太阳能热发电蓄热材料的选择计算

第３４卷第７期华电技术

Ｖ０１．３４Ｎｏ．７

２０１２年７月

ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｊｕｌ．２０１２

太阳能热发电蓄热材料的选择计算

于秀艳

（中国华电工程（集团）有限公司。北京１０００３５）

摘要：论述了以空气为载热介质的碟式及塔式太阳能热发电系统蓄热材料的选择问题，目的是通过计算和分析，初步确定蓄热材料的种类及结构，完成对蓄热材料的初步筛选。对２种不同蓄热材料陶瓷球及蜂窝陶瓷的换热特性和阻力特性进行了详细的计算、对比及分析，从理论上论证了宜采用蜂窝陶瓷作为蓄热材料。关键词：新能源利用；太阳能光热发电；蓄热器；蓄热材料选择；蜂窝陶瓷材料中图分类号：ＴＫ

５１３

文献标志码：Ｂ

文章编号：１６７４—１９５１（２０１２）０７—００７２—０６

０引言

太阳能光热发电由于采用了蓄热器进行储热，使整体发电效率高于光伏发电，因此，近几年引起了世界各国的高度重视并进行了相关开发。

设计蓄热器的目的是将白天接收来的太阳能以某种形式先储存起来，到了夜间或阴天光照不足时再释放出来，按需要进行发电。利用储热技术，一方面可以起到“削峰填谷”稳定电网负荷的作用，另一方面还能大大减少系统频繁启、停过程中疏水导致的能量损耗，起到提高能源利用率的作用；更重要的是，它使利用不连续的太阳能提供连续的电能成为

图１陶瓷球实物图

可能。

蓄和释放大量的热量；透热深度小，容易达到热饱和碟式发电和部分塔式发电装置采用空气作为载状态，有利于发挥蓄热体的蓄热作用，热效高。由于热介质，因此，这２种太阳能热发电的蓄热方式也非其贯通的平行通道，气流阻力比陶瓷球小很多，使用常相似，蓄热材料的选择也具有相通性。

过程中压力损失小且堆积稳定性较好。但蜂窝陶瓷１可供选择的蓄热材料种类

蓄热密度较陶瓷球小，耐压强度相对较低。蜂窝陶瓷实物图如图２所示。

目前，通过对大量固态及非固态材料进行初步分析和筛选，选出陶瓷球和蜂窝陶瓷２种材料作为以空气为载热介质的太阳能热发电蓄热的备选材料。１．１陶瓷球

在以往的钢铁行业中，蓄热器使用的蓄热材料多为氧化铝陶瓷球，它具有蓄热量大、强度高的优点，同时也具有比表面积小、蓄放热速率慢的缺点。陶瓷球实物图如图ｌ所示。

１．２蜂窝陶瓷

蜂窝陶瓷是一种多孔性的工业用陶瓷，内部造型是许多贯通的平行通道。由于其管壁薄、孔距小，与一般的块状陶瓷相比，蜂窝陶瓷的质量小、比表面圈２蜂窝陶瓷实物圈

积大、热交换面积大、传热能力强，能在短时间内积

２选择蓄热材料的相关计算及分析

收穑日期：２０１２—０３—１５：修回日期：２０１２—０３—２８

进行蓄热材料选择的相关计算，目的是通过对

第７期于秀艳：太阳能热发电蓄热材料的选择计算

・７３・

不同材料进行计算、分析和对比，找出一种最合适的材料作为蓄热材料。

根据热力学相关公式可知，当蓄热器的最高工作温度及环境温度确定后，蓄热器所用的蓄热材料量仅取决于材料的比热容及密度的大小，比热容及密度越大，材料价格越低，对降低总造价越有利。

要进行蓄热材料的计算，需选择形状比较规则的材料。下面对表面光滑的陶瓷球和蜂窝陶瓷２种材料进行计算，通过对计算结果的分析，确定蓄热材料的类型。

在蓄热器实际蓄热和放热过程中，各物性参数是随着温度的变化而变化的，并非定值，但因该计算仅是为了做不同材料的对比计算，故在计算中采用了各物性的平均值作为原始取值。

２。１

厂、．厂Ｉ

——

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厂

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—＿——

１——

‘＼／。‘＼／。＼！／＼：／

陶瓷球蓄热器的计算及分析

（１）假设蓄热器的总容量为１８ＭＷ・ｈ，可２４

ｈ

２．１．１设定条件连续运行。

（２）假设蓄热器不能放出的死区能量为总容量

的１５％。

ＹＹＮｐ∈大大久厂

—＿——

图３正方形点阵排列方式

、／厂！、＼／厂！、＼／厂：、＼

‘＼／’＼；／＼１／＼：／

（３）假设蓄热器的每天散热量为总容量的２％。（４）假设蓄热材料为陶瓷球，直径为１０（５）假设环境温度为１０℃。２．１．２计算说明

该设计计算的思路是：选取陶瓷球作为蓄热球，计算出蓄热器的蓄热／放热时间、对流换热时间、导

热换热时间及蓄热器阻力。

蓄热球在蓄热器横截面上有２种极限排列方式：正方形点阵排列方式（如图３所示）及插空错列排列方式（如图４所示）。实际的蓄热球排列应介于此２种排列方式之间，因此，计算结果也应介于２种排列方式的计算结果之间。２．１．３陶瓷球蓄热器计算结果

蓄热球的相关计算结果见表ｌ，蓄热器的相关计算结果见表２，蓄热器中空气吸热及放热的相关计算结果见表３，蓄热器对流换热相关计算结果见表４，蓄热器导热相关计算结果见表５，蓄热器阻力相关计算结果见表６。

２．１．４

ｍｍ。

、，／’

厂、．／厂：、＼厂：、＼厂ｊ、＼

＿——

ＶＹＹ∈太久久

图４插空错列排列方式

‘＼／‘＼：／＼｛／＼！／

器，当蓄热材料为陶瓷球，材料最高温度为８５０℃，环境温度为１０℃时，热量蓄满所需的蓄热材料用量为７９．２ｔ。当采用陶瓷球的直径为１０ｉｎｎｌ，截面尺寸

为１．１

ｍ×２．２

ｍ时，蓄热器长度为１６．９２～

１９．５４ｍ。

（２）按１８ＭＷ・ｈ的总蓄热量进行设计的蓄热

器，当空气流量为１

９０６×２

Ｉｎ３／ｈ，最高温度为８５０

℃，环境温度为１０℃时，蓄热器理论上充满时间为１４．７ｈ。按假设死区能量为总容量的１５％，且蓄热器的每天散热量为总容量的２％来计算，放热时空气流量为１

２４．５ｈ。

９０６

ｍ３／ｈ，蓄热器理论上的放热时间为

（３）当蓄热器结构按上述进行设计时，蓄热器

蓄满１８ＭＷ・ｈ的热量需对流换热时间为０．２５～

０．４６ｈ。

陶瓷球蓄热器计算结果分析

对计算结果进行分析，得出结论如下：

（１）按１８ＭＷ・ｈ的总蓄热量进行设计的蓄热

（４）当蓄热器结构按上述进行设计时，蓄热器

表１蓄热球的相关计算结果

・７４・

华电技术

第３４卷

表２蓄热器的相关计算结果

空气体积流量／空气密度（标准状态）／空气质量流量／热空气比热容（平均）／

过程

（ｍ３・ｈ一１）

（ｋｇ・ｍ一３）

（ｋｇ・ｈ一１）

［ｋＪ・（ｋｇ・ｏＣ）一１］

…招崂试麓等嚣篙斧。耄搿器篙等并（洲ｋｇ＂皴ｍ－３７）嚣掌器需鬻时

注：因陶瓷球蓄热器的流道比较复杂，尚无确定的公式可用。表６中的计算结果是参考了国内的蔡九菊先生及国外的Ｅｒｇｕｎ在研究试验中所得的经验公式（见参考文献［３］）计算得出的。由表６可知，采用２人的经验公式所得的结果相近，因此，其数据可作参考。

蓄满１８ＭＷ・ｈ的热量需导热换热时间为２．２６～

（５）从阻力计算的结果看，采用陶瓷球作为蓄热

４．１７ｈ。

材料，蓄热器的阻力非常大（３．０～５．２ＭＰａ），这个压

第７期于秀艳：太阳能热发电蓄热材料的选择计算

蓄热器的蓄热和放热时间。

・７５・

力等级将无法选到合适的风机。２．２蜂窝陶瓷蓄热器的计算及分析

２。２．１

（３）计算蓄热器对流换热时问及蓄热材料导热换热时间，与蓄热、放热时问进行对比，找出它们之

ｈ

设定条件

（１）假设蓄热器的总容量为１８ＭＷ・ｈ，可２４

连续运行。

间的关系，核算所选择蓄热材料及设计蓄热器的尺寸是否满足蓄热放热要求（所设计的蓄热器，其对流换热时间和导热换热时间应远小于同样条件下空

气的理论蓄热、放热时间）。

（２）假设蓄热器不能放出的死区能量为总容量

的１５％。

（３）假设蓄热器每天的散热量为总容量的２％。（４）假定蜂窝陶瓷的孔为３ｍｍＸ３ｍｍ的方孔，肋厚为１．３

ｍｍ。

（４）计算蓄热器阻力，将工作状态时的空气流量及阻力损失作为风机选择的依据。２．２．３蜂窝陶瓷蓄热器计算结果

蜂窝陶瓷的相关计算结果见表７，蓄热体的相关计算结果见表８，蓄热器中空气吸热及放热的计算结果见表９，蓄热器的对流换热计算结果见表１０，蓄热器的导热计算结果见表１１，蓄热器的阻力计算

结果见表１２。

２．３蜂窝陶瓷蓄热器计算结果分析

（５）假设环境温度为１０℃。２．２．２计算的目的及思路

（１）用选定的蜂窝陶瓷作为蓄热材料，按照蓄热量的需要，选定合适的蓄热器尺寸，即蓄热器的横截面边长及长度，并求出蓄热材料的用量。

（２）根据太阳能集热转换器所能提供的热空气量及正常运行时锅炉的额定输入空气量分别计算出

（１）蓄热器的设计尺寸及蓄热材料用量。按１８

表７蜂窝陶瓷的相关计算结果

工况

空气密度（标准状态）／

空气体积流量／（ｍ３・ｈ。１）

（ｋｇ・Ｉｌｌ。３）

空气质量流量／（ｋｇ・ｈ。）

热空气的比热容（平均）／［ｋＪ・（ｋｇ・℃）。］

项目空气体积流量／（ｍ３・ｈ。）平均流速／（ｍ・ｓ。）

蓄热器长度／ｍ

空气运动黏度／（ｍ２・ｓ’１）空气导热系数／［ｗ・（ｍ・℃）“］

空气体积流量／

（／１＂１３・ｈ。）

３８１２

蓄热器截面积／ｍ２

２．４２

材料初热空气温／ｑＣ初温／℃

１０

８５０

材料导热系数／［ｗ・（ｍ・ｏＣ）“］

２．７

每个方孔的导热量／（ＭＪ・ｈ“）

２５９０

所有方孔的总导热量／（ＭＪ・ｈ“）

３３１５６６４７４

充满１８ＭＷ・ｈ需传导换热时间／ｈ

０．０００１９５４４

－７６・

华电技术

表１２蓄热器的阻力计算结果（蓄热过程）

第３４卷

ＭＷ・ｈ的总蓄热量进行设计的蓄热器，其内截面为

２．２ｍ

Ｘ

器时，仅在０。１７２Ｓ的时间内就能被蓄热材料完全吸

１．１

ｍ、长度为２２．８ｍ。蓄热材料的总用量为收。也就是说，当热空气流出蓄热器之前，就已将所

携带的热量通过热交换的方式完全传递给了蓄热材

７６．８２ｔ。

（２）充满１８ＭＷ・ｈ的热量所需要的时间。蓄

热器启动时，空气总流量为３

８１２

ｍ３／ｈ，假设热空气

料，当其流出蓄热器时，温度接近环境温度。只有当蓄热器即将充满时，温度才会因蓄热器末端蓄热材

料温度的升高而升高。当温度升高到≥１２０℃时，就可停运蓄热器引风机，此时，可认为蓄热器热量已

温度为８５０℃，环境温度为１０℃时，蓄热器理论上充满１８ＭＷ・ｈ的热量所需要的时间为１４．７ｈ。

（３）额定工况下理论上可放热时间。按假设死

蓄满。

（１）导热换热时间极短，能够满足蓄、热放热要求。由以上计算结果可知，设计采用的蜂窝陶瓷蓄

区能量占总容量的１５％，蓄热器每天的散热量为总

容量的２％来计算，蓄热器在额定工况下理论可放热时间为２４．５ｈ。

热材料导热、换热所需时间极短，充满１８ＭＷ・ｈ的热量所需时间仅为０．７ｓ，占理论蓄热时间的比例非

常小，仅为其０．００００１３３１倍，而且比对流换热还要快很多，更是瞬间吸收。

（４）对流换热时间较短，能够满足蓄热放热要求。由以上计算结果可知，设计的蜂窝陶瓷式蓄热

器对流换热所需要的时间很短，按充满１８ＭＷ・ｈ的

热量来计算，所用时间为０．２５８

２６

ｈ，占理论蓄热时

（２）蜂窝陶瓷蓄热器的快速蓄热、放热，主要取

决于对流换热。对比导热和对流换热可知，对于蜂窝陶瓷式蓄热器，导热比对流换热快得多，故空气所

间的比例很小，仅为其０．０１７６倍，这说明在蓄热时进入蓄热器的空气所携带的热量能在瞬间快速地被

蓄热器吸收。这将有利于蓄热器的快速蓄热、放热，

带来的热量能否被蓄热器快速吸收，主要取决于对

流换热这一环节。

（３）设计的蜂窝陶瓷式蓄热器，可使引风机长期工作在低温环境。通过对比导热、对流换热时间与

从而使实际的蓄热器温度一长度（位置）变化曲线更接近理想趋势（如图５所示）。

蓄热时间的关系，还可得出以下结论：即采用上述蜂

窝陶瓷式蓄热器，可以使进入蓄热器的热空气所带

进的热量在靠近人口端被快速地吸收，然后逐渐向冷端推移，使热空气被快速地冷却下来，空气温度由

较高快速降低，至出口端时，温度已接近环境温度。也就是说，在蓄热器的整个蓄热阶段，出口端的温度

大部分时间内较低（接近于环境温度），只有当蓄热

０

蓄热器长度抽

器快要充满时，出口端温度才会逐渐升高。这将有

利于引风机长期在低温环境中工作。

图５理想的蓄热器温度一长度（位置】

变化趋势曲线

（４）蜂窝陶瓷式蓄热器与球式蓄热器相比，阻力小很多。由前面的计算可知，球式蓄热器在蓄热时

阻力为３．０～５．２ＭＰａ，这么大的阻力根本无法选到

此结论也可以从表１３的计算结果得以证明。

表１３数据说明：额定工况时，空气流过蓄热器全长所需时间为９．７６０ｓ，而空气带进的热量在流过蓄热

风机。而在同样蓄热条件下，蜂窝陶瓷式蓄热器在

表１３蓄热器的换热时间

第７期于秀艳：太阳能热发电蓄热材料的选择计算

・７７・

蓄热时的阻力约为２９４８Ｐａ，即蜂窝陶瓷式蓄热器的大提高了蓄热器的效率，而且使引风机长期工作在低温环境，保证了引风机的使用寿命。

因此，从换热特性方面看，选用蜂窝陶瓷作为蓄热材料也最为合适。

阻力小于球式蓄热器的１／１０００，而且这个数值刚好在中低压风机压头可选的范围之内。这将有利于蓄热器风机的选取，并可节省大量厂用电。

２．４蓄热材料的选定

２．４．１从阻力特性方面选择蓄热材料

由上述计算结果可以看出，蜂窝陶瓷式蓄热器和球式蓄热器相比，在相同空气流量、蓄热量以及相同蓄热器截面尺寸的情况下，球式蓄热器的阻力过大（Ｉ＞３ＭＰａ），根本选不到可用的风机，故无法实现蓄热目的。而蜂窝陶瓷蓄热器从各方面都具备蓄热的可实现性，尤其是其阻力较低，在同样空气流量的情况下，因风机的工作压力较低，厂用电的消耗相对要少很多。从长远看，对节能更加有利。

因此，从阻力特性方面看，选用蜂窝陶瓷作为蓄热材料最为合适。

２．４．２从换热特性方面选择蓄热材料

球式蓄热器的对流换热时间（０．２５～０．４６ｈ）和

导热换热时间（２．２６—４．１７ｈ）较长，热空气进入蓄

３结论

由以上计算结果可知，对于采用以空气为热能传输介质的碟式及塔式太阳能热发电系统，宜选用蜂窝陶瓷作为其蓄热材料。其具备以下优点：

（１）能够在极短的时间内完成蓄热和放热。（２）可通过改变蜂窝陶瓷孔的大小、壁厚和个数，改变整个蓄热材料的比表面积，从而实现快速导热及对流传热的性能。

（３）蜂窝陶瓷式蓄热器的阻力较小，有利于风机的选取，与其他形式的蓄热器相比，可节省大量厂

用电。

（４）蜂窝陶瓷式蓄热器可以使引风机长期工作在低温环境，保证引风机的使用寿命。参考文献：

［１］罗运俊，何梓年，王长贵．太阳能利用技术［Ｍ］．北京：化

学工业出版社，２００４．

［２］杨世铭，陶文铨．传热学［Ｍ］．４版．北京：高等教育出版

社，２０１１．

［３］蔡九菊，饶荣水，于庆波．填充球蓄热室阻力特性的实验

研究［Ｊ］．钢铁，１９９８（６）：５９—６２．

［４］施振球．动力管道设计手册［Ｍ］．北京：机械工业出版

社，２００６．

热器后，其所携带的热量还没来得及被蓄热球充分吸收就被排出，从而导致蓄热器内蓄热材料内部的温度与热空气温度始终存在一定的温差，而且排出去的空气温度会高于相应位置的陶瓷球本身的温度较多，导致在蓄热器热量还没蓄满的情况下，就出现引风机进口的空气温度过高而无法继续蓄热的情况，无法满足蓄热和放热的要求。

蜂窝陶瓷蓄热器由于材料壁薄，换热比表面积大，蓄热器蓄满的对流换热时间（０．２５８ｈ）和导热换热时间（０．０００１９５ｈ）极短，热空气进入蓄热器后，其所携带的热量在极短的时间内（不到ｌｓ）就会被蓄热材料充分吸收，从而使蓄热材料的温度几乎在极短的时间内就会达到和热空气一样的温度。当空气从蓄热器内排出时，其温度已接近环境温度（只有当蓄热器即将充满时温度才会有所升高），不仅大

（编辑：白银雷）

作者简介：

于秀艳（１９７ｌ一），女，辽宁昌途人，高级工程师，从事余热利用、新能源、分布式能源等方面的研究工作（Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｕｘｙ

＠ｃｈｅｃ，ｃｏｍ．ｃｎ）。

ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●◇●◇●（＞●◇●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●◇●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●ｏ●◇●・：：＞●◇●ｏ●＜＞●ｏ●＜＞●＜＞●ｏ●＜＞●＜＞●ｏ●＜＞●＜＞●ｏ●＜＞●ｏ●ｏ●＜＞●＜＞●（＞●＜＞●＜＞●

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……．．．………（前插２，３）

…………（前插４，５）

华电重工股份有限公司……………………………（封面）华电分布式能源工程技术有限公司（跨版）………（封二）华电技术……………………………………………（封三）华电郑州机械设计研究院有限公司………………（封底）华电分布式能源工程技术有限公司（跨版）

……（前插１）

华电重工股份有限公司（跨版）

华电环保系统工程有限公司（跨版）华电水务工程有限公司（跨版）

………………（前插６，７）

………（前插８，９）

沁阳市东利银建实业有限公司（跨版）

华电重工股份有限公司…………………………（前插１０）

太阳能热发电蓄热材料的选择计算

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

于秀艳

中国华电工程(集团)有限公司,北京,100035华电技术

Water Conservancy & Electric Power Machinery2012,34(7)

1.罗运俊;何梓年;王长贵 太阳能利用技术 20042.杨世铭;陶文铨 传热学 2011

3.蔡九菊;饶荣水;于庆波 填充球蓄热室阻力特性的实验研究[期刊论文]-钢铁 1998(06)4.施振球 动力管道设计手册 2006

本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_sldljx201207025.aspx