熔融鹽/金屬復合相變儲熱材料的研究進展

趙新波，李傳常，謝寶珊，張 波，陳 薦，陳中勝，李 微

(1.長沙理工大學能源與動力工程學院，湖南 長沙 410114)(2.東華理工大學 核資源與環境國家重點實驗室，江西 南昌 330013)

1 前 言

能源與環境是當今社會發展的兩大主題，能源的高效清潔利用和環境保護受到了社會的重點關注。中國是能源生產大國和消費大國，隨著我國經濟的快速發展，能源需求量持續增長，為了緩解能源危機、實現綠色發展，對環保清潔的新能源技術的研究變得越來越重要。儲熱技術不但可以提高能源利用效率，還可以解決能量供求在時間和空間上不匹配的問題，在太陽光熱利用、建筑節能、工業余熱利用、電力調峰等方面得到了廣泛的應用，儲熱材料是其應用的關鍵。儲熱材料是一種面向潔凈能源的先進材料，開發新型儲熱材料是目前儲熱技術研究的重點。其中，相變儲熱材料最受關注，這種材料若能得到廣泛應用，將成為節能環保的綠色載體，滿足綠色發展的要求。

熔融鹽具有使用溫度高、相變潛熱大、比熱容高、對流傳熱系數高、粘度低、飽和蒸汽壓低、成本低、熱穩定性好、兼具傳熱儲熱能力的優點，是一種理想的相變儲熱材料[1]。但熔融鹽均存在導熱系數低(一般為0.5～1 W/(m·K))的問題，這制約了其作為相變儲熱材料的發展。所以，提高熔融鹽的導熱系數是一個迫切需要解決的問題。金屬材料具有較高的導熱系數(熔融鹽的數十倍，甚至更高)，采用金屬和熔融鹽復合制備熔融鹽/金屬復合相變儲熱材料可以提高熔融鹽的導熱系數，增強熔融鹽的傳熱儲熱性能，滿足不同工業過程的需求。熔融鹽/金屬復合相變儲熱材料成為了熔融鹽應用的熱點研究方向之一。金屬顆粒、金屬翅片、金屬微膠囊、金屬矩陣、金屬網、金屬泡沫和熔融鹽的復合結構已經有了大量的實驗研究，特別是將熔融鹽和金屬泡沫復合作為復合相變儲熱材料已成為研究的重點，高導熱率、孔隙率、比表面積以及強混合能力的金屬泡沫被認為是最有前途的傳熱增強材料之一[2]。開發不同復合結構的相變儲熱材料對滿足不同的工業需求有重要的意義。制備復合相變儲熱材料，是解決熔融鹽相變材料(PCM)的相分離、導熱性能差等問題的一種重要方法。另外，熔融鹽具有腐蝕性，熔融鹽/金屬復合相變儲熱材料在實際應用中的關鍵問題之一是熔融鹽對金屬的腐蝕。

2 熔融鹽/金屬復合相變儲熱材料

2.1 熔融鹽/鎳

鎳(Ni)是用途廣泛又較貴重的金屬，它具有較高的強度、塑性、延展性以及良好的導熱性能。在20 ℃ 時，Ni的導熱系數為90 W/(m·K)。2005年，Wang等[3]將K2CO3、Li2CO3、Na2CO3、LiOH和NaOH等分別與泡沫Ni復合形成各種復合相變儲熱材料，其中熔融鹽質量分數為85%左右，制得的復合相變儲熱材料具有較高的儲熱密度；熔融鹽較為均勻地分布在泡沫Ni中，且金屬骨架把熔融鹽分成無數個微小的儲熱單元，使得復合相變儲熱材料具有快速儲/放熱等優良性能。Zhang等[4]通過實驗和數值模擬研究對比了熔融鹽與熔融鹽/泡沫Ni復合相變儲熱材料在殼管式潛熱儲能(LHTES)系統中的性能，采用基于焓-多孔度模型和兩溫能量方程的三維數值模型研究了LHTES系統的熱能儲存和釋放，并通過儲/放熱持續時間、平均功率和能源效率評價了LHTES系統的性能，結果表明：泡沫Ni增加了熔融鹽的有效導熱系數，提高了LHTES系統的性能，殼管式儲能罐示意圖如圖1。Choi等[5]利用LiCl-KCl共晶熔融鹽改良泡沫Ni(孔隙率為90%，孔徑為800 μm，厚度為0.5 mm)的表面張力，使得熔融鋰可以充分浸漬到泡沫Ni中，而不是粘在泡沫Ni表面。

圖1 殼管式儲能罐示意圖[4]：(a)垂直截面，(b)橫截面；(c)儲能罐照片Fig.1 Schematic illustrations of the shell-and-tube thermal energy storage tank[4]: (a) vertical cross section, (b) horizontal cross section; (c) photo of the thermal energy storage tank

2.2 熔融鹽/鋁

鋁(Al)是地殼中蘊藏最多的金屬元素，金屬Al密度小、不易腐蝕，導熱率、比熱容、融化潛熱很大。在20 ℃時，純Al的導熱系數為218 W/(m·K)。Al顆粒、Al翅片、泡沫Al、Al網、Al矩陣與熔融鹽的復合都已有大量研究。Javadiana等[6]將LiH和Al按一定比例混合，研究其作為一種熱能儲存材料在太陽能熱發電(CSP)中的適用性，相比于純LiH，Al的加入可減少高達44%的原材料成本。在泡沫Al研究方面，Du等[7]研究了Na2CO3/泡沫Al復合相變儲熱材料的熱擴散系數；Mellouli等[8]分析了泡沫Al對提高NaNO3傳熱性能的影響；Zhang等[9]采用金屬泡沫提高NaNO3和KNO3的導熱系數，結果表明：有效熱擴散系數在提高LHTES系統的儲/放熱效率方面有重要價值，使用泡沫Al可減少儲/放熱時間。在Al翅片研究方面，Udaykumar等[10]設計了4種不同結構的翅片以對比不同結構Al翅片與相變材料(混合的NaNO3和KNO3)在絕緣相變儲熱裝置中傳熱能力的差異；Soda等[11]將六水硝酸鎂、六水氯化鎂用于低溫熱能儲存系統，對針對這些系統的熱交換器和儲存容器的研究表明：垂直定向的Al翅片和水平定向的Al管是儲/放熱的最佳結構。此外，Mustaffar等[12]利用金屬網(EMM)來增強相變材料的導熱系數，模擬和實驗結果均驗證了PCM/EMM的可行性，PCM/EMM復合相變材料比純PCM的熔化時間減少了81%，且EMM比金屬泡沫成本低。Koller等[13]采用類似的方法，將Al絲做成一個管狀的矩陣(圖2)，用以提高NaNO3的傳熱速率，并對NaNO3熔融過程中的瞬態數值進行了模擬研究(圖3)，分析表明：儲熱的第一階段，熱傳導是主要的傳熱機制，之后自然對流是主要的傳熱機制。采用管狀矩陣法是提高PCM傳熱性能的一種可行方法[14]。

圖2 金屬絲矩陣換熱器[13]Fig.2 Heat exchanger tube with wire matrix[13]

圖3 熔融過程中相變材料的液體部分輪廓瞬態模擬圖[13]Fig.3 Contours of the liquid fraction of the PCM during the melting process at different time steps by numerical transient simulation analysis[13]

2.3 熔融鹽/銅

泡沫銅(Cu)具有較高的熱導率、較大的比表面積和良好的力學性能，經常被用于實驗研究。在20 ℃時，純Cu的導熱系數為381 W/(m·K)。對泡沫Cu與熔融鹽復合相變材料傳熱機制的研究結果表明[15-20]：純熔融鹽PCM與泡沫Cu/熔融鹽復合相變材料的傳熱機制不同，在熱能儲存過程中，由于液體熔融鹽密集的自然對流，純熔融鹽熔融加速，泡沫骨架的存在限制了液體熔融鹽的流動，在一定程度上削弱了局部自然對流，但總傳熱率仍然高于不使用金屬泡沫的情況；在固體和兩相區，由于泡沫Cu的存在使得傳熱速率明顯增加，熱傳導在放熱過程中起主導作用。高導熱率的泡沫Cu對熔融和凝固過程均有增強作用，PCM發生相變時，Cu使整體導熱系數提高了28.1倍；而在液相相變中，自然對流和導熱相結合的傳熱系數提高3.1倍以上[21]。金屬泡沫的孔隙率和孔密度對熔融鹽熔融/凝固過程影響的研究結果表明：金屬泡沫材料孔隙率對傳熱速率的影響比溫度更大，金屬泡沫的相關物理模型如圖4 所示[22]。每英寸孔數(PPI)為40(40 PPI)的泡沫金屬在PCM中的最佳填埋方式為中埋法，35 PPI泡沫金屬的最佳填埋方式為底埋法，使用孔隙率約95%的泡沫Cu，可使PCM的導熱系數提高3～4倍，同時保證復合相變材料具有較高的儲熱密度[23]。Cáceres等[24]使用鋰鹽作為儲熱介質和傳熱流體與泡沫Cu復合用于太陽能熱發電站，顯著提高了PCM的導熱系數、降低了熱能儲存(TES)系統的體積，但其實現成本仍高于傳統方案。以水合鹽為潛熱儲能的PCM在體積較小的情況下可以儲存大量的熱量，然而相分離、高過冷度和低導熱率等問題是水合鹽常見的缺點[25]。Li等[26]首先使用羧甲基纖維素作為添加劑和磷酸氫二鈉作為成核劑，處理三水醋酸鈉(SAT)水合鹽的相分離和過冷度問題，改良后的SAT水合鹽具有良好的熱穩定性，

圖4 金屬泡沫的相關物理模型[22]：(a)根據Krishnan等的模型建立的金屬泡沫模型(孔隙率為96%)；(b,c)三維金屬泡沫3D掃描及其截面照片(孔隙率為91%)；(d)嵌入金屬泡沫的三相復合材料塊體結構示意圖Fig.4 Metal foam related physical models[22]: (a) metal foam (porosity=96%) created according to the model of Krishnan et al.; (b, c) 3D metal foam (porosity=91%) scan and its cross-section picture; (d) schematic of the block of the three-phase composite with embedded metal foam

其過冷度低于3 ℃；以改良的SAT水合鹽為PCM，制備泡沫Cu/水合鹽復合相變材料，結果表明：泡沫Cu/水合鹽復合相變材料的有效導熱系數比SAT水合鹽高11倍，體積熱儲能密度為467 MJ/m3，是傳統水箱儲熱密度的2.2～2.5倍。此外，Cu膠囊和熔融鹽的復合也有研究報道。Parrado等[27]將混合的硝酸鹽封裝在有Cu涂層的球殼內制備膠囊PCM，研究了膠囊型PCM的儲/放循環的熱-力學模型，來確定其儲存容量和性能。

2.4 熔融鹽/鎂

鎂(Mg)是最輕的結構金屬材料之一，導熱系數為156 W/(m·K) (在20 ℃時)。Tian等[28]用Mg顆粒與三元碳酸鹽(Li2CO3-Na2CO3-K2CO3)顆粒混合，將其作為一種新型高導熱復合相變材料(圖5)，研究結果表明：Mg粒子以樹枝狀結構分散在熔融鹽中，復合相變材料的熔化溫度與純碳酸鹽相比變化很小，相變潛熱值可達160 J/g；添加質量分數為2%的Mg顆粒時，其有效導熱系數為1.93 W/(m·K)，比純三元碳酸鹽提高了45.11%；在氬氣氣氛中，復合相變材料的工作溫度上限為725 ℃，其較寬的工作溫度范圍(△T=325 ℃)，說明其具有良好的熱穩定性和較高的儲能容量。

圖5 鎂顆粒(a)和三元碳酸鹽(b)的SEM照片；鎂-三元碳酸鹽復合相變材料不同區域的SEM照片和相應的能譜分析(c,d)[28]Fig.5 SEM images of magnesium particles (a) and ernary carbonate salts (b); SEM images of Mg-carbonate salts composite phase change material and the corresponding EDX analysis (c,d)[28]

2.5 熔融鹽/合金

為了克服熔融鹽PCM導熱系數低的問題，Naplocha 等[29]將鋅鋁合金泡沫浸入KNO3熔融鹽中，設計了一個穩定持久的能量儲存系統，并通過多次儲/放熱循環實驗驗證該復合相變材料的穩定性，結果表明：此類復合相變材料具有合適的導熱系數和儲/放熱性能，金屬泡沫材料甚至在十幾個循環和持續應力作用下還能夠提高整體的導熱系數，并保持其自身的完整性。Heimo等[30]研究了NaNO3作為PCM在兩種不同的雙肋兩金屬翅片管儲能裝置中的熔融和凝固過程，結果表明：翅片使PCM熔融和凝固的速度在朝著外殼的方向上減小。類似地，Urschitz等[31]在LHTES單元中填充300 kg的NaNO3作為PCM，將金屬合金翅片縱向垂直地安裝在單筒金屬管上，金屬翅片能夠增加PCM中的熱量流動，這種熱能儲存裝置能夠儲存600 kWh的熱能，并可使負載的功率達到200 kW。

3 制備方法

熔融鹽/金屬復合相變儲熱材料的制備主要采用浸漬法。浸漬法的基本原理有兩方面，一是固體的孔隙與液體接觸時，由于表面張力的作用而產生毛細管壓力，使液體滲透到毛細管內部；二是活性組分在載體表面上的吸附。

3.1 常壓浸漬

常壓浸漬即在常壓條件下，把熔融的熔融鹽浸漬到金屬中。泡沫金屬和熔融鹽的復合通常在加熱爐或水浴裝置中進行。以二元共晶碳酸鹽為高溫相變儲熱材料制備復合高溫相變儲熱材料時，首先將泡沫金屬塊按照一定的方式填埋在過量的粉末狀碳酸鹽中，然后將填埋有泡沫金屬塊的粉末狀碳酸鹽置于氣氛加熱爐內，以10 ℃/min的速率升溫到510 ℃，保溫30 min后在爐內自然冷卻，去除復合材料表面多余的鹽分并將其打磨至光滑，完成復合相變儲熱材料的制備[23]。在制備泡沫Cu/SAT水合鹽復合相變儲熱材料的過程中，首先將泡沫Cu切割成尺寸為40 mm×40 mm×10 mm的薄片，并用超聲波清洗機去除附著在其表面上的雜質，將液態SAT水合鹽樣品和干燥的泡沫Cu片放置在可變形的硅樹脂模具中，用恒溫器水浴加熱模具，為了使液態SAT水合鹽浸入并完全充滿泡沫Cu，需要在80 ℃保溫大約1 h，隨后取出模具，在25 ℃常溫下冷卻，直至SAT水合鹽完全固化，從而制備得到復合相變材料(圖6)[26]。

制備PCM/EMM復合相變儲熱材料時，首先將EMM切成5片160 mm×114 mm的矩形層，將它們通過導線柱垂直堆疊在一起，每層之間大約有1 mm的間距，形成一個大約9 mm厚的單元體(約90%的孔隙度)。然后將固體塊PCM粉碎成細粉末，倒入EMM單元直至完全覆蓋最上面的EMM層，用力搖晃整個單元體，以除去里面的空氣泡。將存放PCM/EMM單元體的容器放入加熱盤，單元體的側面用厚的泡沫絕緣層包裹，以最大限度地減少熱量損失，PCM完全熔融后關閉加熱器，在室溫下冷卻、固化(圖7)[12]。

圖6 泡沫銅/改良SAT復合相變材料的制備過程示意圖[26]Fig.6 Schematic of the preparation procedure of copper foam/SAT composite PCMs using the modified SAT[26]

圖7 PCM/EMM的制備步驟[12]Fig.7 Preparation procedure of PCM/EMM[12]

用Mg顆粒作為強化傳熱添加劑和三元碳酸鹽混合制備復合相變儲熱材料，首先將Mg顆粒和三元碳酸鹽按質量比例稱重，然后將混合好的樣品倒入金剛石坩堝中，將樣品置于馬弗爐中持續加熱，以5 ℃/min的速率從室溫加熱到600 ℃，再保持600 min，使Mg顆粒能夠完全分散在整個熔融鹽中。在室溫下，樣品被冷卻至凝固狀態，即獲得復合相變儲熱材料[28]。

3.2 真空浸漬

為了增加浸漬量或浸漬深度，有時可預先抽空載體內空氣，這種方法稱為真空浸漬法。制備KNO3和鋁鋅合金泡沫的復合相變儲熱材料過程中，在真空條件下，將熔融的KNO3浸入鋁鋅合金泡沫中，將整個組件在金屬容器中冷卻下來，即得到復合相變儲熱材料[29]。以K2CO3和NaOH 為PCM與泡沫Ni復合制備復合相變儲熱材料，首先將PCM置于真空電爐中加熱，當PCM由固態熔解成液態時，稱取一定質量的泡沫Ni加入到熔融鹽中抽真空進行復合，真空浸漬一定時間后，從真空電爐中取出樣品在真空中冷卻，然后進行干燥，即得復合相變儲熱材料[3]。用泡沫Cu和八水氫氧化鋇制備復合相變儲熱材料時，需要使用真空加熱爐對八水氫氧化鋇進行均勻加熱，在氬氣保護下完成液態八水氫氧化鋇的吸附和填充，多次對儲能裝置在真空充氬條件下均勻加熱，以提高八水氫氧化鋇的填充量。由于泡沫Cu的毛細力和表面張力的共同作用，熔融狀態的相變材料一般不易滲出，從而克服了相變材料在制備過程中液相流動問題[32]。泡沫金屬和熔融鹽在真空條件下復合效果更佳。

4 熔融鹽的腐蝕

熔融鹽具有腐蝕性，熔融鹽對金屬的腐蝕問題是熔融鹽/金屬復合相變儲熱材料在實際應用中的關鍵問題之一[33]，腐蝕使材料的橫截面變小，從而容易發生塌陷；同時，腐蝕會增加熔融鹽與金屬之間的界面熱阻，降低材料的導熱能力，從而降低其儲熱能力。因此，除了考慮熔融鹽/金屬復合相變儲熱材料的熱穩定性之外，還需要了解其腐蝕行為。硝酸鹽、碳酸鹽、氯化鹽、氟化鹽及其多元混合鹽的熱物理性質及價格如表1所示[25, 28, 34-36]。由表1可知，硝酸鹽、碳酸鹽、氯化鹽、氟化鹽及其多元混合鹽的導熱系數普遍較低。硝酸鹽的熔點較低、腐蝕性小，可用于500 ℃以下的儲熱系統。碳酸鹽和氯化鹽有相似的熔點和密度，潛熱值也比較高，與其它熔融鹽相比，氯化鹽價格較低，但其腐蝕性大。氟化鹽具有高熔點、高潛熱及高價格，作為載體鹽和冷卻劑已廣泛應用于核能系統熔鹽堆。

4.1 硝酸鹽腐蝕

硝酸鹽廣泛存在于自然環境中，熔融硝酸鹽是氧化性熔鹽。KNO3為無色透明斜方或菱形晶體白色粉末，熔點為334 ℃，易溶于水、不溶于乙醇，在空氣中不易潮解。NaNO3為無色透明菱形晶體，熔點為306.8 ℃，密度為2.257 g/cm3(在20 ℃時)，易溶于水和液氨、微溶于甘油和乙醇，加熱時，NaNO3易分解成NaNO2和O2。1983 年西班牙建造的CESA-1 電站以及1984年法國建造的Themis塔式電站中所用是硝酸鹽/亞硝酸鹽混合體系即Hitec鹽；2008年西班牙建造的塔式電站Gemasolar以及意大利的槽式電站中所用是Solar salt鹽(60%NaNO3-40%KNO3，以質量分數計)[37, 38]。Kruizenga等[39]選取不銹鋼(321SS和347SS)為研究對象，研究了溫度對硝酸鹽腐蝕不銹鋼的影響，分別在400，500，600，680 ℃下將試樣浸泡在二元硝酸鹽中，在500, 1000, 2000, 3000 h的時間間隔取出試樣，以獲取在不同溫度下不銹鋼質量隨時間變化的數據，同時利用金相學分析其腐蝕機理，結果表明：400和500 ℃下321SS和347SS有微弱的氧化行為，在500 ℃時的腐蝕產物中有氧化鐵相，可以觀察到明顯的鉻消耗；600 ℃的數據表明321SS趨向線性氧化行為，在樣品表面上能觀察到氧化物散裂；680 ℃時兩種合金的腐蝕速率過大，金屬損耗加快。這也符合Arrhenius 定律，腐蝕速率隨溫度升高而增大[40, 41]。在此基礎上，對Solar salt鹽和鎳合金(IN625和HA230)在600 ℃下進行了長達5000 h的測試，結果表明：HA230和IN625合金的年腐蝕速率只有688和594 μm，IN625比低鉻合金鋼有更好的抗腐蝕效果[42]。Fernández等[43]研究了在390 ℃時，熔融的混合硝酸鹽對兩種不銹鋼(AISI304和AISI430)、一種低鉻鐵合金(T22)和一種碳鋼的腐蝕效果，結果表明：不銹鋼在腐蝕環境下表現出較好的抗腐蝕行為。高溫鎳基合金可以提高材料的強度和抗腐蝕性，但其成本幾乎是不銹鋼的4倍，比較幾種主要的容器材料，可以發現不銹鋼更合適作為貯存熔融鹽的容器材料[44, 45]。

表1 熔融鹽及其多元混合鹽的熱物理性質及價格[25, 28, 34-36]

4.2 碳酸鹽腐蝕

碳酸鹽價格較低、相變潛熱高、腐蝕性小、比熱容和密度大，具有良好的傳熱和儲熱能力。與硝酸鹽類似，碳酸鹽為氧化性熔鹽。Sarvghad等[46]研究了在450 ℃時，In601合金在Li2CO3、K2CO3和Na2CO3混合鹽中的腐蝕情況，結果表明：氧化是所有環境中合金侵蝕的主要因素，熔融鹽腐蝕進一步加劇了金屬的氧化，在沒有貧鉻孔洞的情況下，金屬腐蝕的形態是均勻的。進一步的實驗結果表明：退火可以減緩腐蝕速率、減少局部裂紋區域[47]。被熔融鹽覆蓋的材料不是Inconel 601容器失效的起始處，容器外部由于長期暴露于高溫下會產生晶間應力導致不銹鋼腐蝕開裂[48]。白寶云等[49]研究了在650 ℃時，含稀土元素的316S和310S型不銹鋼在Li2CO3和K2CO3共晶熔融鹽中的腐蝕行為，結果表明：稀土元素能夠通過促進富Cr 氧化膜的形成而提高310S不銹鋼的抗蝕性能。Gomez等[50]的研究結果表明：MCrAlX(M為鎳或鈷；X為釔、硅或鉭)涂層能夠減緩SS310和IN800H在熔融碳酸鹽環境中的腐蝕，SS310和IN800H的年腐蝕速率從2500減少到34 μm。綜上所述，金屬退火、添加稀土元素和附加涂層是有效減緩金屬腐蝕的方法。

4.3 氯化鹽腐蝕

氯化鹽種類多，具有良好的高溫熱穩定性，可根據需求制備不同熔點的混合鹽，NaCl、KCl、ZnCl2、MgCl2、CaCl2、AlCl3等氯化物的混合物使用熔點可達900 ℃，因此氯化鹽適合用作高溫傳熱和儲熱材料。美國亞利桑那大學Li團隊將NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2和ZnCl2配制成適當的二元和三元混合物，其中NaCl-KCl-ZnCl2和NaCl-KCl-MgCl2可以在850 ℃的上限溫度下工作，MgCl2-KCl熔鹽混合物能夠在800 ℃下工作，對暴露在熔融鹽中的鎳基合金進行拉伸強度測試，結果表明：當除去熔融鹽中的水和氧氣時，鎳基合金的腐蝕較輕、強度損失較小[51-53]。

4.4 氟化鹽腐蝕

氟化鹽屬于高溫儲熱材料。鎳基合金在氟化鹽中的主要腐蝕機制是元素Cr的選擇性溶解，合金中Cr元素含量越高，腐蝕越嚴重[54]。丁祥彬等[55]研究了Hastelloy N合金和316 L不銹鋼在700 ℃ LiF-NaF-KF (FLiNaK)熔融鹽中的長時間腐蝕行為，結果表明：Hastelloy N合金表現為微弱的均勻腐蝕，Cr由合金基體向外均勻擴散；316 L不銹鋼主要以晶間腐蝕為主，Cr沿晶界向外擴散；Hastelloy N的抗腐蝕性能優于316L不銹鋼。Zhu等[56]使用激光熔覆技術在Hastelloy-N合金上制備致密的AlN涂層，結果表明：AlN涂層表現為極其均勻的腐蝕并能有效保護Hastelloy N基板。

5 應 用

5.1 工業余熱回收

由于傳統熱回收技術的不足，以及能量供應與需求之間的不匹配，大量余熱未被有效利用，回收利用工業余熱可以減少二氧化碳的排放、節約能源[57, 58]。Steinparzer等[59]數值分析了包括熔融鹽在內的各種TES系統將其它過程的熱能轉化為電能的效果，生產每噸鋼的能源消耗可減少60～80 kWh，生產每噸鋼的二氧化碳排放量可減少45 kg。Nomura等[60]研究了一種潛熱輸送的可行性方案，采用熔融鹽PCM系統回收煉鋼溫度超過300 ℃的余熱提供給化工廠，結果表明：從鋼鐵廠到化工廠輸送高溫PCM的可能性很大。熔融鹽相變儲熱材料用于余熱回收是可行的。而金屬材料與熔融鹽的復合可增加熔融鹽的導熱系數，從而提高傳熱/儲熱效率。

5.2 太陽能熱儲存

CSP技術作為一種開發潛力巨大的新能源技術而備受矚目，許多國家都投入了大量的資金和人力進行研究[61]。由于太陽能受季節、晝夜和氣象條件的影響，為保證發電系統的熱源穩定，需配置儲熱裝置。儲熱裝置是CSP系統的一個重要組成部分，它能使電廠在陰天或間歇性太陽能供應期間不間斷運行[62]。目前商業上可行的CSP技術是基于拋物線槽、線性菲涅爾反射器和太陽能塔設計的技術[63]。相變儲熱材料如熔融鹽的主要缺點是其導熱系數低，抑制了熱轉換，而在PCM中引入金屬泡沫作可以提高其導熱系數，進而提高其傳熱速率[64]。殼管式潛熱儲能系統一般采用共晶熔融鹽作為相變材料來高效利用太陽能，介質溫度在200 ℃左右，將泡沫鎳嵌入熔融鹽中從而提高相變材料的有效導熱系數，有助于熔融鹽在太陽能熱儲存中的應用[4]。鎂顆粒與共晶三元碳酸鹽顆?；旌献鳛橐环N新型高導熱復合相變儲熱材料，在高溫太陽能熱發電中被用作傳熱流體和儲熱介質[28]。以熔融鹽為儲熱介質的雙罐儲存系統已實現了CSP系統的商業化部署，西班牙和美國已經成為CSP應用領先的國家[65]。近年來，印度、智利、南非、澳大利亞和一些中東國家對CSP電站的興趣也日益增長。在像智利這樣的新興經濟體中，太陽能熱技術尤其吸引人，因為該國被認為是太陽能潛力最大的國家之一，同時還有大量的鋰和銅儲量，鋰鹽和銅泡沫復合可以作為儲熱介質應用在塔式和拋物槽式太陽能熱發電站中；隨著鋰鹽和銅泡沫在太陽能儲熱技術方面的應用日益增長，將鋰和銅儲量轉化為該地區具有競爭力的能源，將會改變智利的面貌[24]。目前我國聚光型CSP還處于示范推廣的初級階段，利用形式主要為中低溫熱利用和光伏發電，中高溫熱利用起步較晚，尚未完成商業化，目前面臨的主要問題是低成本儲熱等關鍵技術的突破[66, 67]。

6 結 語

尋找合適的材料對熔融鹽相變儲熱材料進行改性以提高其導熱性能，是熔融鹽作為相變儲熱材料的研究方向之一，研究新的復合材料和復合技術非常有必要。利用金屬材料提高熔融鹽的導熱系數方面已經有了大量的實驗研究，且已成為研究重點。熔融鹽/金屬復合相變儲熱材料的研究需關注：① 通過建立數值模型研究泡沫金屬和熔融鹽之間在不同階段的傳熱機制，采用數值方法優化復合材料的物理參數，以保證較高的儲/放熱速率，還可以提高對多孔介質中流動和傳熱機理的理解，進而優化孔隙率和孔隙密度；② 金屬泡沫和熔融鹽的復合還應該考慮金屬泡沫的持久性問題，因為金屬泡沫在使用過程中會引起疲勞裂紋，最終會造成結構的連續性損失和導熱系數的降低；③ EMM是提高PCM傳熱的一個很有用的方法，需要進一步的研究來優化其性能。

與熔融鹽/石墨、熔融鹽/陶瓷復合材料相比，熔融鹽/金屬復合材料具有價格便宜、導熱性能好的特點，但在高溫熔融鹽環境中金屬材料非常容易被腐蝕。將熔融鹽/金屬復合相變儲熱材料應用于CSP電站或其它工業過程中，需要重點關注熔融鹽對金屬的腐蝕問題，通過除去熔融鹽中的水和氧，對金屬進行退火、添加稀土元素以及各種涂層的處理可以有效減少金屬的腐蝕，這方面研究還有待深入。我國在中高溫太陽能熱發電領域起步較晚，需要加大研究的力度，這對推動能源多元化發展、優化調整我國的能源結構具有重要意義。