利用沙漠砂制备太阳能蓄热材料的分析

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1、武汉理工大学硕七学位论文第1章绪论1．1课题研究的目的和意义当代社会的快速发展消耗了大量能源，然而伴随着化石燃料的枯竭，能源的缺乏成为了制约人类生存和发展的一大瓶颈，开发和利用新能源迫在眉睫。太阳能、风能、氢能作为重要的新能源，具有取之不尽、用之不竭的优点，而太阳能发电作为一种清洁无污染的能源利用方式，已经引起了全世界科研工作者的广泛关注【MJ。太阳能发电的方式主要包括两种，即太阳能热发电和太阳能光伏发电。太阳能的间歇性和不稳定性限制了光伏发电的应用，太阳能热发电系统针对太阳能间歇性和不稳定性的特点专门设计了蓄热子系统，可以在光照正常时将

2、热量储存起来，在夜间或光照不足时保证热量供给，通过热．功．电转换系统，继续带动汽轮机正常发电，保证电站连续、稳定工作【4l。在太阳能热发电中使用高效的蓄热材料，可以提高太阳能的利用率，降低使用成本，对于太阳能热发电技术具有重要意义。我国不仅面临着严峻的能源问题，还面临着严重的土地沙漠化等生态环境问题，目前全国沙漠面积高达64万平方千米，然而沙漠地区具有日照时间长，太阳能资源丰富的优势，如果就地取材利用沙漠砂制备太阳能蓄热材料，在创造经济效益的同时，实现了生态保护和太阳能利用共同发展15】。蓄热材料分为显热蓄热、潜热蓄热及潜热一显热复合蓄热

3、三种，复合蓄热材料利用相变材料在相变过程中的潜热蓄热以及显热基体材料显热蓄热相结合的方式进行蓄热。传统的复合蓄热材料中相变材料必须要用专门的容器封装，从而导致传热介质热阻增加，降低了输热效率，且容易产生过冷、分相和容器老化等问题16J。基于目前所采用的蓄热材料的不足，同时为了对沙漠资源的加以有效利用，本研究拟以沙漠砂为主要原料设计制备出满足太阳能热发电蓄热材料要求的沙漠砂质复相蓄热陶瓷。拟设计“Ca．A1．Si系”蜂窝陶瓷材料，通过调整配方组成、控制制备工艺，确保样品中Si02以鳞石英的晶型存在，以提高材料的抗热震性。并采用挤出成型工艺制

4、备出沙漠砂质蜂窝陶瓷，利用高温瞬间熔融封装技术将PCM以一定的封装方式封装在其蜂窝陶瓷的空洞中，制备出具有高蓄热密度、武汉理工大学硕士学位论文较高强度及优异抗热震性能的潜热一显热复合蓄热蜂窝陶瓷，作为蓄热材料用于太阳能热发电蓄热子系统。同时设计与此蓄热材料相适应的热阻较低、传热效率较高的太阳能蓄热单元装置，真正实现就地取材，变废为宝，促进人与自然和谐发展。1．2国内外研究现状及发展趋势1．2．1蓄热材料的研究及应用现状太阳能蓄热技术是太阳能热发电的关键技术，是热发电系统容量缓冲、年利用率提高和发电站成本降低的重要保证。欲使太阳能热发电成功

5、市场化，作为核心的蓄热材料的研究必不可少。蓄热材料按照其蓄热方式的不同，可以分为显热蓄热、潜热蓄热及热化学蓄热三种。1．2．1．1显热蓄热显热蓄热主要是利用材料升温吸热、降温放热实现材料的蓄热与放热，具有原理简单、成本低廉的优点，也应用最为广泛。目前最为常见显热蓄热材料主要有高性能水泥混凝土、水、卵石、岩土、低成本蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、多孔陶瓷球、耐热纤维及隔热保温材料等，但是由于其蓄热密度低、储存时间短、占地面积大等缺点，使显热材料的发展空间受到了限制【瑚】。1．2．1．2热化学蓄热热化学蓄热是通过化学反应的可逆反应实现化学能与热能的转换

6、，从而达到吸热蓄热并放热的作用。典型的热化学蓄热体系有：(1)CaO—H20体系：主要是利用氢氧化钙可逆分解反应Ca(OH)，一CaO+H，O(2)MgO．H20体系：利用氢氧化镁的可逆分解反应Mg(OH)，一Mgo+H：O(3)H2S04-H20体系。美国Brown[9】等人曾利用氢氧化钙进行蓄热试验研究，但成本过于高昂。与显热蓄热相比，热化学蓄热蓄热密度高，清洁无污染，但是对设备的安全性要求高，技术难度大、投资也大，要想进一步扩大其应用，还需要解决很多的技术难题。2武汉理工大学硕士学位论文1．2．1．3潜热蓄热潜热蓄热主要是利用物质在

7、凝固／熔化、凝结／气化、凝华／升华以及其它形式的相变过程中需要吸收或放出相变潜热的原理进行蓄热，所以又称为相变蓄热。相变蓄热分为固一气相变，液．气相变，固．液相变，固．固相变四种。液一气相变材料及固一气相变材料相对来说是四者中间潜热较大的材料，但是同样的它们在相变过程中产生的体积变化非常大，限制了其应用，最近十年的国内外研究中很少涉及到这两种蓄热材料的研究，特别是固．气相变材料鲜见报道，液一气相变也只主要应用在核反应领域。固一固相变通过同一种物相不同晶型或者形貌的转变而实现吸热、放热，其潜热适中，体积变化小，且不产生液相，没有体积膨胀，腐

8、蚀性小，研究较多的固．固相变材料有高密度聚乙烯、层状钙钛矿、多元醇等。2006年，湘潭大学粟劲苍和刘鹏【10】生合成并研究一种新型的具有聚氨酯聚合物结构的固一固相变蓄热材料。2009年吉林大学