太阳能储能锅炉技术浅析

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  前言

  太阳能由于其可得性高、清洁性好,在节能减排的政策号召下我国对太阳能应用取得了良好的发展,尤其是在太阳能热利用方面,慢慢在向产业化靠拢。随着对太阳能热利用领域的拓展,我国不仅在太阳能中低温方面取得了很好的发展,太阳能中高温热利用技术也越来越为人们所重视。

  1 太阳能储能锅炉工作原理

  该锅炉的工作原理见图1,利用Al-Si合金作为相变储能材料,该锅炉结构紧凑,主要分为4部分:

  1.封装Al-Si合金储能材料的空腔接收器;

  2.高温热管,其主要把储存在Al-Si合金中的能量传递给锅筒中的水;

  3.锅筒,3.5MPa的水在锅筒中被热管传递Al-Si合金的热量加热,产生的饱和水蒸气;

  4.过热管。过热管和Al-Si合金换热,饱和水蒸气变成415℃、3.5MPa的过热水蒸气。

  由于采用的多碟式聚光器的有效面积只有12.56m2,聚光比C=625,有效峰值功率在8kW左右,因此该Al-Si合金储能锅炉的有效功率比较小,大概有3~4kW。采用Al-Si合金作为相变储能材料,主要考虑Al-Si合金相变储能材料有储能密度大、储热温度高、热稳定性好、导热系数好、相变时过冷度小、相偏析小、性价比良好等特点。高温相变储能材料Al-Si合金溶融潜热大(512J•g-1),固相导热系数可达到180W/(m•K),是比较好的导热体,是融盐的百倍以上,能把容器底部的热量迅速传递上来。而且Al-Si合金的相变过程能使得容器在相当长的时间内比较低和稳定,起到比较好的冷却作用,防止容器在高能密度下熔穿。

  2 太阳能储能锅炉的系统图

  该锅炉的工作原理见图2,储能锅炉的能量流是通过储热体的吸收腔把太阳能聚光器聚光的800~1000℃的高热流密度的太阳能吸收,储能于Al-Si合金之中。

  冷水由柱塞泵泵入锅筒,被热管传递Al-Si合金的热量加热,产生3.5MPa压力的的饱和水蒸气,进入集气管;再经过过热管和Al-Si合金换热,饱和水蒸气变成415℃、3.5MPa的过热水蒸气。

  3 锅筒在空中多碟式聚光器支

  撑臂上转动的水位变化图(见图3)随着多碟式聚光器的俯仰变化,锅筒在空中向上转动的范围是0°到90°角(见图4)。可以看出C部分不管水位D部分怎变化都是不会被水淹没的。因此出气口A的位置定在C部分的中间位置,同时集气管B的最底点要比锅筒的最高点要高。这样就可以防止水堵住出气口。

  4 多碟式聚光器

  图5所示意的多碟聚光器的具体参数为:采光口直径5m,当量采光面积19.6m2,焦距为3.25m,其几何聚光比625,边缘角为42.1°,高0.48m。实际焦斑直径d为0.2m。镜子数16,镜直径1m,镜子总面积12.56m2,能承受200kg的质量。其高太阳能热流密度大概在400kW/m2~600kW/m2之间。由于该多碟式的聚光比为625,当太阳直射辐照度640W/m2~960W/m2时,就能产生400kW/m2~600kW/m2的高太阳能热流密度。在广州夏天最高的太阳辐照度可达1100W/m2。因此基于该多碟式的产生的高太阳能

  热流密度最高可以达687.5kW/m2。多碟式聚光器的外形见图5。

  5 试验结果

  从图6可以看出,太阳能锅炉的蒸汽压力在12:11~12:14之间达到3.5MPa,过热蒸汽温度达到445℃。

  图7是试验时太阳能锅炉喷出高压高温蒸汽的照片。

  6 结论

  通过搭建的太阳能储能锅炉实验平台,试验结果比较理想。但是由于该太阳能储能锅炉的功率太小,还不能应用到实际的太阳能热发电或工农业应用中去。另外该太阳能储能锅炉成本比较高,离它的实际应用还有比较长的路要走。

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