鄧潔

(青海中科新能源檢測(cè)中心有限公司，青海西寧810000)

金屬相變材料在太陽(yáng)能發(fā)電中的應(yīng)用

鄧潔

(青海中科新能源檢測(cè)中心有限公司，青海西寧810000)

主要對(duì)金屬相變材料在太陽(yáng)能發(fā)電中應(yīng)用形式進(jìn)行探究，通過(guò)總結(jié)金屬相變材料性能參數(shù)、各類材料熱物性的測(cè)量方法，對(duì)金屬相變材料在太陽(yáng)能發(fā)電中的具體應(yīng)用進(jìn)行探究。并提出了著重解決金屬基相變材料的密封問題這一觀點(diǎn)，希望其將會(huì)獲得更為廣闊的應(yīng)用空間。

金屬相變材料;熱物性;相容性;太陽(yáng)能發(fā)電

金屬相變材料因?yàn)榫哂袃?chǔ)熱密度高、熱穩(wěn)定性能優(yōu)良以及熱傳導(dǎo)效率較高等特點(diǎn)，在太陽(yáng)能這類潛熱熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)中獲得了較大的應(yīng)用空間［1］。其憑借熱物性與相容性優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)了熱能儲(chǔ)存技術(shù)研制與應(yīng)用進(jìn)程，在維持溫度與提供能量，緩解我國(guó)資源供不應(yīng)求現(xiàn)狀上做出不可磨滅的貢獻(xiàn)［2］?；诖耍疚膶?duì)金屬相變材料在太陽(yáng)能發(fā)電中的應(yīng)用做出具體的論述。

1 金屬相變材料

金屬相變材料可以被視為潛熱熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)的中心。按照材料的化學(xué)成分去分類，可以將相變材料分為無(wú)機(jī)、有機(jī)、復(fù)合與金屬基相變材料。金屬基相變材料是以金屬、鋁合金為主體的相變材料，具有儲(chǔ)能密度大、熔化時(shí)體積縮小、熱穩(wěn)定性能相對(duì)良好的屬性，與無(wú)機(jī)、有機(jī)相變材料相比較，金屬相變材料的熱導(dǎo)率是其幾百倍，相變時(shí)過(guò)冷度與相偏析均處于較低水平、性價(jià)比優(yōu)良、蒸汽壓力相對(duì)較低，因此金屬相變材料在潛熱熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)中有極為寬闊的應(yīng)用空間。

2 淺談金屬基相變材料的重要性能

熱性能:主要體現(xiàn)在對(duì)其操作溫度為其熔點(diǎn)值、熔化潛熱密度相對(duì)較高、比熱容高、熔融具有一致性特點(diǎn)。

物理性能:相均衡性優(yōu)良;蒸氣壓值相對(duì)較低、密度較高、相變進(jìn)程中容積縮小程度微弱化。

動(dòng)力性能:不產(chǎn)生過(guò)冷現(xiàn)象、晶體凝結(jié)迅速。

化學(xué)性能:穩(wěn)定性優(yōu)良、不易被分解、無(wú)相分離、無(wú)毒性與腐蝕性、不容易燃燒、清潔性。

技術(shù)性能:操作程序簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛且適用性強(qiáng)、包容性與緊湊度高、高效性。

經(jīng)濟(jì)性能:工業(yè)效用性、造價(jià)成本低廉性。

3 金屬相變材料熱物的測(cè)量方法研究

金屬相變儲(chǔ)能材料的熱物性可以被視為權(quán)衡其質(zhì)量的標(biāo)桿，也是其運(yùn)用體系規(guī)劃建設(shè)自己性質(zhì)審核的憑據(jù)，所以深入對(duì)金屬相變材料的熱物性進(jìn)行探究是極為必要的。金屬相變材料的熱物性通常包括以下幾種類型，即熱導(dǎo)率、比熱容、膨脹系數(shù)、相變潛熱以及相變溫度。對(duì)相變溫度以及相變潛熱測(cè)量的方式方法是多樣化的，以下本文展開具體論述。

一般卡計(jì)法(DC)在應(yīng)用之時(shí)，需要測(cè)量出4個(gè)定點(diǎn)的溫度值，首先把測(cè)試熔點(diǎn)用Tm表示，繼而分別對(duì)樣品在溫度低于Tm的T1環(huán)境與高于Tm的T2、T3環(huán)境中做3次度量測(cè)試，進(jìn)而借助每一次的焓值計(jì)算出金屬相變材料的熔解熱。一般卡計(jì)方法應(yīng)用原理相對(duì)簡(jiǎn)潔化，但測(cè)量時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，且精準(zhǔn)度得不到保障。

差熱分析法(DAT)是在熱分析方法領(lǐng)域中應(yīng)用極為頻繁的一類分析方法。應(yīng)用該方法測(cè)量金屬相變材料熱物性時(shí)原理可以總結(jié)為:在預(yù)設(shè)流程的管控下，將物質(zhì)、參比物的溫度分別測(cè)量出來(lái)，通過(guò)計(jì)算溫度差值以及分析溫度關(guān)系確定材料的熱物性。繪制出的差熱分析曲線解說(shuō)的是試品與參比物之間的溫差與環(huán)境溫度或者是時(shí)間之間存在的關(guān)系。在差熱分析實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中，試品溫度變化與相變、吸熱或放熱反應(yīng)有關(guān)的。在測(cè)量過(guò)程中，試品與參比物加熱或冷卻條件始終一致，但由于兩者比熱容不同，所以溫度升高或降低幅度存在差異性。該方法測(cè)量的是溫差，所以很多外界因素會(huì)干擾曲線形態(tài)，因此在金屬相變材料熱物性定量分析上存在較大難度系數(shù)。

4 金屬相變材料在太陽(yáng)能發(fā)電中的應(yīng)用研究

在20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)金屬相變材料進(jìn)行相關(guān)研究，取得一定成果。例如黃志光等人［3］對(duì)Al-Si、Al-Si-Mg與Zn力合金、Al基合金的物熱性進(jìn)行測(cè)定，得出了把金屬合金作為高溫相變儲(chǔ)能材料，達(dá)到太陽(yáng)能的高溫儲(chǔ)能與應(yīng)用目標(biāo)。

陳正榮等人［4］為了驗(yàn)證金屬相變材料高效率儲(chǔ)存與利用太陽(yáng)能這一結(jié)論，對(duì)3種Al基合金(Al-Si合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金)與2種Zn基合金(Zn-Al1合金與ZnAl2合金)進(jìn)行研究。研究證明，當(dāng)某地區(qū)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度為1．2～1．3 kW/m2時(shí)，結(jié)合金屬相變材料的熱物性與造價(jià)成本情況，最適合材料為Al-Si合金，該合金相變溫度為576℃，使用之時(shí)最高溫度為800℃;若地域太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度為0．8～0．9 kW/m2，最適合合金材料為Zn-Al2，該類型合金相變溫度為427℃，應(yīng)用時(shí)最高溫度大約為600℃。

太陽(yáng)能作為規(guī)模較大的能源儲(chǔ)備庫(kù)，具有清潔性、取材快捷性等特征。尤其是對(duì)于甘肅、青海、西藏這些高山區(qū)域，太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度相對(duì)較大，但是其他類型能源相對(duì)匱乏，因此對(duì)太陽(yáng)能這一可再生資源進(jìn)行有效應(yīng)用是極為必要的。在高山地區(qū)，抵達(dá)地球表面的太陽(yáng)能輻射能量密度處于較低水平。并且在地理要素、晝夜溫差、氣候特征、季節(jié)變化規(guī)律等不穩(wěn)定性因素的干擾下，太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度無(wú)規(guī)律變化，稀薄、間斷、波動(dòng)這是其主要特征，所以金屬相變材料對(duì)太陽(yáng)能量的吸收存在不連貫性特點(diǎn)。

現(xiàn)階段，太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)大體上以兩種形態(tài)存在，一是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng);二是線性聚光式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)前，高溫熔鹽被設(shè)置為太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的主要儲(chǔ)能載體，但是通常應(yīng)用的為顯熱儲(chǔ)能形，熱能儲(chǔ)存密度相對(duì)較低。Hoshi等人［5］認(rèn)為金屬相變材料因?yàn)榫哂械驼羝麎号c熱導(dǎo)率良好的特性，與高溫熔鹽相比較，更適合作為儲(chǔ)熱載體的選擇對(duì)象。此外，站在資源利用效率視域分析，金屬熔點(diǎn)值相對(duì)較高，儲(chǔ)能級(jí)別也處于較高水平，正因如此，其在強(qiáng)化太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率方面發(fā)揮出巨大的實(shí)效性。

張寅平等人［6］曾對(duì)Al-Si合金的儲(chǔ)熱性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)Al-12Si與Al-20Si的熔化溫度、熔化潛熱值分別為575℃、585℃與560 kJ/kg、460 kJ/kg。而基于Au-12Si的相變潛能為Al-20Si的一倍有余，且其相變溫度處于較低水平，所以通常情況下會(huì)選擇Al-12Si作為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)熱載體。

鄒向等人［7］對(duì)Al-13Si合金相變材料的儲(chǔ)熱性能進(jìn)行探究，研究結(jié)果表明，Al-13Si合金基于相變潛熱相對(duì)較大、熔點(diǎn)適宜(熔點(diǎn)為575℃)以及性能平穩(wěn)的優(yōu)勢(shì)，因此其可以作為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的一種較為理想中高溫相變儲(chǔ)熱材料。

目前，鋁基合金儲(chǔ)熱材料在電力調(diào)峰、民用電熱器產(chǎn)品的研制與余熱應(yīng)用等方面已經(jīng)投入使用，雖然在太陽(yáng)能高溫儲(chǔ)能運(yùn)用方面也曾做過(guò)一些實(shí)驗(yàn)探究，但是若具體到太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)上，其研究次數(shù)是極為微小的。張仁元等人［8］曾構(gòu)建了一種基于鋁基合金為儲(chǔ)熱材質(zhì)，匯聚吸收熱能、儲(chǔ)存熱能與釋放蒸汽等特性的金屬相變儲(chǔ)熱蒸汽鍋爐。

因?yàn)樵撳仩t設(shè)備內(nèi)壁涂抹了具有選擇性吸收的涂料，所以一旦太陽(yáng)光被反射到吸熱壁表層時(shí)，形成的高溫效應(yīng)加速了金屬儲(chǔ)熱材質(zhì)熔化的進(jìn)程。此過(guò)程中被吸收的熱量有些借助熱傳導(dǎo)方式，傳遞給水，使其沸騰，形成的蒸汽為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電環(huán)節(jié)供應(yīng)能量;其余的熱量則會(huì)被集中儲(chǔ)存下來(lái)，為系統(tǒng)夜間發(fā)電環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)，保障了太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)作業(yè)的連貫性與高效性。該金屬相變儲(chǔ)熱蒸汽鍋爐作業(yè)溫度一般維持在360～600℃之間，熱效率也在95%上下波動(dòng)，但其波動(dòng)幅度一般不會(huì)大于3%，對(duì)于塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)而言，該裝置具有良好的適應(yīng)性。

李輝鵬等人［9］對(duì)Al-Si共晶合金容器材質(zhì)的相容性采用了盛裝儲(chǔ)熱的研究方法。研究結(jié)果證明:在溫度低于620℃的情況下，與316不銹鋼的抗熔融Al-Si合金液腐蝕性能相比較，SiC在被選用為容器材質(zhì)方面有更大的可能性。在研究過(guò)程中，李輝鵬等人還發(fā)現(xiàn)熔融Al-Si合金液不能放置于石墨容器內(nèi)。并且經(jīng)歷了240次高溫性、重復(fù)性測(cè)試以后，SiC的樣品大體與原樣相同，未被腐蝕、破壞，可見SiC變相材料穩(wěn)定性能強(qiáng)，適用于高溫太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)內(nèi)。

程曉敏等人［10］對(duì)Al-7合金、Al-7Si-4Cu合金與Al-33Cu合金開展了差熱掃描分析工作，獲得了每種合金相變材料的熔化潛熱與熔化溫度。與此同時(shí)還對(duì)Al-Si-Cu-Mg-Zn等20種元素組成的高溫合金相變儲(chǔ)熱材質(zhì)進(jìn)行深度研究，驚奇的發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)金屬相變材料的儲(chǔ)熱值大于200 J/g。其中，Al-Si合金儲(chǔ)熱材質(zhì)的單位質(zhì)量?jī)?chǔ)熱數(shù)值處于相對(duì)較高水平;Al-Cu-Zn合金儲(chǔ)熱材質(zhì)單位容積儲(chǔ)熱量相對(duì)較高;Mg-Zn在壓縮相變溫度值方面體現(xiàn)出優(yōu)越性，其在擴(kuò)張儲(chǔ)熱溫度范疇方面能夠做出巨大貢獻(xiàn)。

5 探究金屬相變材料的改進(jìn)

5．1強(qiáng)化對(duì)金屬相變材料封裝力度

在20世紀(jì)80年代初期，Ouden就提出了封裝是提升金屬相變材料熱交換速率的有效手段，這主要是由于封裝以后的材質(zhì)能夠與熱流體緊密接觸。隨著實(shí)驗(yàn)研究工作的不斷進(jìn)行，膠囊被驗(yàn)證為強(qiáng)化相變材料封裝質(zhì)量的最佳系統(tǒng)。但是，對(duì)于金屬基相變儲(chǔ)能材料而言，能起到阻斷與防止液體外流的容器材質(zhì)數(shù)量極為少，所以對(duì)強(qiáng)化金屬基相變儲(chǔ)能材料封裝質(zhì)量的研究工作是任重道遠(yuǎn)的，一旦實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬相變材料熱能傳遞、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程是極為有利的，具體是指維護(hù)了金屬相變材料的完整性。

5．2鋁基合金儲(chǔ)熱材料

為了更深層次的優(yōu)化鋁基合金儲(chǔ)熱材料性能，適度降低其相變溫度、強(qiáng)化其抗腐蝕性能是極為必要的。為了落實(shí)上述目標(biāo)，研制儲(chǔ)熱性能優(yōu)良的多元化鋁基合金儲(chǔ)熱材質(zhì)是極為有效的對(duì)策。與此同時(shí)，積極探尋多元鋁基合金儲(chǔ)熱材質(zhì)的元素構(gòu)成、微觀構(gòu)造儲(chǔ)熱性能之間的聯(lián)系也是不容忽視的環(huán)節(jié)，為優(yōu)質(zhì)型儲(chǔ)熱材質(zhì)體系的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

將某些陶瓷材料優(yōu)質(zhì)的抗鋁液腐蝕性能導(dǎo)入進(jìn)儲(chǔ)熱材料體系構(gòu)建中，Al2O3陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管設(shè)置為鋁基合金儲(chǔ)熱容器材質(zhì)，在此基礎(chǔ)上落實(shí)金屬—陶瓷復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料與儲(chǔ)熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)性理論與實(shí)踐研究工作內(nèi)容。

現(xiàn)階段，液態(tài)腐蝕性是鋁基合金儲(chǔ)熱材料在投入使用中迫切需要解決的問題，很多耐熱腐蝕性能甚至不如碳鋼，這主要是因?yàn)殇X與銅、鎂、鋅等金屬共同組建了熔點(diǎn)相對(duì)較低的共晶體，此時(shí)，耐熱腐蝕性合金中的部分材質(zhì)會(huì)被溶解消除。因此，在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)研究中，應(yīng)該積極探索降低鋁基合金儲(chǔ)熱材料液態(tài)腐蝕性能，達(dá)到降低其與儲(chǔ)熱容器反應(yīng)幾率的目標(biāo)，拓寬其在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用空間。

6 結(jié)語(yǔ)

金屬相變材料憑借其儲(chǔ)能密度大、品質(zhì)高、熱交換效率強(qiáng)、儲(chǔ)熱溫度高等眾多特性，在太陽(yáng)熱發(fā)電環(huán)節(jié)具有廣泛性應(yīng)用。為了達(dá)到提高金屬相變儲(chǔ)熱材料應(yīng)用效率這一目標(biāo)，積極研發(fā)熱控技術(shù)、落實(shí)封裝工作，改善相變溫度均是極為可行的對(duì)策，為金屬相變材料的可持續(xù)發(fā)展鋪路墊石。

［1］王輝．太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)熱材料研究進(jìn)展［J］．科技信息，2013(3):399－400．

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An Application in Solar Power of Metal Phase Change Materials

DENG Jie
(Zhongke New Energy Testing Center Co．Ltd．，Xining，Qinghai 810000，China)

The article mainly discusses about the forms of metal phase change materials(PCM)used in solar power，through summarizing performance parameters of phase change materials．It covers all kinds of metal material thermal physical property measurement methods and the metal phase change materials to explore in the application of solar power．The author puts forward the metal base of phase change materials to solve sealing problem，hoping it will be a broader application space．

Metal PCM;Thermal physical property;Compatibility;Solar power generation

TM615;TB34

B

10．14101/j．cnki．issn．1002－4336．2017．01．029

2016－12－26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51174196)

鄧潔(1984－)，女，河北高陽(yáng)人，中級(jí)工程師，研究方向:太陽(yáng)能發(fā)電，手機(jī):15810189492，E-mail:2205478165@qq．com．