研究生论文︱新型熔融盐-陶瓷复合储热材料的制作和性能研究

时间:2018-12-19 18:10来源:国家光热联盟
  近期,在由国家太阳能光热产业技术创新战略联盟和中国可再生能源学会太阳能热发电专委会(筹)联合主办,清华大学建筑学院承办的举第八届太阳能热利用科学技术研究生论坛(简称论坛)上,北京化工大学孙国庭同学在董双岭导师的指导下,进行了题为《新型熔融盐-陶瓷复合储热材料的制作和性能研究》的报告。他对课题组相关的实验研究进行了介绍:为避免传统相变材料(PCM)的缺陷,在PCM的基础上,使用冷陶工艺添加用于封装PCM的陶瓷基质。与传统研究不同,此方法中,不仅仅能允许熔融盐吸附在多孔陶瓷上,而且制备具有核-壳结构的熔融盐-陶瓷的储热颗粒,并添加具有大比热,高导热率的纳米颗粒以改善熔盐的性能;分析表明,温度的时空分布满足复合指数的关系式,并估算出了相应的自然对流速度。
  以下对其报告的主要内容进行了整理,以供参考:
  一、太阳能热电站熔融盐储热技术难点
  太阳能热发电在技术及条件日益成熟的将来或将改变传统的能源结构,但太阳能的非连续性导致在用电峰值时或天气状态连续不佳时的不能持续稳定进行电力供应,这就需要一个十分良好的储能装置,在光照不足时能够提供充足的连续的能量供应。 
  目前,光热电站最常用的熔融盐有十分良好的储热能力,但是因为传统熔盐的凝固点比较高,需要对通有熔盐的系统结构持续供热防止其凝固堵塞管道,造成很大一部分的能量消耗。
  二、方案制定
  太阳能光热发电需要使用储热装置和系统,储热材料的性能会影响储热系统的效率。基于此,董双岭课题组在相变材料(PCM)的基础上,使用冷陶的工艺添加用于封装PCM的陶瓷基质,以避免传统PCM的缺陷。在此方法中与传统研究不同,不仅仅是允许熔融盐吸附在多孔陶瓷上,而且制备具有核-壳结构的熔融盐-陶瓷的储热颗粒,并添加具有大比热,高导热率的纳米颗粒以改善熔盐的性能。
  1、研究方案
  核-壳结构的熔融盐-陶瓷的储热颗粒的材料与结构选择: 
  (1)外壳:陶瓷的传热能力强,储热能力大,价格低廉,化学性质稳定,热稳定性强。
  (2)内核:Hitec盐目前使用较为普遍,工作温度范围为142~535℃,储热能力好,潜热很大,储能密度高,并且价格低廉。
  (3)核-壳结构:熔融盐低温凝固后会堵塞设备管道,对通有熔融盐的系统持续供热会有大量的能量损耗。
  (4)添加材料:研究发现,掺入低质量分数的纳米颗粒能有效提高混合多元硝酸盐材料的比热容。 
  2、方案制定 
  三、工艺流程
  1、混合熔盐
  第一步:用加热器均匀加热装有三元Hitec熔融盐的不锈钢容器,保持温度均匀增加至142℃(熔融盐融化温度)以上;
  第二步:当三元盐完全融化后,加入20nm的氧化硅纳米颗粒,机械搅拌20min至颗粒分散均匀;
  第三步:让复合溶液自然冷却至室温,凝固后的材料呈白色;
  第四步:使用球磨机将凝固后的复合熔融盐磨成粉末。
  2、冷陶工
  第一步:将陶粉与质量为粉体质量23%的去离子水混合,在研钵中研磨成泥状;
  第二步:取出陶泥,将复合了纳米氧化硅颗粒的熔融盐包裹在陶泥中;
  第三步:在电炉上使温度均匀加热到100~140℃,保持30分钟;
  第四步:将球体复合材料放入半球形空心铁模具内,给材料两边加上定向机械压力,将两半球模具压实;
  第五步:为了在之后的加热中材料受热均匀,将球体模具套入铁丝网,再在炉中均匀加热至200℃,保温时间40min;
  第六步:取出陶瓷球,将陶瓷球体脱模后,放在干燥箱中120℃保温24h以去除多余的蒸馏水。
  3、制备样品
  四、数据分析 
  1、数据收集 
  该材料的数据为:外直径29.5cm,外高30cm,厚度为3cm,内直径23.5cm,内高24.5cm。
  2、数据分析
图:固体陶瓷颗粒的热释放曲线
图:熔融盐 - 陶瓷颗粒的热释放曲线
图:复合熔盐 - 陶瓷颗粒的放热曲线
图:实验颗粒的热释放曲线
图:热释放曲线的斜率分布
  这些放热实验的比较说明,在高于熔盐熔点的工作温度范围内,后者拥有较优异的性能;通过进一步的分析表明,温度的时空分布满足复合指数的关系式,并估算出了相应的自然对流速度。
  五、研究小结
  1、纳米颗粒具有良好的热和光学性质。当引入纳米颗粒时,具有相变的热能存储将具有更好的性能,这可以延长PCM的工作寿命,改善其热性能并延长其工作温度。
  2、SiO2和三元Hitec盐为球形核,陶瓷为球壳。结果表明,三种实验材料的吸热过程相似且相对平滑,两者均与空气具有足够的热对流,但与熔盐储热材料相比,新型储热材料具有更高的吸热率和更好的放热效果。
  3、陶瓷为球形胶囊,陶瓷为球形。这种新型复合材料的储热能力与熔盐相似。增加储热能力与添加的纳米颗粒的量有关。
  4、在陶瓷壳体的制作中可以加入一些增强其结构强度的材料,并且可以在熔融中混入其他能够增加其蓄热能力的材料。

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