碟式斯特林熱發(fā)電熔融鹽儲熱裝置及儲熱腔腐蝕行為研究.pdf

1、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(tǒng)稱為碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)。它具有效率高、無污染、結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)為對象，已經(jīng)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(xiàn)隨機

2、、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(tǒng)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(tǒng)，需要研發(fā)一種新型熔融鹽高溫相變儲熱裝置。目前國內(nèi)外研究尚屬空白。
　　本文以現(xiàn)有的單缸和多缸碟式配氣活塞斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以民用為目標(biāo)，側(cè)重于成本、大功率等方面的考慮，設(shè)計了地面碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)用熔融鹽高溫相變吸熱儲熱裝置。結(jié)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(tǒng)高溫?zé)峁芪鼰醿嵫b置結(jié)構(gòu)。另外，

3、為了減小對儲熱腔材料高溫力學(xué)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(shè)備運行安全性。與NASA設(shè)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(shè)計的吸熱儲熱裝置性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(jié)構(gòu)（光圈型、風(fēng)裙型和開口型）、參數(shù)（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

4、對流場的影響規(guī)律;分析了這些因素與吸熱腔內(nèi)壁輻射熱流密度、溫度分布關(guān)系。結(jié)果表明，吸熱腔高度和內(nèi)徑對腔體內(nèi)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(nèi)徑關(guān)聯(lián)式;三種結(jié)構(gòu)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(fù)雜的自然對流現(xiàn)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(jié)構(gòu)最佳，并且應(yīng)采用半錐角為30°的圓錐形反射器;吸熱腔內(nèi)壁平均輻射熱流密度和平均溫度隨光圈直徑增大呈指數(shù)規(guī)律降

5、低;吸熱腔傾角在[-π/4，π/4]范圍時熱損失較低;腔內(nèi)壓強梯度明顯，腔體周圍壓強分布均勻。
　　討論了環(huán)境風(fēng)強迫對流作用下，風(fēng)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(nèi)壓強比較均勻，基本完全是對流區(qū);腔體外迎風(fēng)側(cè)呈正壓，背風(fēng)側(cè)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(fēng)速和吸熱儲熱裝置傾角對吸熱腔內(nèi)壁溫度的影響規(guī)律。對于任一風(fēng)速，θ∈[-π/2，π/4]時，吸熱腔內(nèi)

6、壁平均溫度隨吸熱腔傾角增加而增加;θ=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(zhì)。歸納了地面碟式斯特林熱發(fā)電儲熱介質(zhì)選擇標(biāo)準(zhǔn)，整理了熔點在100℃～1000℃之間熔融鹽數(shù)據(jù)，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(zhì)。針對熔融鹽儲熱介質(zhì)部分關(guān)鍵參數(shù)測量裝置復(fù)雜，操作麻煩等缺點。研發(fā)了測量材料熔化體積變化率的

7、“自加熱型探針裝置和測量方法”和測量無機鹽導(dǎo)熱系數(shù)的裝置。以分析純NaCl、LiF-CaF2等材料為試樣，測量結(jié)果與報道值或計算機模擬值一致。
　　將熔融鹽儲熱介質(zhì)盛裝在本文設(shè)計的吸熱儲熱裝置中，并與現(xiàn)有碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，才能實現(xiàn)其價值。所以，結(jié)合地面民用特殊性，為了避免現(xiàn)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(guān)系。并采用C語言，在Vc++2012平臺上設(shè)計了“多

8、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(tǒng)設(shè)計程序”，它集斯特林發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計、運行特性分析、儲熱介質(zhì)選擇、吸熱儲熱裝置設(shè)計、熱損失分析、重量分析、成本預(yù)算等功能于一體。采用該程序設(shè)計了40kW和20kW熔融鹽儲熱碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)，其中發(fā)動機系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)與文獻報道值一致;展示了曲軸轉(zhuǎn)角與容積、壓強關(guān)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(tǒng)設(shè)計人員的工作強度，有助于提高設(shè)計效率。

9、　　熔融鹽對儲熱腔材料的腐蝕是該吸熱儲熱裝置最關(guān)鍵的問題。為了明確儲熱介質(zhì)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(jié)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(nèi)質(zhì)量損失率最大，F(xiàn)e-24.4wt.％Al試樣

10、質(zhì)量損失率最小。腐蝕15h后，F(xiàn)e基和Fe-Al試樣腐蝕特征不明顯，Cr基試樣表現(xiàn)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(nèi)Cr嚴(yán)重貧化，F(xiàn)e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，F(xiàn)e基試樣表現(xiàn)出非均勻腐蝕特征，腐蝕層附近基體中Cr元素含量嚴(yán)重降低，其余試樣均表現(xiàn)出均勻腐蝕特征;Co基試樣在整個范圍內(nèi)均發(fā)生了嚴(yán)重的晶間腐蝕;Fe-A