王花蕾

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 咸陽 712100)

環(huán)境污染和能源緊缺是目前社會發(fā)展中所遇到的突出問題，早在20世紀(jì)傳統(tǒng)的化石能源已經(jīng)開始出現(xiàn)緊缺，同時化石燃料燃燒所產(chǎn)生的污染問題也成為一大問題，因此對于清潔的可再生能源的探索一直沒有停歇[1-2]。充分利用太陽能無疑是解決能源匱乏和污染的最優(yōu)選擇。有數(shù)據(jù)顯示，每年太陽輻照在我國土地面上的太陽能相當(dāng)于2.5萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于我國能源年總消耗量的400多倍，那么如何有效存儲和利用太陽能是擺在研究者面前的首要問題[3-4]。目前對于太陽能的利用主要包括兩種方式——光伏發(fā)電和光熱發(fā)電。光伏發(fā)電主要利用硅材料在太陽輻照下電子的定向移動產(chǎn)生電流，光熱則利用熱存儲材料將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能在進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)化和釋放。相比于光伏存儲來說，光熱存儲其制造成本更低且熱量的存取更加穩(wěn)定，因此在多個領(lǐng)域擁有更大的發(fā)展空間[5]。

儲熱材料是太陽能熱存儲中最基礎(chǔ)和最重要的部分，熱存儲材料的性能直接影響了太陽能的熱利用率和二次轉(zhuǎn)化的效率[6]。儲熱材料一般可以分為兩類顯熱儲熱和潛熱儲熱，本文主要對顯熱儲熱材料中的混凝土儲熱材料進(jìn)行綜述，對目前儲熱混凝土的性能指標(biāo)、存在問題及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行詳盡概述，從而為儲熱混凝土的研究和應(yīng)用方向提供一定的參考和借鑒。

1 儲熱材料的概述及分類

所謂的儲熱材料相當(dāng)于一個能量收集和轉(zhuǎn)化器，在太陽光充足時儲熱材料可以吸收能量進(jìn)行有效存儲，而當(dāng)光線不足時存儲的熱量將會緩緩釋放，儲熱材料不僅通過金屬導(dǎo)管進(jìn)行熱量的傳遞，用于建筑材料或裝飾材料可以實(shí)現(xiàn)保溫防霉除濕等作用。一般來說儲熱材料可以分為三類：顯熱儲熱、潛熱儲熱、化學(xué)反應(yīng)儲熱，具體細(xì)分類圖如圖1所示[7-8]。在儲熱材料中目前較為成熟的為顯熱儲熱材料，顯熱儲熱材料又可分為固體顯熱材料和液體顯熱材料，其中固體顯熱材料高溫混凝土因其廉價(jià)、性能優(yōu)良、制備工藝簡單具有大規(guī)模應(yīng)用的前景，但依然存在很多問題如易開裂、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容較低等缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。

圖1 儲熱材料分類

2 混凝土儲熱材料的性能指標(biāo)

作為混凝土儲熱材料要滿足應(yīng)用的話需要滿足以下幾個條件[9]：

(1)儲熱材料的密度要大，同時材料本身的比熱容和相變潛熱要大，以此滿足材料高效儲熱的要求；

(2)材料的導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)越大材料的熱傳遞速度也就越快，因此傳熱過程中熱量損耗也就越低；

(3)在滿足上述兩個條件之上，作為儲熱混凝土其材料的穩(wěn)定性、耐酸、耐堿性及耐高溫都是評價(jià)其儲熱綜合性能的指標(biāo)。

目前來說對于儲熱混凝土的研究也都是基于上述三個指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)。

3 儲熱混凝土的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2006年，德國的航空航天研究中心對鑄鐵陶瓷和高溫混凝土；兩種固體儲熱材料在350 ℃高溫條件下的性能進(jìn)行了綜合對比，見表1。相比較而言兩種材料都具有較高的高溫穩(wěn)定性，混凝土的強(qiáng)度略高于鑄造陶瓷，但是其比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)還是較低，因此當(dāng)時德國研究中心認(rèn)為混凝土儲熱材料還無法直接用于實(shí)際應(yīng)用[10]。

表1 鑄造陶瓷和高溫混凝土性能對比

我國科學(xué)家郭成州[11]采用石墨烯摻雜的方式以此提升混凝土的導(dǎo)熱能力，并系統(tǒng)研究了不同摻雜比例對于混凝土力學(xué)性能、比熱容等的影響并確定了石墨烯的最佳摻雜比例為5%。

Laing D等人[12]對儲熱混凝土系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的儲熱系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性通過烘箱試驗(yàn)和500 ℃高溫測試。同時該模塊在200～400 ℃可運(yùn)行23個月以上，熱循環(huán)超過370次以上。圖2所示為其研發(fā)的儲熱裝置實(shí)物圖。

圖2 成品測試模塊(無保溫)

何百靈等人[13]研發(fā)一種新型混凝土可用于太陽能儲熱設(shè)備，通過摻雜改性其混凝土表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能。

Rui W等人[14]將蓄熱骨料的加入到混凝土中。并系統(tǒng)研究了其各項(xiàng)物性參數(shù)變化按，摻入80%蓄熱骨料的混凝土抗壓強(qiáng)度大于18 MPa。蓄熱集料的加入顯著改善了試驗(yàn)室在冷熱環(huán)境下的溫度波動。因此，研制的蓄熱集料混凝土在惡劣氣候條件下對提高建筑物的熱舒適性具有很大的潛力。

Hong GiKima等人[15]以脂肪酸、硅藻土和陶粒為原料制備了蓄熱團(tuán)聚體，該蓄熱團(tuán)聚體降低了早期溫升速率和峰值,室溫波動降低了5.94 ℃。

4 儲熱混凝土研究展望及總結(jié)

儲熱混凝土是目前非常具有應(yīng)用前景的太陽能儲能材料，尤其是其表現(xiàn)出低成本和高溫穩(wěn)定性是其他材料難以比擬的。從混凝土儲熱材料未來發(fā)展來看，如何提高其熱能的轉(zhuǎn)化效率。是后續(xù)研究所需要著重考慮的地方，只有解決了這兩個關(guān)鍵問題，混凝土儲熱材料才會真正地得到普及和應(yīng)用。