相變填充床儲熱系統(tǒng)研究與應(yīng)用進(jìn)展
作者：張巖巖 1 熊亞選 2 陳亞輝 1全瑞星 1程廣貴 1趙彥琦 1,3 丁玉龍 4
單位：1. 江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院； 2. 北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院； 3. 航空飛行器熱管理與能量利用工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實驗室； 4. 伯明翰大學(xué)化工學(xué)院儲能研究中心
引用：張巖巖, 熊亞選,陳亞輝, 等. 相變填充床儲熱系統(tǒng)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(12): 3852-3872.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0543
本文亮點(diǎn)：本文綜述了相變填充床儲熱系統(tǒng)的性能研究及其優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用。（1）介紹了相變填充床儲熱系統(tǒng)的數(shù)值研究，包括舒曼模型、單相模型、連續(xù)固相模型、同心擴(kuò)散模型。（2）討論了相變填充床儲熱系統(tǒng)基于能量和?效率的性能分析。（3）總結(jié)了該系統(tǒng)的各種優(yōu)化設(shè)計，如儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳熱流體的選擇、球形膠囊的形狀、結(jié)構(gòu)、以及封裝方法。(4)詳細(xì)介紹了相變填充床儲熱系統(tǒng)在工業(yè)余熱回收和太陽能回收裝置余熱回收的相關(guān)應(yīng)用。
摘 要 相變填充床儲熱系統(tǒng)可實現(xiàn)熱能的回收利用以及新能源高效收集，對推進(jìn)碳中和具有重要意義。針對相變填充床儲熱系統(tǒng)復(fù)雜瞬態(tài)性質(zhì)，本文首先對用于預(yù)測系統(tǒng)熱性能的數(shù)值模型進(jìn)行了總結(jié)。隨后面向相變填充床儲熱系統(tǒng)性能評估，介紹了相變填充床儲熱系統(tǒng)性能評估方法，指出了?效率分析相比于能量效率分析的優(yōu)點(diǎn)以及區(qū)別。此外，重點(diǎn)總結(jié)與分析相變填充床儲熱系統(tǒng)性能優(yōu)化方法，表明高徑比大于1的圓柱形儲罐通常是優(yōu)選的；根據(jù)實際應(yīng)用場景選擇，傳熱流體一般采用導(dǎo)熱油、熔鹽、空氣；定型復(fù)合相變材料更具應(yīng)用前景。然后介紹了相變填充床儲熱系統(tǒng)在工業(yè)余熱回收及高效利用太陽能方面的應(yīng)用。在文章最后，展望了相變填充床儲熱系統(tǒng)在儲罐設(shè)計、儲熱單元設(shè)計、運(yùn)行策略、高溫環(huán)境等方面的未來發(fā)展，以及相變填充床儲熱系統(tǒng)的成本效益，為促進(jìn)相變填充床儲熱系統(tǒng)的發(fā)展和實際應(yīng)用提供借鑒。
關(guān)鍵詞 工業(yè)余熱回收；儲熱；太陽能利用；相變填充床；相變材料；能量效率；?效率
當(dāng)前全球能源供需面臨巨大挑戰(zhàn)，碳中和目標(biāo)推動了能源結(jié)構(gòu)的改變，可再生能源和余熱能源利用占比日益增多。然而，當(dāng)利用太陽能、風(fēng)能、余熱等能源時，它們的瞬時性及間歇性的缺點(diǎn)限制了其穩(wěn)定有效的能量輸出，有必要發(fā)展儲能技術(shù)以解決供給與需求之間的矛盾以及提升能源利用效率。全球90%的能量轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲基于熱能形式，并且全球50%以上能量終端需求為熱能，因此，熱能脫碳對于實現(xiàn)碳中和具有重要意義，而儲熱技術(shù)因儲能密度高、循環(huán)壽命長、儲能規(guī)模大、可集成度高、熱利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，可有效提升熱能利用效率，在近年來擁有極高的科研熱度。如圖1所示，儲熱技術(shù)的相關(guān)論文發(fā)表數(shù)逐年增加，2020年相比2018年論文增量最多達(dá)到了220篇，2020—2022年論文增量有所減少，但也增加了103篇。
圖1 儲熱技術(shù)相關(guān)論文統(tǒng)計(數(shù)據(jù)來源：中國知網(wǎng))
填充床具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、儲能密度高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于化工過程、熱能存儲等領(lǐng)域。如圖2所示，填充床儲熱系統(tǒng)外壁為隔熱層，內(nèi)部放置具有合適尺寸的顆?；蚱渌问焦腆w的儲熱介質(zhì)，以實現(xiàn)高儲能密度熱能存儲。填充床下部有篩網(wǎng)以支撐儲熱介質(zhì)，傳熱流體在填充床內(nèi)流動，與儲熱介質(zhì)表面接觸以實現(xiàn)儲熱系統(tǒng)的儲熱與釋熱。填充床儲熱系統(tǒng)主要基于三種儲熱方式：顯熱儲熱、相變儲熱和熱化學(xué)儲熱。顯熱填充床儲熱系統(tǒng)具有低成本特征，然而因顯熱材料自身能量密度相對較低，在大規(guī)模應(yīng)用中具有建造環(huán)境、后期維護(hù)方面的挑戰(zhàn)。熱化學(xué)填充床儲熱系統(tǒng)具有極高的儲能密度，然而現(xiàn)有研究表明該系統(tǒng)的循環(huán)壽命較低，因此仍處于概念驗證階段。相變填充床儲熱系統(tǒng)具有較高的儲能密度、穩(wěn)定的循環(huán)性能與長循環(huán)壽命，并且相變材料固有的相變特征，具有穩(wěn)定的溫度控制能力。因此，相變儲熱填充床是一種理想的熱能儲存解決方案，它能夠?qū)崿F(xiàn)高效的能量儲存和釋放，滿足不同應(yīng)用場景的能源需求。本文針對相變填充床儲熱系統(tǒng)，在第一部分介紹了相變填充床儲熱系統(tǒng)的數(shù)值模型，包括舒曼模型、單相模型、連續(xù)固相模型、混合擴(kuò)散模型。第二部分介紹了相變填充床儲熱系統(tǒng)性能評估方法，包括能量效率分析，?效率分析。第三部分介紹了填充床儲熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，包括儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳熱流體的選擇，儲熱單元的封裝方法。最后，從工業(yè)余熱回收、太陽能熱能收集等方面總結(jié)了相變填充床儲熱系統(tǒng)的應(yīng)用情況。
圖2 相變填充床結(jié)構(gòu)
1 數(shù)值模型
對于相變填充床儲熱系統(tǒng)，蓄放熱本質(zhì)是傳熱流體和相變材料膠囊在填充床內(nèi)部的對流傳熱。由于相變填充床儲熱系統(tǒng)的高實驗成本以及復(fù)雜的瞬態(tài)性質(zhì)，因此研究人員開發(fā)出幾種不同的相變填充床儲熱系統(tǒng)數(shù)值模型。這些數(shù)值模型主要用于預(yù)測相變填充床儲熱系統(tǒng)的蓄放熱過程。根據(jù)在蓄放熱過程中，液相和固相溫度是否相同，這些數(shù)值模型可以分為兩類：單相模型、兩相模型，其中兩相模型包括舒曼模型、連續(xù)固相模型和混合擴(kuò)散模型。
1.1 舒曼模型
舒曼模型是一種基于多孔介質(zhì)模型假設(shè)的非熱平衡兩相傳熱模型，主要包含兩個方程，分別描述傳熱流體(液相)和多孔介質(zhì)相變填充床(固相)的能量守恒。該模型既不考慮流體中的傳導(dǎo)，也不考慮固相中的傳導(dǎo)，大大簡化了求解的復(fù)雜性，因此舒曼模型的計算量較小，但反映流體溫度分布和反映填充床溫度分布的準(zhǔn)確性較低。
1.2 單相模型
單相模型由Vortmeyer和Schaefer在舒曼模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)，用單一方程模擬填充床，計算的溫度是固相的溫度。單相模型忽略了傳熱流體和相變材料之間的熱傳遞，認(rèn)為傳熱流體和相變材料的瞬時溫度相等。單相模型適用于高熱導(dǎo)率相變材料，因此對于石蠟、脂肪酸和大多數(shù)水合鹽不適用，但適用于高熱導(dǎo)率高溫填充床相變儲能系統(tǒng)。
1.3 連續(xù)固相模型
連續(xù)固相模型基于集總參數(shù)法，將填充床系統(tǒng)視為具有均勻固體溫度和不同流體溫度的連續(xù)多孔介質(zhì)。連續(xù)固相模型考慮了軸向和徑向熱傳導(dǎo)，可以分析充放熱過程中徑向熱梯度的影響，這對于研究熱損失大或入口流量分布不均勻的相變填充床儲熱系統(tǒng)具有重要意義。
1.4 混合擴(kuò)散模型
Ismail和Henriquez提出的混合擴(kuò)散模型將填充床視為由許多各向同性球形膠囊組成的多孔介質(zhì)?；旌蠑U(kuò)散模型與舒曼模型的區(qū)別在于在兩組能量方程右側(cè)增加了軸向熱導(dǎo)率項。圓柱形儲罐在軸向上被分成幾個微層，其中流體溫度被認(rèn)為是均勻的。該模型將相變材料和傳熱流體之間的傳熱分解為兩個階段：膠囊外對流傳熱和膠囊內(nèi)熱傳導(dǎo)。混合擴(kuò)散模型的關(guān)鍵是考慮相變材料膠囊內(nèi)部的熱梯度。
相比于上述三種模型，混合擴(kuò)散模型可更準(zhǔn)確地反映出填充床儲熱的瞬態(tài)熱行為。然而，由于需要計算在不同位置具有代表性的填充物內(nèi)部溫度分布，該模型的計算量遠(yuǎn)大于上述三者。
修正后瞬態(tài)一維混合擴(kuò)散模型的控制方程如下。
傳熱流體質(zhì)量守恒方程：
填充床填充層的慣性系數(shù)和滲透率可表示為：
2 相變填充床儲熱系統(tǒng)性能評估
2.1 能量效率分析
為了獲得相變填充床儲熱系統(tǒng)的能量存儲性能，需要對能量效率進(jìn)行評估。能量效率分析基于熱力學(xué)第一定律的能量守恒原理，能量效率指儲熱系統(tǒng)釋熱與儲熱能量之間的比率。
研究者對各種應(yīng)用中的填充床結(jié)構(gòu)、幾何形狀、運(yùn)行參數(shù)與能量效率的關(guān)系進(jìn)行了大量數(shù)值和實驗研究。能量效率與罐體高度有關(guān)，Yang等利用一個雙溫度模型來研究熔鹽溫躍層儲熱系統(tǒng)的溫度分布和放熱效率，發(fā)現(xiàn)無量綱儲罐高度在10～800范圍內(nèi)，相變填充床效率隨著儲罐高度的增加而增加。然而，作者同時也發(fā)現(xiàn)，在雷諾數(shù)1～50范圍內(nèi)，效率隨著雷諾數(shù)的增加而降低。入口溫度和入口質(zhì)量流量也會影響能量效率，Guo等通過實驗研究了相變填充床儲熱系統(tǒng)入口溫度和入口質(zhì)量流量對其熱性能的影響，建立一維混合擴(kuò)散模型模擬了填充床儲熱系統(tǒng)內(nèi)部的傳熱過程，并將數(shù)值模型推廣為無量綱模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Pe數(shù)從188增加到338時，熱效率從65.6%提高到80.1%；當(dāng)Ste數(shù)從0.479增加到0.799時，熱效率從59.2%提高到77.6%。在儲熱材料特征與能量效率的關(guān)系研究中，Yang等發(fā)現(xiàn)使用較小的填料顆?？梢源蟠筇岣叻艧嵝?，5 cm粒徑比10 cm粒徑放熱效率高出12.9%。儲熱層設(shè)計同樣會對系統(tǒng)能量效率造成影響。Liu等提出了一種具有三層相變材料和三層直徑膠囊的三維填充床儲熱罐模型，并通過數(shù)值模擬研究了其儲能行為和熱分層性能。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的非梯級單層直徑膠囊填充床儲熱罐相比，梯級三層直徑膠囊填充床儲熱罐的儲熱熱效率從24%提高到61%。Guo等發(fā)現(xiàn)合理的儲熱材料體積比可以提升梯級填充床儲熱系統(tǒng)熱效率。作者構(gòu)建了基于3∶6∶1體積比的苯二酚膠囊、己二酸膠囊和赤蘚糖醇膠囊相變填充床，提升熱效率至該系統(tǒng)最高值76.1%。運(yùn)行模式同樣會對能量效率產(chǎn)生影響。Schwarzmayr等對填充床儲熱系統(tǒng)在待機(jī)模式下的待機(jī)效率(填充床儲熱系統(tǒng)的靜態(tài)運(yùn)行)進(jìn)行了實驗研究，著重探討了在儲熱期間傳熱流體不同流動方向?qū)μ畛浯泊龣C(jī)效率的影響。結(jié)果表明，在長待機(jī)時間內(nèi)，傳熱流體流動方向?qū)Υ龣C(jī)效率有顯著影響。在反向流動過程中，能量效率高出5%。在對填充床結(jié)構(gòu)設(shè)計對能量效率的影響中，Xie等研究了壁面對填充床儲熱系統(tǒng)熱效率的影響，比較了鋼壁高溫中試規(guī)模儲罐與聚碳酸酯壁低溫實驗室規(guī)模儲罐，并均采用礦棉隔熱。結(jié)果表明，儲罐罐體內(nèi)儲存的能量對填充床放熱過程具有負(fù)面影響，在填充床儲熱完全結(jié)束后，儲罐罐體儲存能量達(dá)到儲存總能量的10%，這導(dǎo)致在填充床放熱過程中溫躍層厚度增加了15%。
2.2 ?效率分析
?分析基于熱力學(xué)第二定律，為從儲熱系統(tǒng)釋放與充入?的比率。
根據(jù)公式(32)可知，能量效率只考慮到能量的轉(zhuǎn)化和利用情況，它只對相變填充床儲熱系統(tǒng)的運(yùn)行和性能進(jìn)行簡單的能量平衡分析。根據(jù)公式(38)可知，圖片表示相變材料中累計儲存的熱量?，即相變填充床儲熱系統(tǒng)產(chǎn)生的有用功，圖片表示傳熱流體傳遞到相變材料的累計?傳遞量，即外部供給相變填充床儲熱系統(tǒng)的可用能量。最后通過整體?效率公式可知，?效率是指在一個系統(tǒng)中，有多少?被轉(zhuǎn)化為有用的輸出?。由此可知，?效率分析考慮了能量的品質(zhì)和可用性，是能量效率分析的進(jìn)一步擴(kuò)展。
與對能量效率的影響類似，入口質(zhì)量流量會對?效率產(chǎn)生影響，Wang等研究了與太陽能拋物面槽式集熱器集成的相變填充床儲熱系統(tǒng)動態(tài)熱性能，結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)入口邊界條件在熱性能方面存在顯著差異。在穩(wěn)態(tài)入口溫度條件下，?效率隨著質(zhì)量流量的增加而逐漸降低。在入口溫度不穩(wěn)定的情況下，質(zhì)量流量對?效率影響不大，約為41.00%。在針對相變填充床儲熱系統(tǒng)儲熱層研究中，Cárdenas等全面討論了顆粒尺寸、長徑比和儲熱材料質(zhì)量對填充床在整個工作周期中的?損失的影響，結(jié)果表明，當(dāng)填充床儲熱材料質(zhì)量多出50%、長徑比為0.6和粒徑為3.7 mm時，為最佳配置，具有98.24%的往返?效率。在儲熱單元特征、工作參數(shù)與?效率的研究中，Sun等在舒曼模型基礎(chǔ)上，建立了一維雙能方程兩相填充床儲能裝置數(shù)學(xué)模型，分析了球形儲熱單元相變填充床儲熱特性，發(fā)現(xiàn)減小球形儲熱單元直徑可以提高相變填充床?效率。同時作者發(fā)現(xiàn)，雷諾數(shù)和Stefan數(shù)的增加也可以提高相變填充床?效率。儲熱單位的布置方位會影響系統(tǒng)?效率。Kumar等采用焓-孔隙率技術(shù)和非平衡能量方程建立了傳熱流體、相變材料和儲罐壁面的數(shù)值模型，來研究圓柱形儲熱單元相變填充床儲熱特性，發(fā)現(xiàn)與橫向布置的圓柱形儲熱單元相比，軸向布置的圓柱形儲熱單元具有更好的?效率。儲熱層梯級設(shè)計同樣會對系統(tǒng)?效率造成影響，Gao等為太陽能供暖系統(tǒng)設(shè)計了一個梯級相變填充床儲熱系統(tǒng)，并且建立了基于熱阻分析的一維兩相模型，并通過不同實驗驗證模型適應(yīng)性。結(jié)果表明，在相同操作條件下，梯級填充床熱能儲存比單級熱能儲存具有更均勻的溫度分布，而均勻的溫度分布是提高?效率的關(guān)鍵因素，最終儲熱完成后?效率提高了5%。Zhu等利用相變填充床循環(huán)熱性能模型分別對單級相變填充床、兩級相變填充床、三級相變填充床進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)采用不同粒徑的梯級相變填充床具有更高?效率，對于兩級相變填充床來說，當(dāng)上層粒徑為0.025 m，下層粒徑為0.035 m時，?效率最大；對于三級相變填充床來說，當(dāng)上層粒徑為0.025 m，中層粒徑為0.0325 m，下層粒徑為0.00325 m時，?效率最大。
3 相變填充床儲熱系統(tǒng)
3.1 儲罐設(shè)計
填充床儲熱系統(tǒng)儲罐的設(shè)計直接影響余熱回收系統(tǒng)的成本和效率。表1對部分儲罐幾何形狀優(yōu)化設(shè)計工作進(jìn)行了總結(jié)，目前儲罐形狀一般為圓柱形，也存在矩形和截錐形。
表1 儲罐幾何形狀的優(yōu)化設(shè)計
圓柱形儲罐具有機(jī)械應(yīng)力更低、穩(wěn)定性更好的優(yōu)點(diǎn)。并且由于沒有拐角效應(yīng)，傳熱流體流動更加均勻。Cárdenas等通過調(diào)整填充床縱橫比，可以實現(xiàn)填充床性能提升，在其他參數(shù)相同的情況下，填充床的?效率隨著縱橫比圖片的降低而增加，直到達(dá)到0.5<圖片<0.8之間的最大值后，低于該值后，填充床的?效率再次降低。Zanganeh等研究了截錐形填充床，如圖3所示，儲罐浸沒在地下，其截錐形狀可以減小儲罐由于巖石熱膨脹引起的熱棘輪效應(yīng)，并且降低填充床頂部熱損失。Li等建立了基于碳酸鹽相變材料磚的矩形床結(jié)構(gòu)，如圖4所示，在填充床內(nèi)使用復(fù)合相變材料磚布置出曲折流通通道，增大了傳熱表面，強(qiáng)化了傳熱湍流。
圖3 中試規(guī)模儲熱配置和實驗設(shè)置方案，截錐形儲罐浸沒在地下，熱電偶位于填充床內(nèi)部不同的垂直位置(單位：mm)
圖4 基于定型復(fù)合相變材料填充床儲熱系統(tǒng)的示意圖 (a) 三維視圖；(b) 橫截面視圖；(c) 和 (d) 幾何尺寸(單位：mm)
儲罐隔熱設(shè)計對于減少熱量損失也至關(guān)重要。Yang等利用綜合傳熱計算模型比較了絕熱和非絕熱邊界對熔鹽填充床性能的影響，發(fā)現(xiàn)非絕熱邊界下的熱損失扭曲了熔鹽填充床溫度分布和傳熱流體分布，同時作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)超過250時絕熱和非絕熱邊界的熔鹽填充床釋熱效率基本一致。Xu等開發(fā)了二維兩相模型，其中包含隔熱和儲罐壁面的能量方程。結(jié)果表明，即使壁面附近的傳熱流體溫度受到壁面溫度的輕微影響，通過增加隔熱層厚度也可以在橫截面上形成均勻溫度分布。
流道設(shè)計對填充床儲熱性能影響很大。Vannerem等基于容量為107 kWh的相變填充床實驗研究了流體分布對填充床儲熱系統(tǒng)儲存的影響。通過對比均勻型、中心型、外圍型三種分流器，發(fā)現(xiàn)均勻型分流器徑向溫度分布最均勻。Bellenot等為了研究流體分布對雙介質(zhì)填充床儲熱性能的影響，建立了一個數(shù)值模型。但該模型仍需要一些實驗驗證對比，預(yù)計它將有助于研究裝有分配裝置的填充床儲熱性能，該分配裝置用于實現(xiàn)傳熱流體的均勻流動。Lou等通過構(gòu)造入口/出口歧管來解決單罐溫躍層儲存系統(tǒng)中流量分布不均問題，通過數(shù)值模擬的方法比較非結(jié)構(gòu)化歧管幾何形狀和具有優(yōu)化擋板的歧管幾何形狀，發(fā)現(xiàn)提出的優(yōu)化算法可以顯著改善熱性能，有效增加儲熱釋熱效率、容量比和總效率。
在創(chuàng)新罐體結(jié)構(gòu)研究方面，Trevisan等構(gòu)建了49.7 圖片高溫填充床儲熱器并在動態(tài)質(zhì)量流量下進(jìn)行實驗研究，該高溫填充床儲熱器通過內(nèi)部管道實現(xiàn)了傳熱流體徑向流動，如圖5所示，結(jié)果表明，相對于靜態(tài)條件，動態(tài)質(zhì)量流速可導(dǎo)致熱效率降低0.5%～5%?？刂瓶諝赓|(zhì)量流速可以是一種有效策略，以在放熱期間穩(wěn)定熱功率輸出，同時使壓降峰值最小化。Dong等提出了具有仿生靜脈分級結(jié)構(gòu)的填充床儲熱系統(tǒng)，在與傳統(tǒng)均勻結(jié)構(gòu)相同的孔隙率下，儲熱單元尺寸沿軸向和徑向變化。數(shù)值結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的均勻結(jié)構(gòu)相比，仿生靜脈分級結(jié)構(gòu)可以改善填充床的溫度分布不均勻性，增加傳熱面積，改善熱響應(yīng)。Liu等提出了優(yōu)化算法以形成基于靜脈形成的流道，以提升相變材料吸熱效率，從而最終提高太陽能甲烷重整過程中太陽能轉(zhuǎn)換效率。
圖5 高溫填充床儲熱器外殼CAD設(shè)計，包括主要測量單元、內(nèi)導(dǎo)管
填充床儲罐設(shè)計是力學(xué)、流量分布、壓降、熱損失問題之間的權(quán)衡。一般來說，高徑比大于1的圓柱形儲罐通常是優(yōu)選的，但每個系統(tǒng)的設(shè)計都應(yīng)根據(jù)技術(shù)要求和成本進(jìn)行綜合考慮。
3.2 傳熱流體
現(xiàn)有研究中，填充床儲熱系統(tǒng)多采用導(dǎo)熱油或熔融硝酸鹽液體傳熱流體，而氣體傳熱流體多使用空氣、高溫?zé)煔狻Ｒ后w傳熱流體具有相對高的熱容量和熱導(dǎo)率，使得填充床儲熱系統(tǒng)能夠在低循環(huán)速度下工作，因此適合應(yīng)用于填充床儲熱系統(tǒng)。Bruch等采用最高運(yùn)行溫度為350 ℃導(dǎo)熱油作為傳熱流體，對雙介質(zhì)填充床溫躍層穩(wěn)定性進(jìn)行了實驗研究，并建立一維兩相數(shù)值模型而且通過雙介質(zhì)填充床儲熱和釋熱實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，如圖6所示，同時作者基于雙介質(zhì)填充床內(nèi)部水力特性，開發(fā)了一種預(yù)測填充床壓降的方法，該方法與實驗測量數(shù)據(jù)具有非常好的一致性。同樣以導(dǎo)熱油作為傳熱流體，Mawire等研究了不同入口質(zhì)量流量的快速傳熱實驗，從導(dǎo)熱油平均溫度、儲熱介質(zhì)平均溫度、平均儲熱功率和體積傳熱系數(shù)等方面分析了該裝置的傳熱特性，發(fā)現(xiàn)入口平均質(zhì)量流量增加會導(dǎo)致體積傳熱系數(shù)線性增加。同時作者總結(jié)了體積傳熱系數(shù)與表面質(zhì)量流速和儲熱單元直徑關(guān)系式：
圖6 測量儲熱單元溫度熱電偶(左，紅色)，測量傳熱流體溫度熱電偶(左，藍(lán)色)，顯示溫度測量平面的儲罐橫截面(中間)，未進(jìn)行保溫處理的儲罐(右)
Wu等通過數(shù)值模擬方法對在太陽能儲熱系統(tǒng)中應(yīng)用的基于肉豆蔻酸球形膠囊填充床進(jìn)行研究，分析了導(dǎo)熱油入口溫度、填充床初始溫度和導(dǎo)熱管質(zhì)量流量對太陽能填料床儲熱系統(tǒng)放熱過程中動態(tài)特性的影響。發(fā)現(xiàn)傳熱流體流速越快，儲熱放熱速度越快。同時作者還發(fā)現(xiàn)傳熱流體溫度和相變填充床熱效率成正相關(guān)。
填充床儲熱系統(tǒng)也多采用空氣作為傳熱流體。盡管空氣的換熱系數(shù)有限，但它確保了高安全性、低風(fēng)險和低成本。Kuravi等通過數(shù)值與實驗研究手段，從流體分布和熱分層方面證實了規(guī)整填充床的合理性，并且作者發(fā)現(xiàn)儲熱時間隨著入口質(zhì)量流量的增加而減少。Cascetta等研究了填充床層的長徑比、空氣流量、溫度水平和壁面慣性(以徑向溫度分布為重點(diǎn))對儲熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過降低傳熱流體質(zhì)量流量，提高傳熱流體入口溫度，增加填充床長徑比，可以獲得更好的儲熱效率。Singh等使用空氣作為傳熱流體，在低空隙分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)對填充床進(jìn)行了實驗研究。Cascetta等通過數(shù)值模擬方法，探討了包括導(dǎo)熱油、熔鹽和空氣三種不同傳熱流體下填充床儲熱裝置的瞬態(tài)行為。發(fā)現(xiàn)經(jīng)過幾次儲熱釋熱循環(huán)后，導(dǎo)熱油和熔鹽依舊保持良好的性能，而空氣的儲熱能力急劇下降。但空氣也存在其優(yōu)勢，空氣的使用溫度范圍廣，不存在技術(shù)和環(huán)境問題。
液態(tài)金屬可在較寬溫度范圍內(nèi)保持液態(tài)，并且具有高導(dǎo)熱性，可實現(xiàn)高效傳熱，因此具有良好的應(yīng)用前景。如圖7所示，Niedermeier等通過使用一維混合擴(kuò)散模型，模擬分析了基于液態(tài)金屬鉛鉍的相變填充床儲熱系統(tǒng)中填料參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響。參數(shù)研究結(jié)果表明，對于液態(tài)金屬雙介質(zhì)存儲器中的有效放熱過程，較小填料顆粒尺寸是有益的(d<10 mm)，較大直徑(10 mm<d<20 mm)有利于待機(jī)階段。Wang等使用二元硝酸鹽(NaNO3+KNO3)作為傳熱流體，以圖片、圖片和圖片三元氯鹽作為膠囊相變材料，研究了傳熱流體初始溫度對相變填充床儲罐儲熱、釋熱和力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)較高的傳熱流體初始溫度可以減小儲熱過程中溫躍層厚度和儲熱時間，并且可以增加相變填充床儲熱效率和釋熱效率。同時作者還發(fā)現(xiàn)較高傳熱流體初始溫度會增大填充床罐體的最大機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)初始傳熱流體溫度達(dá)到873 K時，儲罐最大機(jī)械應(yīng)力峰值為141.7 MPa。表2對不同文獻(xiàn)中傳熱流體的選擇進(jìn)行了總結(jié)，主要包括導(dǎo)熱油、熔鹽、空氣。
圖7 雙介質(zhì)存儲中的排放過程示意圖，顯示了儲罐中軸向溫度分布(x)和粒子內(nèi)徑向方向(y)，紅色:高溫，藍(lán)色:低溫
表2 不同文獻(xiàn)中傳熱流體的選擇
3.3 儲熱單元
相變填充床儲熱系統(tǒng)中儲熱單元的材料和尺寸由其使用用途、材料經(jīng)濟(jì)性等諸多因素確定。相變材料一般需要封裝成相變材料膠囊以避免相變材料熔化后泄漏。大多數(shù)具有高能量密度的相變材料熱導(dǎo)率較低，因此，人們提出了多種強(qiáng)化傳熱技術(shù)，包括提高導(dǎo)熱系數(shù)、采用多種相變材料、增大傳熱面積等。
封裝相變材料儲熱單元常見幾何形狀包括長方體、圓柱體、球體等，如圖8所示。Wei等通過數(shù)值模擬研究，將相變材料封裝在四個不同的膠囊(球體，圓柱體，板狀和管狀)中，以研究不同相變材料封裝結(jié)構(gòu)的幾何形狀對儲熱系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)球形膠囊顯示出最好的放熱性能。同時作者還發(fā)現(xiàn)對于球形和圓柱形膠囊，放熱性能與空隙率幾乎無關(guān)，對于板狀和管狀膠囊，孔隙率越大放熱速度越快。Koide等研究了含有Al-Si基微囊復(fù)合相變材料水平填充床在高溫空氣加熱系統(tǒng)中的儲熱性能，隨著氣流速度增加，復(fù)合材料相變時間縮短，換熱速度增加。Pakrouh等用數(shù)值模擬方法研究基于相變膠囊的相變儲熱系統(tǒng)在凝固過程中的性能，當(dāng)相變膠囊直徑從60 mm減小到10 mm時，直徑減小導(dǎo)致相變膠囊表面體積比增加，提高了相變材料和傳熱流體之間的熱傳遞速率，使得相變填充床熱效率提高了11%。Tan通過可視化實驗研究了正十八烷相變材料在球體中的熔化過程，將熔化過程分為約束熔化和無約束熔化，并分別描述了其特點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)在無約束熔化中，在開始時相變材料傳熱以導(dǎo)熱為主。當(dāng)相變材料熔化時，相變材料傳熱以自然對流為主。在約束熔化中，熱傳導(dǎo)只存在于熔化過程的開始。這種效應(yīng)導(dǎo)致熔化的相變材料幾乎同心向內(nèi)熔化。Farid等在一篇詳細(xì)的綜述中介紹了球形膠囊內(nèi)相變材料的熔化和凝固。Sun等通過數(shù)值模擬方法研究了棕櫚酸/膨脹石墨/碳纖維復(fù)合相變材料中，球形膠囊直徑、熱導(dǎo)率和Stefan數(shù)對球形膠囊中相變材料熔化的影響。結(jié)果表明，球形膠囊直徑減小可以提高熔化過程中的平均能量效率和?效率。
圖8 不同幾何形狀的膠囊類型 (a) 長方體；(b) 球體；(c) 圓柱體
相變填充床儲熱系統(tǒng)強(qiáng)化傳熱技術(shù)還包括增大儲熱單元傳熱面積的方法。如圖9所示，Tang等提出一種具有中空通道的球形相變材料膠囊，并且分析了空心通道的角度和直徑對熱性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)中空通道角度從30°減小到0°時，熱性能下降了26.7%。Sun等提出一種帶有環(huán)形翅片的雙層球形相變材料膠囊結(jié)構(gòu)并分析其熱性能，結(jié)果表明，膠囊儲熱時間與翅片數(shù)量成反比，儲熱時間縮短14.4%，熵產(chǎn)隨著翅片參數(shù)的增加而線性增加。Abdulateef等介紹了增強(qiáng)型儲熱系統(tǒng)翅片的幾何參數(shù)和設(shè)計參數(shù)的研究。結(jié)果表明，縱向翅片結(jié)構(gòu)由于易于設(shè)計和制造，得到最好的增強(qiáng)效果。Xu等開發(fā)了橢球形宏觀封裝相變材料，通過實驗研究了傳熱流體入口溫度以及入口質(zhì)量流量對相變填充床儲熱系統(tǒng)熱性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)與常規(guī)膠囊相比，橢球形宏觀封裝相變材料膠囊放熱完成時間減少60%，但儲熱容量降低23%。Hu等發(fā)現(xiàn)外殼設(shè)計對金屬和自然對流過程有顯著影響，與矩形外殼儲熱單元相比，彎曲儲熱單元將儲熱時間減少30.6%。
圖9 具有中空通道相變材料膠囊和普通相變材料膠囊 (a) 外觀圖；(b) 剖視圖
仿生學(xué)借鑒自然界中生物的優(yōu)異特性，可強(qiáng)化相變填充床中流動換熱，提升相變填充床儲熱系統(tǒng)性能。此外有研究學(xué)者將儲熱單元設(shè)計和仿生學(xué)聯(lián)系在一起。Wang等提出一種仿生學(xué)肺泡結(jié)構(gòu)儲熱單元，通過數(shù)值模擬和對其熱性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，仿生肺泡結(jié)構(gòu)可以改善儲熱單元熱響應(yīng)，增加比表面積，并實現(xiàn)更快的填充床儲熱過程，雙單元仿生肺泡結(jié)構(gòu)和三單元仿生肺泡結(jié)構(gòu)的儲熱效率分別提高6.4%和5.5%。如圖10所示，Dong等提出了仿生橢圓形結(jié)構(gòu)儲熱單元，通過實驗對其熱性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，橢圓形膠囊的無約束熔化時間比球形膠囊短12%，橢圓膠囊平均努塞爾數(shù)比球形膠囊高20%。Cheng等提出一種基于仿生學(xué)的紅細(xì)胞形相變材料封裝結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬和實驗對其熱性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，與球形膠囊相比，其熔融時間明顯縮短。Mohaghegh等提出了一種梨形相變材料膠囊，進(jìn)行了實驗和數(shù)值研究來分析其傳熱過程。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)增加了自然對流循環(huán)，使固液界面更加均勻，熱性能更好。此外，增加翅片以擴(kuò)大傳熱面積也是一種有效方法，尤其是在熱阻較高的區(qū)域。雖然這些封裝結(jié)構(gòu)可以顯著提高熱能存儲系統(tǒng)熱性能，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜在具體生產(chǎn)應(yīng)用中具有挑戰(zhàn)性。表3對部分儲熱單元幾何形狀的優(yōu)化設(shè)計工作進(jìn)行了總結(jié)，主要包括球體、圓柱體、板狀、管狀、不同仿生學(xué)結(jié)構(gòu)等各種不同的封裝結(jié)構(gòu)。
圖10 膠囊從球形到橢圓形的演變
表3 儲熱單元幾何形狀優(yōu)化設(shè)計
根據(jù)以上不同學(xué)者對儲熱單元的研究可知，對相變材料進(jìn)行封裝可以減少相變填充床中的泄漏問題，延長相變填充床儲熱系統(tǒng)壽命，并解決了相變填充床儲熱系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的一部分問題。但是相變材料封裝技術(shù)目前還存在重大技術(shù)挑戰(zhàn)，例如封裝外殼引起的高熱阻問題。Ma等基于焓-孔隙率模型和S2S輻射模型建立了相變填充床儲熱系統(tǒng)三維數(shù)值模型，由于相變材料是封裝在儲熱單元中，因此研究了封裝外殼對系統(tǒng)熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)封裝外殼增加了傳熱流體和相變材料之間的熱阻，降低了相變填充床儲熱系統(tǒng)的熱效率，增加了儲熱時間。相變材料封裝技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)還包括封裝外殼的形狀穩(wěn)定性、腐蝕問題，這些缺點(diǎn)極大限制了封裝相變儲熱單元在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用。為了應(yīng)對相變材料封裝技術(shù)存在的問題，近年來，人們將硅藻土、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石或其他多孔陶瓷材料與各種鹽類相結(jié)合制造出定型復(fù)合相變材料，定型復(fù)合相變材料的使用已被證明能夠解決這些挑戰(zhàn)。Ge等使用鋰和碳酸鈉的共晶鹽作為相變材料，以氧化鎂作為陶瓷骨架，以碳納米管或石墨片薄片作為導(dǎo)熱增強(qiáng)劑，制備出熱導(dǎo)率超過4.3 W/(m·K)，儲能密度超過530 圖片的定型復(fù)合相變材料。相比于相變材料封裝儲熱單元，由于定型復(fù)合相變材料理想的熱穩(wěn)定性和出色的儲熱能力，定型復(fù)合相變材料更適用于相變填充床儲熱系統(tǒng)的實際應(yīng)用。Li等以圖片作為相變材料、圖片作為陶瓷骨架材料、石墨片作為導(dǎo)熱增強(qiáng)材料，制備了定型復(fù)合相變材料，并建立基于該定型復(fù)合相變材料的填充床儲熱系統(tǒng)數(shù)值模型，研究了該定型復(fù)合相變材料的熱性能，發(fā)現(xiàn)它具有較高熱導(dǎo)率，并因此縮短了相變填充床儲熱系統(tǒng)儲放熱時間。作者還研究了定型復(fù)合相變材料在填充床內(nèi)部的排列對儲放熱的影響，發(fā)現(xiàn)梯形排列布置的儲放熱時間最短，與平行和交錯排列相比儲放熱時間分別縮短了55.6%和34.8%。Jiang等使用改性硅藻土、多孔陶瓷骨架和圖片鹽制備出一種定型復(fù)合相變材料，研究發(fā)現(xiàn)這種定型復(fù)合相變材料在290～340 ℃溫度范圍內(nèi)具有更高的儲熱密度，可用于填充床或平行通道中，并且作者還發(fā)現(xiàn)該定型復(fù)合相變材料易于集成到太陽能熱能存儲系統(tǒng)中。
4 應(yīng)用
4.1 工業(yè)余熱回收
目前我國余熱資源利用比例低，大型鋼鐵企業(yè)余熱利用率為30%～50%，其他行業(yè)則更低，余熱利用提升潛力大，大量的工業(yè)熱量被浪費(fèi)到大氣中，而這種有價值的能量可以通過相變填充床儲熱系統(tǒng)回收。
在材料對基于相變填充床儲熱系統(tǒng)余熱回收影響的研究中，Yagi等開發(fā)一種利用相變材料回收500 K以上高溫余熱的儲熱工藝，并對單個封裝相變材料和填充床進(jìn)行了傳熱實驗。從高能量密度儲存、化學(xué)穩(wěn)定性、無毒和性價比的角度測試了六種不同材料作為相變材料。從相變材料性能、流動方向和流速等方面對高溫儲熱填充床進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，由于金屬相變材料內(nèi)部溫度分布幾乎均勻，因此金屬相變材料比無機(jī)相變材料更適合相變填充床儲熱系統(tǒng)的應(yīng)用。同時作者還發(fā)現(xiàn)將相變填充床儲熱和放熱的傳熱流體入口設(shè)置成同一個入口有利于其儲熱釋熱。Luo等采用高熱導(dǎo)率廢塑料作為SiC骨架吸附石蠟，制成綠色復(fù)合相變材料。作者采用數(shù)值模擬方法研究了基于開發(fā)的綠色復(fù)合相變材料填充床儲熱系統(tǒng)，對系統(tǒng)儲熱放熱性能和流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示，由于綠色復(fù)合相變材料的高熱導(dǎo)率，系統(tǒng)儲熱和放熱時間分別減少21%和41.1%。
在裝置優(yōu)化的研究中，Yu等建立相變材料膠囊填充床儲熱過程的數(shù)學(xué)模型，研究了該裝置熱流體動力學(xué)特性。分析了傳熱流體入口速度、傳熱流體入口溫度、相變儲熱單元初始溫度和相變材料膠囊直徑的影響。結(jié)果表明，傳熱流體入口速度增加導(dǎo)致填充床壓降增加。當(dāng)傳熱流體入口速度從0.01 m/s增加到0.1 m/s時，填充床泵功耗增加了24倍以上。填充床中的規(guī)整填料結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了周期性流動特性，提高傳熱流體入口溫度和傳熱流體入口速度加速了填充床的儲熱過程。填充床初始溫度的升高并未影響儲熱時間，但總儲熱能力下降。當(dāng)填充床初始儲熱溫度增加10 K時，儲熱能力降低近165 J。梯級相變材料的填充床熱能儲存系統(tǒng)可用于低品位余熱回收和利用，如圖11所示，Guo等設(shè)計了梯級相變材料填充床儲熱系統(tǒng)用于低品位廢熱回收利用，并對相變材料組成進(jìn)行參數(shù)化研究，結(jié)果表明，當(dāng)相變材料氫醌膠囊、己二酸膠囊和赤蘚糖醇的容積比為3∶6∶1時，循環(huán)過程平均傳熱速率最高，約為0.559 kW，熱效率最高值約76.1%。Liao等建立修正瞬態(tài)一維混合擴(kuò)散模型對巖石/相變材料膠囊組合填充床熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，當(dāng)具有截止溫度的儲熱/放熱循環(huán)達(dá)到可循環(huán)狀態(tài)時，在儲熱過程中儲存的熱能幾乎可以完全在放熱過程中利用。儲熱/放熱循環(huán)的截止溫度對儲熱效率和容量比有很大的影響，當(dāng)截至溫度為209 ℃時，三次儲熱釋熱循環(huán)后儲熱效率穩(wěn)定在96.1%，循環(huán)效率接近100%，容量比穩(wěn)定在76.5%。柴油發(fā)動機(jī)廢氣作為余熱氣體排放到大氣中，帶走了大約30%的燃燒熱量。通過提供適當(dāng)?shù)挠酂峄厥障到y(tǒng)，可以節(jié)省大量熱量。Prabu等將柴油發(fā)動機(jī)與相變儲能系統(tǒng)結(jié)合起來，從廢氣中回收廢熱。儲能系統(tǒng)由一個圓柱形不銹鋼容器和40個球形相變膠囊組成，該球形相變膠囊外殼由低密度聚乙烯制成，內(nèi)部填充約100 g石蠟。在這個系統(tǒng)中，水被用作傳熱流體。結(jié)果表明，4%～7%的總熱量被該系統(tǒng)回收。
圖11 (a) 填充床儲熱系統(tǒng)示意圖；(b) 填充床儲熱系統(tǒng)計算域示意圖；(c) 相變材料膠囊示意圖
在系統(tǒng)層面研究中，Manente等提出了一種算法可實現(xiàn)儲熱材料選擇與布局優(yōu)化，用于提高鋼鐵行業(yè)中溫下不連續(xù)波動煙氣的熱回收率，實現(xiàn)蒸汽或電力生產(chǎn)。所開發(fā)算法包括儲熱單元設(shè)計，以及對集成儲熱單元的系統(tǒng)進(jìn)行性能評估。結(jié)果表明，通過與相變填充床儲熱系統(tǒng)的集成，雙儲罐布局優(yōu)化產(chǎn)生的蒸汽量是完全混合儲罐的兩倍，與有機(jī)朗肯循環(huán)或卡利納循環(huán)相結(jié)合發(fā)電量將會增加65%～70%，并且作者通過經(jīng)濟(jì)性分析發(fā)現(xiàn)，相變填充床儲熱系統(tǒng)由于硅油的高成本無法盈利。
4.2 太陽能熱能收集
4.2.1 太陽能集熱器
太陽能是清潔無污染的可再生能源，并且在自然界中儲量豐富，能夠滿足日益增長的能源需求，由于太陽能的間歇性和不穩(wěn)定性，太陽能供應(yīng)和能源需求之間存在著不匹配。相變填充床儲熱系統(tǒng)通過在非高峰時段期間從太陽能場收集能量，然后在需求的高峰時段期間釋放能量，從而減少太陽能供應(yīng)和能源需求之間的不匹配問題。
前期在相變填充床與太陽能集熱器的研究中發(fā)現(xiàn)，太陽輻射強(qiáng)度的實時變化會導(dǎo)致太陽能集熱器出口溫度不穩(wěn)定，對相變填充床儲熱系統(tǒng)的熱性能產(chǎn)生重要影響。如圖12所示，Wang等研究了與太陽能拋物面槽集熱器集成的相變填充床儲熱系統(tǒng)動態(tài)熱性能，包括不同質(zhì)量流量對系統(tǒng)總儲熱容量、總?輸入和總?效率的影響。結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)和不穩(wěn)定入口邊界條件的熱性能存在顯著差異。在不穩(wěn)定邊界條件下，質(zhì)量流量越大，溫差越小。在穩(wěn)態(tài)入口溫度條件下，隨著質(zhì)量流量的增加，?效率逐漸降低。不同氣象條件的變化會導(dǎo)致相變填充床入口溫度產(chǎn)生波動，Elfeky等研究了入口溫度波動對不同儲存配置儲罐熱性能的影響，提出并驗證了一種兩相混合擴(kuò)散模型來分析系統(tǒng)的周期熱特性。結(jié)果表明，混合顯熱相變儲存在入口溫度變化時具有最高的容量比、利用率、回收能量和總效率，此外，研究結(jié)果證明，在低溫下使用顯熱相變配置的總效率提高了19.2%，而在更高的溫度下提高了34.4%。如圖13所示，Bouadila等進(jìn)行了一項實驗研究，評估一種新的太陽能空氣加熱器熱性能，該加熱器使用了相變填充床儲熱系統(tǒng)，儲熱單元是相變球形膠囊，結(jié)果表明，每日能效在32%～45%之間變化，而日?效率在13%～25%之間變化。Arfaoui等為了提高太陽能空氣集熱器效率，從運(yùn)行時間、出口空氣溫度和啟動運(yùn)行時間等方面提高其熱效率，如圖14所示，研究了一種基于相變儲能的緊湊型太陽能空氣集熱器性能。以CaCl2·6H2O作為相變材料并封裝在球形膠囊中，實驗結(jié)果表明，在儲熱過程中，儲存的熱量隨著吸收太陽輻射的增加而增加，每日能效在47%左右。在太陽能干燥機(jī)中，干燥過程很大程度上取決于當(dāng)?shù)夭煌奶鞖鈼l件，導(dǎo)致干燥產(chǎn)品的質(zhì)量較差。為了消除熱空氣溫度的波動，Esakkimuthu等將太陽能集熱器與相變填充床儲熱系統(tǒng)相結(jié)合，以存儲更多的太陽能，并在惡劣天氣期間可用能量不足時釋放太陽能。結(jié)果表明，在高質(zhì)量流速下，收集器效率更高，這是由于除了在更高質(zhì)量流速下傳熱系數(shù)值增加之外，與太陽能集熱器平均溫度降低導(dǎo)致相關(guān)的熱損失也減少。Nallusamy等通過實驗研究顯熱和相變組合式熱能存儲單元的填充床熱行為，并且將填充床與太陽能集熱器集成在一起，以石蠟作為相變材料并填充在球形膠囊中，結(jié)果表明，在填充床與太陽能集熱器集成的情況下，質(zhì)量流量對太陽能集熱器的熱提取率有顯著影響，并且會反過來影響填充床儲熱率。Saitoh等提出將具有鹽水合物的填充床儲熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)太陽能收集器集成，用于建筑供暖和熱泵系統(tǒng)。
圖12 不穩(wěn)定狀態(tài)入口溫度條件下不同質(zhì)量流速下450 min的溫度分布和液相率分布
圖13 實驗級太陽能集熱器照片
圖14 雙床相變儲能太陽能空氣加熱器實驗設(shè)置
4.2.2 聚光太陽能發(fā)電
相變填充床儲熱系統(tǒng)在聚光太陽能發(fā)電中的應(yīng)用具有悠久歷史。高溫儲能系統(tǒng)對于提高聚光型太陽能電站的效率具有重要作用。相變儲能因其儲熱密度大且相變過程中溫度近似恒定而成為最具競爭力的熱能存儲方法之一。Ma等在研究中，建立了一個三維填充床模型來研究使用AI-25%Si合金作為相變材料的高溫相變儲能系統(tǒng)熱性能。由于金屬合金相變材料的高熱導(dǎo)率，使用相變材料系統(tǒng)的平均功率高于使用巖石系統(tǒng)的平均功率。
在對相變儲熱材料的特征優(yōu)化工作中，Gautam等分析了球形表面上的孔隙對填充床儲熱系統(tǒng)性能的影響，并試圖優(yōu)化儲熱元件參數(shù)。探討了孔深度與孔徑比、穿孔指數(shù)和孔球徑比等設(shè)計參數(shù)，溫升參數(shù)和雷諾數(shù)等操作參數(shù)對填充床儲熱系統(tǒng)性能的影響，并從熱工水力效率的角度提出了全局優(yōu)化策略。發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)從200到550過程中，熱工效率隨之增加，雷諾數(shù)從550到800過程中，熱工效率隨之下降。并且作者還發(fā)現(xiàn)在平均日照為1000 W/m2，孔徑與小球直徑比等于0.2，孔深度與小球直徑比等于0.0066，穿孔指數(shù)等于0.18的條件下，具有最大熱工效率89.87%。Nithyanandam等分析具有封裝相變材料的填充床儲熱系統(tǒng)的動態(tài)熱行為，該系統(tǒng)經(jīng)受部分儲熱和放熱循環(huán)，以及在聚光太陽能發(fā)電工廠運(yùn)行中遇到的儲熱和放熱溫度的限制。結(jié)果表明，半徑較小膠囊產(chǎn)生較高總利用率和潛在利用率。較大傳熱流體的雷諾數(shù)帶來較高的質(zhì)量流量，但由于熱交換區(qū)的膨脹，導(dǎo)致系統(tǒng)利用率的降低。Yue等開發(fā)了基于相變填充床儲熱系統(tǒng)、二氧化碳布雷頓循環(huán)、有機(jī)朗肯循環(huán)的聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)，研究了相變材料膠囊儲熱罐排放過程中太陽能發(fā)電廠的動態(tài)熱性能，結(jié)果表明，熱能儲存罐中傳熱流體速度可用于控制太陽能熱力系統(tǒng)的瞬態(tài)功率輸出。使用小型儲熱膠囊是提高聚光太陽能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)熱性能的有效方法。熱能存儲系統(tǒng)受到出口閾值溫度的約束，因此優(yōu)化不同熔化溫度相變材料的溫度分布是提高相變熱能儲存系統(tǒng)性能的有效途徑。Li等建立了帶有相變材料膠囊的填充床儲熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并且相變熱能儲存系統(tǒng)在儲熱放熱過程中受到出口閾值溫度的約束?；谠撃Ｐ?，研究了熔化溫度對非梯級、雙層和三層相變熱能儲存系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，對于非梯級相變熱能儲存系統(tǒng)，相變材料的有效利用率在很大程度上受到熔化溫度的影響，最大利用率只有40%左右。對于雙層或三層梯級的相變熱能儲存系統(tǒng)，通過選擇合理的熔化溫度，可以大大提高相變材料有效利用率。
儲熱系統(tǒng)是太陽能熱電站提高可靠性的關(guān)鍵系統(tǒng)。溫躍層穩(wěn)定性對于闡明和提高相變填充床的性能具有更重要意義。Reddy等采用非熱平衡模型，研究了熱能容量為圖片填充床儲罐在高流量條件下的溫躍層穩(wěn)定性、絕熱壁面和非絕熱壁面條件下的排放效率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)等于1時，填充床儲罐具有5.84 h的優(yōu)異釋熱效率，同時發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)從1增加到3000時，釋熱效率持續(xù)下降。Flueckiger等建立一種新型有限體積計算模型，用于模擬裝有封裝相變材料的填充床內(nèi)的質(zhì)量和能量傳輸，將該熱能儲存模型集成到100 MW CSP工廠的系統(tǒng)級模型中，將該相變填充床和傳統(tǒng)石英巖填充床進(jìn)行一對一比較，發(fā)現(xiàn)相變填充床比傳統(tǒng)石英巖填充床輸出功率增加了9.7%。
5 結(jié)論
本文綜述了相變填充床儲熱系統(tǒng)的性能研究及其優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用。首先介紹了相變填充床儲熱系統(tǒng)的數(shù)值研究，包括舒曼模型、單相模型、連續(xù)固相模型、混合擴(kuò)散模型。然后，討論了相變填充床儲熱系統(tǒng)基于能量和?效率的性能分析。此外，還總結(jié)了該系統(tǒng)的各種優(yōu)化設(shè)計，如儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳熱流體的選擇、球形膠囊的形狀、結(jié)構(gòu)以及封裝方法。最后，詳細(xì)介紹了相變填充床儲熱系統(tǒng)在工業(yè)余熱回收和太陽能回收裝置余熱回收的相關(guān)應(yīng)用。主要結(jié)論如下。
（1）基于多孔介質(zhì)的兩相模型已被廣泛用于相變填充床儲熱系統(tǒng)的充放熱過程。舒曼模型既不考慮流體中的傳導(dǎo)，也不考慮固相中的傳導(dǎo)，大大簡化了求解的復(fù)雜性，因此舒曼模型的計算量較小，但其反映流體溫度分布和填充床溫度分布的準(zhǔn)確性較低；連續(xù)固相模型考慮了軸向和徑向熱傳導(dǎo)，連續(xù)固相模型可以分析儲放熱過程中徑向熱梯度的影響，這對于研究熱損失大或入口流量分布不均勻的相變填充床儲熱系統(tǒng)具有重要意義；混合擴(kuò)散模型考慮了相變材料膠囊內(nèi)部的熱梯度，與舒曼模型、連續(xù)固相模型相比，混合擴(kuò)散模型可更準(zhǔn)確地反映出填充床儲熱的瞬態(tài)熱行為，計算量更大。
（2）填充床儲罐的設(shè)計是力學(xué)、流量分布、壓降、熱損失問題之間的權(quán)衡。能量效率與?效率是評判相變填充床儲熱系統(tǒng)的重要指標(biāo)，包括調(diào)節(jié)填料粒徑、控制傳熱流體入口溫度、設(shè)計梯級填充層等手段，都可以提升填充床效率。在儲罐設(shè)計中，高徑比大于1的圓柱形儲罐通常是優(yōu)選的，同時每個系統(tǒng)都應(yīng)從技術(shù)要求和成本考量開展定制優(yōu)化；導(dǎo)熱油、熔融鹽、空氣、高溫?zé)煔獾冉橘|(zhì)多被用作傳熱流體，液態(tài)介質(zhì)具有更好的傳熱能力，而空氣介質(zhì)具有高安全性、低成本的特點(diǎn)；儲熱單元的優(yōu)化設(shè)計方法的選擇對提升填充床性能至關(guān)重要，包括采用金屬球形外殼、仿生學(xué)結(jié)構(gòu)等方法，可以有效提升儲熱單元熱響應(yīng)，強(qiáng)化熱效率。然而，目前的封裝方法具有生產(chǎn)成本高、難度大的缺點(diǎn)，在具體生產(chǎn)應(yīng)用中具有挑戰(zhàn)性。
（3）相變儲熱填充床的應(yīng)用主要體現(xiàn)在工業(yè)余熱回收和太陽能收集裝置余熱回收等領(lǐng)域，目前在余熱回收領(lǐng)域主要針對發(fā)動機(jī)廢氣、鋼鐵生產(chǎn)過程煙氣等行業(yè)，目的為回收利用廢熱以提升工業(yè)過程能效。在太陽能熱能收集中，家用太陽能集熱器及工業(yè)聚光太陽能發(fā)電中均可提升能量效率。相變儲熱填充床的應(yīng)用可有效平衡工業(yè)余熱和太陽能的產(chǎn)量波動、溫度不穩(wěn)定性和空間分布不均勻性等問題，實現(xiàn)能源的高效回收和利用。
本文工作重點(diǎn)是評估相變填充床儲熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計對熱性能的影響。目的是總結(jié)每種技術(shù)的思想、差異和局限性，并進(jìn)一步分析可能的新優(yōu)化方向。對于填充床儲熱系統(tǒng)儲罐設(shè)計、儲熱單元設(shè)計、傳熱流體選擇，在未來工作中應(yīng)進(jìn)一步研究填充床熱棘輪(例如相變體積變化導(dǎo)致的構(gòu)件形變)、儲熱單元的定型性能(例如利用多孔骨架吸附)以及傳熱流體和相變儲熱單元長期相容性等問題。對于相變填充床儲熱系統(tǒng)數(shù)值模型，在未來工作中，應(yīng)考慮高溫環(huán)境的熱輻射問題，這對相變填充床儲熱系統(tǒng)的數(shù)值模擬是一個巨大挑戰(zhàn)。對于儲熱單元的優(yōu)化設(shè)計，基于仿生學(xué)原理的儲熱單元設(shè)計是一種新興優(yōu)化設(shè)計方法，但許多研究不符合仿生學(xué)原理，因此在這方面的未來工作中，應(yīng)進(jìn)一步研究在相變填充床儲熱系統(tǒng)中符合仿生原理意義的儲熱單元設(shè)計。相變填充床儲熱系統(tǒng)的運(yùn)行策略影響著填充床內(nèi)部的儲熱釋熱過程，如何在不穩(wěn)定和不連續(xù)的外部環(huán)境中實現(xiàn)系統(tǒng)的實時調(diào)節(jié)，保證相變填充床儲熱系統(tǒng)高效穩(wěn)定的能量輸出，是其面臨的關(guān)鍵問題，目前相關(guān)研究較少，建議在未來工作中加深其相關(guān)工作內(nèi)容。相變填充床儲熱系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)余熱回收和太陽能熱能收集等領(lǐng)域，但是大部分研究局限于實驗室中，應(yīng)進(jìn)一步研究在不同應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)備的集成以及相變填充床儲熱系統(tǒng)的成本效益。推進(jìn)上述問題的研究對于推進(jìn)相變填充床儲熱系統(tǒng)在更高溫、更大規(guī)模尺度上的應(yīng)用具有重要意義。
