納米材料在光熱儲能熔鹽中的應用
發布者:lzx | 來源:材料工程 | 0評論 | 6028查看 | 2020-02-04 09:59:32    

當今傳統能源日益消耗,生態環境破壞嚴重,是人類生存與發展所面臨的重大挑戰。因此清潔能源的開發研究,成為全球能源發展的重點與趨勢所向。聚光式太陽能熱發電(Concentrated Solar Power,CSP)技術是指將太陽能聚集后,通過蓄熱介質轉化為熱能,再將熱能傳送到發電系統進行發電,是一種綠色清潔的可再生能源發電技術,是未來解決能源問題最理想的途徑之一。


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圖:塔式太陽能熱發電系統


傳熱蓄熱技術是光熱發電的關鍵環節,傳熱性能影響到介質傳送熱量的速率,越高的傳熱性能可使水更快地轉化為水蒸氣,從而提高發電效率。蓄熱性能影響介質吸收熱量的容量,越高的蓄熱性能可以吸收越高的太陽能,從而提高發電效率。


熔鹽作為傳蓄熱介質具有明顯的優勢,其使用溫度范圍寬、蒸汽壓低、腐蝕性低、成本低。2015年國家能源局355號文件規定申報的太陽能熱發電示范工程必須采用熔鹽作為蓄熱介質。


近年來利用熔鹽進行光熱發電取得較大進展,Solarsalt(60%NaNO3+40%KNO3)與Hitec(53%KNO3+40%NaNO2+7%NaNO3)是當前光熱電站中最普及的兩種熔鹽介質,然而二者的比熱值和導熱性能較低,影響了太陽能的利用效率。因此,構建具有高導熱和高蓄熱性能的熔鹽體系,提高太陽能光熱發電的利用率,具有深遠的意義與實用價值。


自1995年納米流體強化傳熱的技術被提出以后,國內外開展了眾多相關研究。與傳統材料相比,納米材料具有常規宏觀材料所不具備的納米效應,如:表面效應、量子尺寸效應、量子隧道效應等。所以在傳蓄熱流體中添加納米粒子,有望增強其傳熱蓄熱性能。將納米粒子引入熔鹽體系,尤其是硝酸熔鹽體系中,可顯著改善其傳熱蓄熱性能。目前常見的合成工藝主要為高溫混熔法和超聲分散法:


1.高溫混熔法


當摻雜少劑量的納米粒子時,適合用該法進行制備。高溫混熔法無需引入去離子水,制備過程相對簡單,更適用于工程化大規模應用。缺點是不適用于所有納米粒子,摻雜量不可過大,需要納米粒子與熔鹽之間有良好的相容性,并且需要高溫設備,成本較高。


2.超聲分散法


當摻雜大劑量的納米粒子時,適合用該法進行制備。超聲分散法可引入大劑量的納米粒子,適用于幾乎所有納米流體的制備。缺點是制備過程繁雜,需要引入大量的去離子水并蒸干,不適用于工程化大規模應用。


發展適用性廣、成本較低、分散性好的制備工藝仍是未來研究工作中的重點。


作為硝酸熔鹽添加劑的納米材料可分為以下幾類:


納米金屬粒子及其氧化物


本類納米材料制備技術日益成熟,易于對其進行不同結構的調控,并且原料易得、制備成本低,易于大規模生產。如表1(DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001380)所示,將納米金屬和金屬氧化物作為添加劑摻雜到儲能材料中,可有效改善材料傳熱蓄熱性能。


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碳納米材料


自1985年首次制得富勒烯、1991年制得碳納米管、2004年制得石墨烯以來,碳納米材料領域迅猛發展。碳納米材料獨特的微觀結構導致其具有機械穩定性好、密度低、高導熱、高強度等特性。利用其優異的熱學性能,使其與傳統材料復合,能大幅提高傳統材料的比熱或導熱系數,得到高儲熱或高導熱性能的復合材料。如表2(DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001380)所示,將碳納米材料作為添加劑摻雜到儲能材料中,可有效改善材料傳熱蓄熱性能。


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其他無機納米材料


除納米金屬、納米金屬氧化物和碳納米材料之外,其他在熔鹽改性中最為常見的無機納米材料添加劑是SiO2,因其具有制備工藝成熟、粒徑可調控、成本低等優勢,將其作為添加劑改善熔鹽熱物性的研究最為常見。如表3(DOI:10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001380)所示,一些其他無機納米材料也可明顯改善熔鹽材料的傳蓄熱性能。


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雖然硝酸熔鹽已被廣泛應用于太陽能光熱發電領域,但其傳熱蓄熱性能欠佳,利用納米材料獨特的高導熱性能,將其作為添加劑引入到硝酸熔鹽體系中,可大幅改善硝酸熔鹽的熱性能。


眾多研究者向儲能熔鹽材料中引入納米金屬粒子、納米金屬氧化物、納米碳材料等納米粒子,所制備的復合材料熔點與分解溫度變化不大,可維持合適的應用溫度范圍,而比熱值或導熱系數得到了大幅提高,將其應用在CSP系統中,有望顯著提高傳蓄熱工質的能量密度和傳熱速率,促進熔鹽工質對太陽能的吸收和熱量的傳遞,從而提高太陽能光熱發電的效率,推動CSP產業的發展。

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