太阳能热发电用储热混凝土的制备与储热单元模拟分析

【摘要】： 太阳能辐射能量不稳定,主要原因是云层的变化,当太阳能电站在进行热发电时,可能会突然受到云层的影响,集热器收到的辐射量短时间内不足,汽轮机不能适应这种不可控制的变化,储热系统可以在阳光正常时储热,在阳光不足时放出热来供给汽轮机运转发电,起到功率缓冲的作用,另一方面,储热材料可以把白天太阳辐射的能量以热能的形式储存起来,到了晚上释放出来进行热发电,这样可以起到削峰填谷的作用。储热系统是太阳能热电站的一个重要组成部分。 本实验用铝酸盐水泥CA-80,工业铜矿渣,钢渣,石墨,制备了一系列太阳能储热混凝土样品,水泥用量对混凝土强度影响很大,水泥用量10%,石墨用量为5%时,烘烤后抗压强度可达42MPa,抗折达到6.3MPa,而水泥用量为6%时,烘烤抗压强度最高31.4MPa,抗折5.3MPa。 石墨用量的增加会增加混凝土的用水量,降低强度,但可大幅提高热导率,C纤维属柔性纤维,对混凝土抗压强度影响不大,但增加抗折强度达33%。钢纤维对材料的抗压,抗折强度均有一定程度的提高,由于铜矿渣,钢渣,本身密度大,增加铜矿渣,钢渣含量可增加体积密度。 基于现已制备的混凝土热导率数据对材料储热循环过程用ansys软件进行了有限元热模拟,用现实的储热系统结构,建立四方简化模型,分四个阶段,储热,保温,放热,保温,施加不同的载荷,四方模型顶点处离热管最远,在传热时存在滞后现象,热导率越低,滞后现象越明显,热导率越高,储热,放热速度越高,保温时材料内温度能很快达到平衡。模拟了管间距对储热性能的影响,当材料的热导率较低时,可缩短管间距来提高储热材料的储性能,但这样会增加管材的数量,增加储热系统的成本。 新设计了两种储热结构,把热管三角错排,最小储热单元由四方形变成正六边形,呈蜂窝状,对称性好,最小面积不变,顶点离热管距离缩短了15%,储放热速度略有提高。 另一种模型,在六边形单元的六角位置引入高热导率的石墨片,体积分数质量分数为5%,与掺5%石墨粉相比,等效热导率提高了近一倍,超过了5W/m℃,在储热分析中发现石墨片内温度梯度小,但在径向方向上热流量很大,通过储热材料的结构设计可大幅度提高储热系统的性能。 【关键词】：太阳能 储热 混凝土 模拟 储热单元
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TU528
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 引言10-11
• 1.2 太阳能热发电方式11-14
• 1.2.1 塔式太阳能热发电系统11-13
• 1.2.2 槽式太阳能热发电系统13
• 1.2.3 碟式太阳能热发电系统13-14
• 1.3 太阳能热发电储热14-19
• 1.3.1 储热材料的性能要求14-15
• 1.3.2 无机耐火材料储热15
• 1.3.3 液态储热15-17
• 1.3.4 相变储热17-18
• 1.3.5 化学反应储热18-19
• 1.4 研究内容和技术路线19-21
• 1.4.1 研究内容19
• 1.4.2 关键问题19-20
• 1.4.3 创新点20-21
• 第2章 原材料的性能要求及其选择21-29
• 2.1 铝酸盐水泥21-22
• 2.2 集料22-23
• 2.3 微粉23-27
• 2.3.1 矿渣粉23-25
• 2.3.2 硅微粉25-27
• 2.4 石墨粉27-28
• 2.5 外加剂28-29
• 第3章 储热混凝土配合比及其力学性能研究29-39
• 3.1 实验原材料29-30
• 3.2 混凝土配比30
• 3.3 混凝土常温力学性能测试30-35
• 3.4 混凝土高温力学性能测试35-37
• 3.5 其它性能测试37-39
• 3.5.1 体积密度测试37-38
• 3.5.2 电导率测试38-39
• 第4章 热性能测试分析39-44
• 4.1 热容测试39-41
• 4.2 热导测试41-44
• 4.2.1 热导率测试方法41-42
• 4.2.2 热导率测试结果42-44
• 第5章 传热模拟分析44-61
• 5.1 热分析理论44-46
• 5.1.1 传热方程44-45
• 5.1.2 热传递方式45
• 5.1.3 模拟分析方法45-46
• 5.2 储热单元模型46-54
• 5.2.1 四方储热单元模型温度分布模拟48-51
• 5.2.2 管间距对储热材料性能的影响51-52
• 5.2.3 热导率对储热材料性能的影响52-54
• 5.3 储热单元结构设计与分析54-60
• 5.4 误差分析60-61
• 第6章 结论61-63
• 参考文献63-66
• 致谢66-67
• 附录: 攻读硕士研究生期间发表的论文67

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