无机盐/多孔陶瓷基复合相变蓄热材料的研究进展

摘 要:对太阳能蓄热材料进行了简要介绍,重点介绍了无机盐/多孔陶瓷基高温相变蓄热材料组成和工作原理以及目前相关工作的研究进展,指出了现阶段存在的问题,并对未来的发展与前景进行了展望。

关键词:无机盐/多孔陶瓷基 高温相变蓄热 太阳能

中图分类号:TB34文献标识码:A文章编号:1672-3791(2011)10(a)-0001-02

Abstract:The materials for solar energy storage are summarized.The principles of high-temperature thermal storage using salt/ceramic phase change materials are analyzed.Research development of them is reviewed.Current existing problems are pointed out.The development tendency is discussed.

Key words:salt/ceramic;high temperature phase change thermal storage;solar energy

太阳能热发电是光伏发电技术以外的另一个有很大发展潜力的太阳能发电技术[1]。它是通过大量反射镜以聚集的方式将太阳能光聚集起来,加热工质,产生高温高压的蒸汽,进而驱动汽轮机发电。但太阳能具有间歇性等特点,且太阳能发电周期和用户用电需求不匹配,因而效率还有待提高。在太阳能热电系统增加热电装置,使系统在太阳辐射低时仍能继续满足用户需求,可以提高太阳能热发电效率,节省成本,提高系统稳定性。经济型的蓄热设计是太阳能热发电成功走向市场化的一个关键技术要素[2]。

1 太阳能蓄热材料简介

按蓄热方式划分,蓄热材料一般可分为:显热型、潜热型和化学反应型3大类[3]。显热式蓄热材料具有性能稳定、价格便宜等优点,但其蓄能密度低,蓄热装置体积庞大;潜热式蓄热材料虽然存在着高温腐蚀、价格较高等问题,但其蓄热密度高,蓄热装置结构紧凑,而且吸热—放热过程近似等温,易于运行控制和管理[4]。化学反应型蓄热材料是利用可逆化学反应通过热能和化学能的转换进行蓄热的,能量密度高,但技术复杂,投资高,目前尚处于实验研究阶段。

在这3大类蓄热材料中,潜热型最具有发展前途,也是目前应用最多和最重要的蓄热方式[5]。其原理是利用蓄热材料在发生相变时吸热或放热的现象,用来进行热能储存和温度控制。高温相变蓄热材料主要包括单纯盐,金属与合金,碱,混合盐,氧化物五类[6]。但高温腐蚀问题制约了它的快速发展。

2 多孔陶瓷基复合相变蓄热材料的原理

理想蓄热材料应符合以下几个条件[7]。

(1)相变温度要和循环的最高温度相适应,一般高出30℃～50℃,以保证介质在进入工作机前有一个基本稳定且满足要求的进口温度。(2)有较大的相变潜热和密度,以减少PCM的质量和体积,同时也可减少结构件质量。(3)较小的相变时的密度变化及液体的体积膨胀率,较高的热导率和液相比热。这些参数将影响PCM容器的最高温度、温度梯度、热应力、吸热器的尺寸和质量等。(4)长期稳定性,低蒸汽压以及和容器材料的相容性等。

多孔陶瓷是以刚玉砂、碳化硅、堇青石等优质原料为主料,经过成型和特殊高温烧结工艺制备的一种具有开孔孔径、高开口气孔率的一种多孔性陶瓷材料,具有比表面积大、耐高温、耐腐蚀等优良特性。

无机盐/陶瓷基复合储能材料(Salt/ ceramic-CESM)的概念是20世纪80年代末提出的,已经成为高温储能材料的研究方向之一[8]。这类材料主要由两部分组成[9]: 一是工作物质(相变材料PCM),一般选择潜热大、蒸气压低的碱金属和碱土金属的碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐及它们的混合物, 利用它们的相变潜热进行蓄热和放热;二是基质(载体),能保持材料的不流动性和可加工性,在无机盐(工作物质)发生相变前后,其性能稳定且保持整体材料原有的形状,可供选择的载体主要有MgO、Al2O3、SiC、SiO2等陶瓷类材料。

这种材料既利用了无机盐蓄热材料储能密度大以及陶瓷显然蓄热稳定的优点,又分别克服了二者腐蚀严重和储能密度低的缺点,具有快速放热和快速吸热、吸热量大、直接换热、保持固定形状等特性,具有巨大的应用价值。

3 研究进展

无机盐/陶瓷基复合相变储能材料的研究从概念产生到现在,已经取得了明显的进展。目前,国内外研究比较多的材料有Na2SO4/SiO2、Na2CO3-BaCO3/MgO和NaNO3/MgO等[8],其典型热物理性能见表1。

张兴雪,王华等[10],采用粉末烧结工艺将相变材料Na2CO3和基体材料MgO进行复合,制成一种新型高温复合相变蓄热材料。通过XRD和TGDTA分析,结果表明:由Na2CO3/MgO构成的复合相变蓄热材料具有良好的化学相容性,在845℃时出现吸热峰,制备成的蓄热材料具有蓄热密度高的特点,能够实现高温蓄热。

吴剑锋等[11],利用熔融浸渗工艺将相变材料NaCl与SiC泡沫陶瓷复合,成功制备了一种高温复合相变蓄热材料,对样品进行了XRD、SEM、TG-DTA测试分析后发现:SiC与NaCl具有良好的化学相容性,且具有较高的蓄热密度,可以很好的实现高温蓄热。

王永军与王胜林[12],采用粉末烧结工艺制备复合相变蓄热材料Na2SO4/MgO,并对制备过程工艺参数进行初步研究;通过化学热力学分析、SEM-EDS、TG-DTA检测后发现,这种新型复合材料兼备了固相显热蓄热材料和相变蓄热材料两者的长处, 具备了快速蓄热、快速放热及蓄热密度高的性能。

4 需要解决的问题

总体来说,目前无机盐/多孔陶瓷基复合相变蓄热材料还处于初步研究阶段,相关论文与报道还不是很多。目前存在的问题主要体现在研究广度与制备工艺上。

在研究广度上,目前仍主要集中在上述的几种复合形式,没有大量的新的复合方式的研究报道。且对同种形式不同配比的研究也还不够深入,基本上只是研究了其中几个配比。

目前无机盐/陶瓷基复合储能材料的制备方法主要有两种:混合烧结法和熔融浸渗法[13]。这两种方法仍存在着许多有待改进之处。对于前者,烧结温度与无机盐在复合材料中的含量存在矛盾,复合材料的致密性和机械强度偏低,盐类大多数具有较强的吸湿性易出现冒霜现象,复合材料相对密度偏低而传热性能降低,烧结过程中存在,机理尚待研究的液相烧结[14]。对于后者,关键在于多微孔结构陶瓷的制备和无机盐熔融渗人陶瓷体工艺的实现[13],此种工艺未见有详细工艺流程的报道,应该还处于开始阶段,还需要相当一段时间才可能达到技术成熟的程度。

5 前景展望

无机盐/多孔陶瓷基复合相变蓄热材料,充分利用了无机盐潜热蓄热和陶瓷显热蓄热的优点,又克服了二者的不足,在提高太阳能热发电效率方面具有重要的作用。随着研究范围的不断扩大,将会发现更多的符合要求的材料组合形式;随着深度的拓展,将对已有和新发现的复合材料有更深入的了解,找到各种情况下最合适的配比,提高能源利用率。同时,随着制备工艺的进步,目前存在的一些问题也将逐步得到解决,无疑将进一步提高材料的性能。

相信在不远的未来,无机盐/多孔陶瓷基复合相变蓄热材料在太阳能热利用中将发挥巨大的作用,使人类更加高效的利用太阳能,在解决目前的能源危机中扮演重要角色。

参考文献

[1]李芃,周沛,仇中柱.太阳能蓄热技术研究进展[J].制冷空调与电力机械,2002,6.

[2]左远志,丁静,杨晓西.中温相变蓄热材料研究进展[J].现代化工,2005,12.

[3]崔海亭,袁修干,侯欣宾.蓄热技术的研究进展及应用[J].化工进展,2002,21(1):23～25.

[4]沈向阳,丁静,等.高温熔盐在太阳能热发电中的应用[J].广东化工,2007,11.

[5]宋婧,曾令可,等.蓄热材料的研究现状及展望[J].陶瓷,2007,1.

[6]王胜林.高温相变蓄热材料的制备及性能研究.2007,9.

[7]崔海亭,袁修干,侯欣宾.高温熔盐相变蓄热材料[J].太阳能,2006,6.

[8]任雪潭,曾令可,等.蓄热储能多孔陶瓷材料[J].陶瓷学报,2006,6.

[9]黄金.高温复合相变蓄热材料及其在工业窑炉蓄热式燃烧系统中的应用[J].冶金能源,2006,6.

[10]张兴雪,王华,等.一种新型高温复合相变蓄热材料的制备[J].昆明理工大学学报,2006,10.

[11]吴建峰,李剑,等.NaCl/SiC泡沫陶瓷高温复合相变蓄热材料[J].武汉理工大学学报,2009,9.

[12]王永军,王胜林.Na2SO4/MgO复合相变蓄热材料的制备及性能研究[J].冶金能源,2011,5.

[13]黄金,张仁元.无机盐/陶瓷基复合相变蓄热材料的研究[J].材料导报,2005,8.

[14]李爱菊,王毅,张仁元.无机盐/陶瓷基复合相变储能材料的研究进展[J].材料导报,2007,5.