太阳能热发电用高温相变蓄热器的数值模拟 (2015年)

对采用单级相变材料(PCM)蓄热的太阳能热发电用高温相变蓄热器的蓄热过程进行了数值模拟。得到了采用单级蓄热时熔化过程中PCM温度和液相率随时间的变化曲线及不同时刻液相率的分布云图。通过对曲线和云图的分析,在保证蓄热量的前提下,提出了采用3种PCM级联蓄热的高温相变蓄热器的设计方案,并对其蓄热性能进行了模拟。结果表明,采用级联蓄热的方案减小了蓄热的总时间,且有效地降低了单级蓄热末期“死区”对蓄热性能的影响,使PCM的液相率分布更加均匀,为太阳能热发电用高温相变蓄热器的优化设计提供了理论依据。 ### 太阳能热发电用高温相变蓄热器的数值模拟 #### 概述 本文探讨了一项针对太阳能热发电领域中应用的一种创新技术——高温相变蓄热器的数值模拟研究。该研究旨在通过数值模拟手段评估并优化相变材料(PCM)在太阳能热发电系统中的应用效果。相变材料因其在存储与释放热能过程中的高效性而成为太阳能热发电领域的重要组成部分。 #### 单级相变蓄热过程分析 研究团队对采用单级相变材料的高温相变蓄热器进行了详细的数值模拟。该部分工作着重于分析相变材料在熔化过程中的温度变化以及液相率的时间依赖性。通过模拟获得了PCM温度随时间变化的曲线以及不同时间点液相率的分布云图。这些数据有助于深入理解单级蓄热过程中PCM的状态变化规律。 - **PCM温度变化曲线**：该曲线显示了相变材料从固态向液态转变过程中温度的变化情况。由于PCM的潜热效应，其在相变期间能够保持相对稳定的温度。 - **液相率分布云图**：展示了在不同时间点相变材料内部液相区域的分布状况。这些图像直观地反映了液相区域随时间的增长趋势。 通过对这些曲线和云图的细致分析，研究团队发现，在单级蓄热的后期阶段存在所谓的“死区”现象，即PCM无法有效继续吸热的问题。这不仅限制了蓄热效率，还可能影响整个系统的性能。 #### 级联蓄热设计方案及其优势 为了克服单级蓄热的局限性，研究团队提出了一种基于三种不同PCM材料的级联蓄热设计方案。这一方案的主要特点是将三种具有不同相变温度的PCM材料串联起来，共同完成蓄热任务。通过对这种级联蓄热方案进行数值模拟，得出了以下结论： - **缩短总蓄热时间**：相比单级蓄热，采用级联蓄热可以显著减少完成相同蓄热量所需的时间。 - **改善液相率分布**：级联蓄热有助于使得PCM在整个蓄热过程中的液相率分布更加均匀，从而减少了“死区”的影响。 - **提高蓄热效率**：均匀的液相率分布意味着更高效的热量利用，进而提高了蓄热系统的整体性能。 #### 结论与展望 本研究通过数值模拟揭示了采用单级PCM蓄热时存在的问题，并提出了有效的解决方案——级联蓄热设计。这一方案不仅可以提高蓄热效率，还能优化PCM的液相率分布，对于太阳能热发电领域的技术创新和发展具有重要意义。未来的研究可以进一步探索不同PCM材料组合的效果，以及如何将这种级联蓄热技术应用于实际工程项目中，以促进太阳能热发电技术的商业化进程。 本文提供了一种实用的数值模拟方法来评估和优化太阳能热发电中高温相变蓄热器的设计与性能，为该领域的发展奠定了坚实的理论基础。