相关计算如表2～表4所示。

表2 单个蓄热器内蓄热球的相关计算

表3 单个蓄热器内热空气的相关计算

表4 蓄热器的相关计算

2.2 蓄热器保温特性分析

忽略蓄热器内部填充层与蓄热器内壁间的热阻，蓄热器的传热系数为

式中k——蓄热器的传热系数/W·(m2·℃)-1；

δ——厚度/m；

λ——导热系数/W·(m·℃)-1；

h——对流传热系数/W·(m2·℃)-1；

下标1——耐火砖；

下标2——膨胀珍珠岩。

该文通过集中参数法来分析固体蓄热器保温特性，导热微分方程式为：

式中t——温度/℃；

τ——蓄热时间/h；

ρ——密度/kg·m-3；

c——定压比热容/kJ·(kg·℃)-1；

下标s——蓄热材料。

整理，有

式中θ——过余温度/℃。

代入相关数据后可得填充层温度t

t=10+890exp(-1.59×10-3τ)

(4)

图3 一天内蓄热器填充层温度随时间的变化

图3、图4分别为一天内蓄热器填充层温度随时间以及蓄热器填充层温度随天数的变化关系。由图3、图4可知，一天内蓄热器填充层温度随时间以及蓄热器填充层温度随天数的变化均为线型变化。蓄热器保温一天，温降约为4.8%，同时实际应用过程中，准备多个蓄热器同时蓄热，基本符合工业化要求，保证在没有长时间阴雨天气的情况下，蓄热系统能持续供热发电。

图4 蓄热器填充层温度随天数的变化

3 系统热平衡及热效率计算

3.1 系统热平衡

整个系统热损失的环节有集热器的散热损失、蓄热器的散热损失、管道及附件散热损失、阀门和测量仪表的热损失。根据热平衡原理，输入给蓄热系统的总功率应等于蓄热器内存储热量和各部分的散热损失代数和。即

Q0=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(5)

式中Q0——输入给蓄热系统的总功率/MW；

Q1——蓄热器内储存的热量/MW；

Q2——集热器的热损失量/MW；

Q3——蓄热器的热损失量/MW；

Q4——管道及附件的热损失量/MW；

Q5——阀门及测量件的热损失量/MW。

3.2 系统热效率计算

蓄热系统的热效率

=1-(q2+q3+q4+q5)×100%

(6)

式中q1——蓄热系统总的热效率/[%]；

q2——集热器散热损失率/[%]；

q3——蓄热器散热损失率/[%]；

q4——管道及附件散热损失/[%]；

q5——阀门及测量件散热损失率/[%]。

系统热效率计算结果如下表5所示，经计算，系统总效率可高达85.4%。

表5 高温固体蓄热系统各部位散热及热效率

4 蓄热系统流道阻力计算

4.1 流动阻力计算

蓄热系统的总阻力Δpz由管道沿程阻力Δp1、局部阻力Δp2和蓄热器内部固体颗粒填充层阻力损失Δp3组成

Δpz=Δp1+Δp2+Δp3

(1)蓄热系统中所用管道的尺寸是φ630×10，管道总长150 m，管道内质量流量qm=2.52 kg/s，空气计算温度取300 ℃，空气在管内的流速u=14.04 m/s，ρ=615 kg/m3，可推算出空气在管道内的运动状态为湍流运动，当103

式中u1——流道内流体的流速/m·s-1；

de——流道的当量直径/m；

L1——流道的长度/m。

(2)系统中的局部阻力是由于空气流动时因流动方向或流通截面积的改变(如阀门、弯头、三通和变径段)而引起的能量损失，其局部阻力公式为

(8)

该系统中弯头为90°ζ1=0.75，阀门为球心阀，全开ζ2=6.4。

(3)流体流经固体颗粒填充层阻力损失的通用公式[8]

G2——蓄热器内填充层入口处的质量流速/kg·(m2·s)-1；

L2——蓄热器的长度/m；

db——蓄热球的直径/m。

4.2 风机选型

由于系统的总阻力比较大，因此蓄热系统内风机的选择就有一定的要求。选用的风机应保证蓄热系统在既定的工作条件下，满足蓄热系统全负荷运行时对热空气、风流量和压头的需要。

风机的实际功率为

式中Q——风机风量/m3·h-1；

β——电机容量储备系数，取1.3；

ξ1——内效率，取0.8；

ξ2——机械效率，取0.97。

经计算，风机实际需要的功率为46.84 kW，因此最终风机型号定为6.3 A离心鼓风机，流量为14 763.8 m3/h。

5 结论

(1)设计的高温固体蓄热系统蓄热温度能达到900℃的高温，能利用太阳能进行全天候连续稳定高效运行。

(2)根据固体蓄热材料及热媒介质的基本要求，通过对比优化分析，选定空气为热媒，高铝球为蓄热材料；根据蓄热总量、蓄热材料的物性参数等，分析计算出蓄热器的尺寸和蓄放时间。

(3)根据结构安全、保温和经济性要求得到蓄热器结构为：内砌耐火砖+耐热支撑钢板+膨胀珍珠岩+外包铝箔。采用集总参数法分析蓄热器的保温性能，得到高温固体蓄热器每天的散热损失小于5%。

(4)蓄热系统的整体效率大于85%；对系统的阻力进行了分析，给出各部分的阻力计算公式，以循环空气的平均温度为基准来计算系统的总阻力，并据此选择的风机型号。