【摘要】：以碟式聚光器聚焦的太陽能為熱源的斯特林熱發(fā)電系統稱為碟式斯特林熱發(fā)電系統。它具有效率高、無污染、結構靈活等優(yōu)點,適宜為空間站及山區(qū)、邊防哨等偏遠地區(qū)提供大功率電力。但太陽能具有間歇性特點,在烏云遮擋期和太陽落山后(或地球軌道陰影期),直射輻射中斷,系統輸出功率降低,甚至直接停機。 針對這一問題,美國宇航局(NASA)等單位以空間站太陽能熱發(fā)電系統為對象,已經研究了熔融鹽高溫相變儲熱裝置。與空間站條件相比,地面上具有烏云出現隨機、持續(xù)時間不確定等特點；為了民用和大面積推廣,還希望系統功率大、成本低。所以,針對在地面上工作的碟式斯特林熱發(fā)電系統,需要研發(fā)一種新型熔融鹽高溫相變儲熱裝置。目前國內外研究尚屬空白。 本文以現有的單缸和多缸碟式配氣活塞斯特林熱發(fā)電系統為基礎,以民用為目標,側重于成本、大功率等方面的考慮,設計了地面碟式斯特林熱發(fā)電系統用熔融鹽高溫相變吸熱儲熱裝置。結合鈉熱管優(yōu)點,改進得到了一種碟式斯特林熱發(fā)電系統高溫熱管吸熱儲熱裝置結構。另外,為了減小對儲熱腔材料高溫力學性能的要求,提出了熱封裝工藝,以便延長吸熱儲熱腔使用壽命,提高設備運行安全性。與NASA設計的空間站儲熱裝置相比,本裝置的材料成本降低了35.6%。 為了分析設計的吸熱儲熱裝置性能,優(yōu)化結構參數,以Fluent CFD軟件為平臺,研究了吸熱儲熱腔周圍的空氣無強迫對流時,吸熱腔結構(光圈型、風裙型和開口型)、參數(高度、直徑、入光孔尺寸)和安裝傾角對儲熱腔及其周圍空氣的溫度場、輻射場、壓力場和空氣自然對流場的影響規(guī)律；分析了這些因素與吸熱腔內壁輻射熱流密度、溫度分布關系。結果表明,吸熱腔高度和內徑對腔體內壁輻射熱流密度、溫度及其均方差影響很大,推薦了最優(yōu)高度和內徑關聯式；三種結構吸熱儲熱腔輻射場、溫度場特征相似,并且周圍空氣均發(fā)生了復雜的自然對流現象,在儲熱腔外壁附近形成最大流速約1.5m/s的高速空氣帶；光圈型吸熱儲熱腔結構最佳,并且應采用半錐角為30°的圓錐形反射器；吸熱腔內壁平均輻射熱流密度和平均溫度隨光圈直徑增大呈指數規(guī)律降低；吸熱腔傾角在[-π/4,π/4]范圍時熱損失較低；腔內壓強梯度明顯,腔體周圍壓強分布均勻。 討論了環(huán)境風強迫對流作用下,風速、吸熱腔傾角對吸熱儲熱腔及周圍空氣的輻射場、溫度場、壓力場和強迫對流場的影響。腔體內壓強比較均勻,基本完全是對流區(qū)；腔體外迎風側呈正壓,背風側壓強較低,并且形成了巨大的流動漩渦,自然對流特征消失。揭示了風速和吸熱儲熱裝置傾角對吸熱腔內壁溫度的影響規(guī)律。對于任一風速,θ∈[-π/2,π/4]時,吸熱腔內壁平均溫度隨吸熱腔傾角增加而增加；0=-π/4時,對流熱損失最小。然后,分析了吸熱儲熱裝置熱損失計算公式。 熔融鹽相變吸熱儲熱裝置的核心是儲熱介質。歸納了地面碟式斯特林熱發(fā)電儲熱介質選擇標準,整理了熔點在100℃～1000℃之間熔融鹽數據,篩選出NaCl、 NaF-60%KF和NaF-22CaF2-13MgF2三種無機鹽作為高溫相變儲熱介質。針對熔融鹽儲熱介質部分關鍵參數測量裝置復雜,操作麻煩等缺點。研發(fā)了測量材料熔化體積變化率的“自加熱型探針裝置和測量方法”和測量無機鹽導熱系數的裝置。以分析純NaCl、LiF-CaF2等材料為試樣,測量結果與報道值或計算機模擬值一致。 將熔融鹽儲熱介質盛裝在本文設計的吸熱儲熱裝置中,并與現有碟式斯特林熱發(fā)電系統結合,才能實現其價值。所以,結合地面民用特殊性,為了避免現有儲熱方案“過等待”和“過燒”問題,提供了“兩級變能集熱儲熱方案”,分析了集熱、儲熱和用熱能量平衡關系。并采用C語言,在Vc++2012平臺上設計了“多缸雙作用雙曲軸碟式斯特林發(fā)動機熔融鹽相變儲熱系統設計程序”,它集斯特林發(fā)動機結構設計、運行特性分析、儲熱介質選擇、吸熱儲熱裝置設計、熱損失分析、重量分析、成本預算等功能于一體。采用該程序設計了40kW和20kW熔融鹽儲熱碟式斯特林熱發(fā)電系統,其中發(fā)動機系統的關鍵參數與文獻報道值一致；展示了曲軸轉角與容積、壓強關系圖,P-V圖,也與報道值相同。采用的算法收斂性好,計算效率高。該程序降低了系統設計人員的工作強度,有助于提高設計效率。 熔融鹽對儲熱腔材料的腐蝕是該吸熱儲熱裝置最關鍵的問題。為了明確儲熱介質NaCl對腔體材料的具體腐蝕行為,選取Fe基、Cr基、Ni基、Co基各一種代表性合金和Fe-24.4wt.%Al合金作為儲熱腔體材料,揭示了它們在850℃熔融NaCl中短期(15h)和長期(192h)腐蝕特征,分析了主要元素對其耐蝕性的影響。結果表明,試驗的五種腔體材料均滿足線性腐蝕規(guī)律；Cr基試樣單位表面積單位時間內質量損失率最大,Fe-24.4wt.%Al試樣質量損失率最小。腐蝕15h后,Fe基和Fe-Al試樣腐蝕特征不明顯,Cr基試樣表現出明顯的晶間腐蝕特征,但α和γ相分布均勻；Ni基試樣腐蝕特征也不明顯,但距試樣表面約15μm范圍內Cr嚴重貧化,Fe和Ni元素含量變化不大；Co基試樣表面形成厚約12μm的層狀疏松腐蝕層。腐蝕192h后,Fe基試樣表現出非均勻腐蝕特征,腐蝕層附近基體中Cr元素含量嚴重降低,其余試樣均表現出均勻腐蝕特征；Co基試樣在整個范圍內均發(fā)生了嚴重的晶間腐蝕；Fe-Al試樣表面形成了A1203,沒有Fe的氧化物；并且由于A1的貧化,在靠近腐蝕層的基體中生成了新相。合金中的Cr元素以氣體CrCl3的形式逃逸系統是導致試樣質量損失率增大的主要因素。所以,NaCl儲熱容器材料中應當避免添加Cr元素。 本研究為在地面工作的熔融鹽儲熱碟式斯特林熱發(fā)電系統產業(yè)化奠定了理論基礎,提供了技術支持。
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TK512

【參考文獻】

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本文編號：2688249