Applied Energy | 太阳能生活热水同时充放电潜热储能系统的设计研究背景

研究背景

太阳能是一种用于生产家用和工业应用的具有前途的可再生资源，它对世界总能源消耗做出了重大贡献。然而，太阳辐射和能源需求之间存在时间不匹配，这可以通过使用相变材料（PCM）的潜热热能存储（LHTES）系统来解决。相变材料在等温相变过程中以潜热的形式管理热能，通过熔化储存能量，固化释放能量，其中后者由于相关的传热测定而带来了一系列特殊的挑战。相变材料每单位体积可以储存比水多14倍的能量。因此，根据LHTES系统所考虑的温差，PCM可以通过提供更高的存储容量来减少LHTES的重量和所需的空间。LHTES可以提供高储能能力，以调整太阳能供应和热能需求之间的不匹配，特别是在与太阳能家用热水（SDHW）系统集成的情况下。当太阳能可用时，这些存储系统存储能量（充电），当对生活热水有需求时，这些系统释放能量（放电）。由于对热能（放电）的不规则需求和白天太阳辐射的可变性，LHTES系统可以在单独的时间间隔或同时充电和放电。为此，来自南京工业大学机械与动力工程学院杨谋存教授团队针对换热器，选择管壳结构，在SCD模式下运行的壳管式LHTES系统中，PCM储存在壳体内，而壳体内提供两个管道（见图1），用于冷热传热流体（HTF）。同时他们研究了垂直壳管LHTES系统在SCD模式下与SDHW应用耦合的性能以及壳管LHTES系统的取向对其性能的影响，对SCD模式下不同倾角的壳管LHTES系统进行了能量分析并优化了偏心壳管LHTES系统，计算了最佳径向和切向偏心度。最终选择了水平壳管LHTES配置，并调查了壳体内传热流体管的径向和切向位置对SCD模式下LHTES系统性能的影响。

相关成果以“Design of a latent heat thermal energy storage system under simultaneous charging and discharging for solar domestic hot water applications”为题发表在国际能源领域顶级期刊《Applied Energy》（IF=11.446，JCR一区，中科院一区TOP）上。

研究结论

在这项工作中，研究人员优化了潜热热能存储系统。当这些配置最初被放电时，SCD运行模式不适合配置T1（水平计数定向传热流体管）和T2（无22.5◦的径向位移和切向位移）。因为LHTES被放电，所以这种操作模式对能量需求具有挑战性，并且在所有配置中，R1和R2具有令人满意的性能。与性能最低的配置T1相比，R2的总释放能量提高了105.47%。R1的性能与R2非常接近，对需求的响应几乎相似，总释放能量增加了103.02%。构型R1具有高的释放和获得能量，获得能量提高了22.74%，释放能量提高了约2%。

研究数据

图1. 在SCD模式下与LHTES系统结合的典型SDHW系统示意图

图2.水平对齐的LHTES示意图以及壳体内冷热传热流体管的位置

图3.各种LHTES配置。基线病例为T1

图4.在数值求解过程中，冷传热流体管和热传热流体管的平均温度随数值迭代的变化。为了简洁起见，只绘制了图形的一个典型部分。横轴表示迭代进度，每一步显示时间步长的变化

图5.数值求解过程中典型时间步长中冷传热流体管和热传热流体管平均温度的绝对残差

图6.计算网格在管上具有结构化边界层网格，在域的其余部分具有非结构化网格

图7.根验证CFD方法在排放（固化）过程中的温度和液体分数变化

图8.验证CFD方法在装料（熔化）过程中的温度和液体分数变化

图9.案例T3的网格收敛性研究，初始充电，具有不同的计算单元

图10.案例T3的时间步长收敛性研究，最初已融化

图11.（a） 速度等值线和矢量；以及（b）SCD操作期间不同情况下的温度等值线。为了简洁起见，仅考虑配置T4（用于最初放电的过程）

图12.对于初始放电的LHTES系统，（a）获得的热功率（PG）和（b）释放的热功率随时间的变化

图13.对于最初放电的LHTES系统，（a）获得的能量和（b）释放的能量随时间的变化

图14.当机组首次放电时，在SDC模式下运行30分钟，不同LHTES配置的总释放/获得能量

图15.传热流体管的切向位移对初始排放LHTES系统PCM液体馏分发展的影响；红色：熔化的PCM，蓝色：售出的PCM

图16.对于初始充电的LHTES系统，（a）获得的热功率（PG）和（b）释放的热功率随时间的变化

图17.对于初始充电的LHTES系统，（a）获得的能量和（b）释放的能量随时间的变化

图18.当机组首次充电时，在SDC模式下运行30分钟，不同LHTES配置的总释放/获得能量

图19.传热流体管的切向位移对初始装料LHTES系统PCM液体馏分发展的影响；红色：熔化的PCM，蓝色：售出的PCM

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030626192300212X?via%3Dihub

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

邮箱：rezhinaneng@163.com