太陽能儲熱材料選擇及研發現狀

高松

（石家莊中大力諾太陽能工程有限公司 河北石家莊 050000）

太陽能儲熱材料選擇及研發現狀

高松

（石家莊中大力諾太陽能工程有限公司 河北石家莊 050000）

改革開放以來我國各行各業飛速發展，全國人民日常生活水平大幅度提高，同時造成的能源不足和環境污染等問題越發嚴重，如何解決能源問題，對于可再生能源進行合理的開發應用是研究的熱點。本文對于太陽能儲熱材料選擇及研發現狀進行了深入的專業分析，為相關專業人士提供了參考。

太陽能；儲熱；材料；選擇；研發

我國的太陽能開發前景非常廣闊，合理的利用太陽能是日后改變傳統能源應用的重要方式。儲能材料的性質好壞直接影響了系統的經濟投入和使用效果，科學合理的選擇相變儲熱材料是太陽能應用技術中的關鍵。優質材料的應用將對社會效益和經濟產生深遠影響，對于材料的選擇問題進行深入研究是保證行業穩定發展的前提。

1 相變儲熱材料的篩選原則

應用與儲存潛熱的相變材料，選擇的時候需要考慮多種的因素，包括材料的性能、工作溫度、存儲容量、傳熱流體性能、換熱器的設計等等。應用的材料各個方面的優劣將直接影響整個系統存儲熱量的高低多少。

1.1 滿足熱學性能要求

1.1.1 合適的相變溫度

如此才能夠讓材料的理想工作溫度和應用的溫度達到匹配，進一步處在最佳的工作狀態。

1.1.2 較大的相變潛熱和高比熱容

熱容高意味著一樣的溫差下能夠儲存更多的顯熱，所以選擇材料的時候必須總儲熱能大，儲熱密度高。

1.1.3 較高的導熱系數

選擇材料的導熱性能比較好，吸收相同的熱量或是釋放相同的熱量需要的溫度梯度比較小，提熱或是儲熱的速度快，工作效率更高。

1.1.4 一致熔融

材料相變前后不同相態的化學組成保持一致性，能夠避免因為固液兩相的密度不同二形成的分離現象。

1.2 滿足物理性能需要

（1）材料的變相過程應該完全的可逆并且和溫度相關，能夠保持良好的相平衡。

（2）材料的蒸汽壓比較低，工作溫度下對應的蒸汽壓力比較低，這樣材料不容易揮發造成損失。

（3）密度大，相變潛熱和比熱容差不多的類似材料，密度大的單位體積面積內的儲熱量比較高，能夠降低容器的成本。

（4）材料相變過程中的體積變化應該比較小，體積膨脹率比較小就是允許系統儲熱換熱器的形式簡單化，能夠保證傳熱速率。

1.3 滿足化學性能要求

凝固時候過冷度盡可能小，熔化時候無過飽和，并且結晶快。

1.4 滿足化學性能要求

1.4.1 化學穩定性好

材料在經過反復多次的放熱和吸熱后不容易發生副反應或是熔析，不會輕易的發生化學分解，長期的使用后儲熱能力衰減小，應用的可靠性強、可行性高，整個系統的使用壽命有一定的保障。

1.4.2 腐蝕性小，抗氧化

在高溫條件下材料的腐蝕性比較小，能夠和多種材料具有相容性，容器材料的選擇范圍比較廣，能夠降低容器的成本。

1.4.3 滿足綠色化學的要求，能夠無毒害、無污染、不易燃燒、不易爆炸、使用安全。

1.5 滿足經濟性能

選擇的材料應該容易獲得，成本投入比較低，具有工業的效用性。

1.6 滿足技能性要求

選擇的材料應該在技術上盡可能的可靠、緊湊、高效、適用。

實際的研發過程中難以保證同時滿足所有的要求，這種理想材料目前也是不存在的，所以在選擇過程中應該先重視相變的溫度、相變的潛熱高、并且價格便宜，在此基礎上考慮其他的影響因素，同時使用技術的手段進行一定的彌補，例如添加增稠劑或是成核劑改善過冷問題，使用強化傳熱方式改善傳熱不良問題。

2 高溫相變儲熱材料

2.1 高溫熔鹽

高溫熔鹽具體是指碳酸鹽、氯化物、硝酸鹽、或是結合的共同晶體，它們的優勢是比熱容高、使用溫度高、熱穩定性高、對流傳熱系數高、價格低、飽和蒸汽壓低、黏度低，同時具有變相潛熱，所以儲熱性質或是傳熱形式都不錯，適合應用在太陽能發電系統中。從經濟發面來看一般的選擇順序是鋰鹽、鉀鹽、鈉鹽、鈣鹽。實際應用中單一類型的鹽應用比較少，通常將二元或是三元的無機鹽混合形成熔鹽。如此處理優勢是經過一定的調整既可以得到需要的熔點，使用范圍更加的廣泛，比較低的熔化溫度下能夠獲得高的能量密度，或是將儲熱效果好的高價格物質和其他物質混合使用節約成本，整體的熱容量還能夠保持不變。

為了能夠提升熔鹽的導熱系數，一種解決的方法是采用高溫熔鹽的符合型材料，其能夠將高溫熔鹽的高相變潛熱和添加劑材料的高導熱系數更好的結合到一起，提升材料的儲熱性能。Acem對于膨脹石墨以及泡沫金屬和高溫熔鹽復合提升對變儲能可行性進行了研究；Shin等人對于二氧化硅納米顆粒如何提升熔鹽的比熱進行了探索；雖然多年來在傳熱技術的強化方面已經取得了一定的成績，但是目前的研究方向主要是中低溫應用領域，高溫相變材料熱物性強化的研究力度明顯不夠，并且研究工作也缺乏系統性。

2.2 金屬合金

金屬合金材料的導熱系統是其他相變儲熱材料的幾十倍甚至是幾百倍，并且其具有熱循環穩定性好、儲熱密度大等多種優點，未來的發展潛力非常巨大。目前的合金材料中鋁基合金材料的相變溫度最為適合，其的腐蝕性也比較低，是金屬合金相變儲熱材料研究中的焦點，未來的太陽能熱發電高溫儲熱中具有好的前景。多年來世界各國不斷對于金屬合金相變材料進行研究，已經取得了一定的成績，然而在儲熱領域的研究還不足。金屬合金的儲熱能力效果比較好、導熱系數過大，可是由于其高溫條件下液態的腐蝕性強，和容器材料的相容性非常差，是限制其在高溫相變儲熱領域實際發展的重要因素。國內的研究相對規律性差、系統性不好，整體比較零散，未來加深對于其相容性問題的研究是必然趨勢，努力找到更加合理的封裝方式，實現金屬合金材料的廣泛應用。

總而言之，儲熱材料的選擇和研究工作是發展太陽能技術的重點環節，結合國內的實際狀況分析發現，目前的研究工作還不夠合理，未來應該對于現有的常用材料進行分析比較，加大研究設計中材料選擇的投入力度，結合考慮需要注意的問題，選擇相對綜合性能較高的材料，保證行業的長久發展。

[1]魏高.太陽能熱發電系統相變儲熱材料選擇及研究現狀[J].湖南農機，2014.

[2]薛麗娜.太陽能熱發電系統相變儲熱材料選擇及研究現狀[J].企業導報，2013.

TB34

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1004-7344（2016）12-0298-01

2016-4-10