相變蓄熱材料應(yīng)用于鹽梯度太陽池的研究進(jìn)展

　　摘 要:傳統(tǒng)鹽梯度太陽池(以下簡(jiǎn)稱太陽池)利用鹽水的顯熱蓄熱,導(dǎo)致太陽池蓄熱密度低,太陽池溫度的晝夜變化大,并且受提熱影響明顯,高溫及提熱不足情況下,容易導(dǎo)致梯度層失去穩(wěn)定性。 石蠟等低溫相變蓄熱材料應(yīng)用于太陽池有利于解決上述問題,文中論述了相變蓄熱材料添加到太陽池中的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞:鹽梯度太陽池;相變材料;熱性能;研究進(jìn)展

　　馬曉蒙王華張劉鋼等-《應(yīng)用能源技術(shù)》2021年12期

　　鹽梯度太陽池是一個(gè)由上而下鹽度逐漸增大的鹽水池，這種沿深度方向增大的密度梯度抑制了溫度梯度所導(dǎo)致的熱對(duì)流，致使到達(dá)到其底部的太陽能只能通過較厚的梯度層以導(dǎo)熱的形式損失到環(huán)境中，因此保證太陽池具有穩(wěn)定的鹽梯度層是太陽池運(yùn)行的最基本保障[1] 。 太陽池一般由三層構(gòu)成： 上對(duì)流層 ( UCZ： Upper Convection Zone)由淡水或者淡鹽水構(gòu)成;非對(duì)流層(NCZ：Non - convetion Zone 或稱為梯度層)中的鹽水濃度隨著深度增加而逐漸增大，該層的熱量只能以導(dǎo)熱的形式傳遞;下對(duì)流層(LCZ：Lower Convetion Zone)是由濃度均勻的濃鹽水構(gòu)成，鹽度在 20% ~ 30% 之間，該層鹽水密度均勻有對(duì)流發(fā)生，同時(shí)LCZ 吸收了太陽輻射能并將其儲(chǔ)存下來，因此又稱為儲(chǔ)熱層。 我國(guó)學(xué)者徐河、李申生等早在上世紀(jì) 80 - 90 年代就在此領(lǐng)域開展研究[2] ，鄭綿平院士在西藏扎布耶湖將鹽梯度太陽池與碳酸鋰的提取相結(jié)合，取得了顯著成果[3] 。

　　1 相變材料在鹽梯度太陽池中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀

　　太陽池是一種能夠儲(chǔ)存大容量低溫?zé)崮艿奶柲軣崂眯问健?能量的儲(chǔ)存，尤其是熱能儲(chǔ)存在可再生能源的利用中起著重要的作用。 相變材料(PCM)是熱能存儲(chǔ)在應(yīng)用中的重要中介材料。 PCM 由于在熔化過程中具有較大的相變溫度范圍和熔化潛熱并且接近恒溫的特點(diǎn)已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。 石蠟類材料作為 PCM 中重要的一類，除了在熔化和凝固的相變過程中可以反復(fù)吸收和釋放大量熱能特性外，還具有無污染、無毒、常見廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，不同石蠟的熔點(diǎn)溫度跨度大、熔化潛熱很高，所以石蠟是各種 PCM 中最具有發(fā)展應(yīng)用前途的材料之一，因此石蠟類相變材料以優(yōu)良的熱、物理性能，吸引了越來越多的科研者的注意力。

　　太陽池儲(chǔ)熱層溫度一般在 50 ~ 70 ℃ ，如果在儲(chǔ)熱層添加熔點(diǎn)為 50 ~ 70 ℃ 的相變材料，那么當(dāng)溫度達(dá)到相變材料的熔點(diǎn)時(shí)，PCM 可以將熱量以熔化潛熱儲(chǔ)熱儲(chǔ)存起來;當(dāng)溫度低于熔點(diǎn)時(shí)，又可以凝固放出熔化潛熱反饋儲(chǔ)熱層。 既能降低儲(chǔ)熱層的晝夜最大溫差，又能增加太陽池的蓄熱量。 這種方法有三個(gè)潛在的優(yōu)點(diǎn)：首先，它可以防止 LCZ 溫度過高而影響太陽池的穩(wěn)定性; 其次，在夜間沒有陽光或提熱時(shí)，相變材料開始凝固釋放出熱量可以減緩太陽池降溫程度，使太陽池溫度保持在一個(gè)較高的水平內(nèi)，對(duì)太陽池穩(wěn)定性的維持有一定的積極意義;第三，在相同的條件下，理論可以在 PCM 相變溫度范圍內(nèi)提取更多的 熱 能， 這 對(duì) 太 陽 池 應(yīng) 用 于 實(shí) 際 拓 寬 了道路。

　　近年來，國(guó)內(nèi)外研究者開始關(guān)注將石蠟類相變蓄熱材料應(yīng)用于太陽池，以加強(qiáng)太陽池的熱性能和穩(wěn)定性。 石蠟雖然已被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但石蠟自身仍存在著一個(gè)弊端———導(dǎo)熱系數(shù)低(約為 0. 2 W / m·K)，導(dǎo)致儲(chǔ)能熱力系統(tǒng)在吸熱或放熱過程中熱利用率較低，熱量無法快速有效地存儲(chǔ)和釋放，所以單單石蠟一種材料并不能用于設(shè)計(jì)一個(gè)有效的熱能存儲(chǔ)設(shè)備。 在使用石蠟時(shí)就如何提高導(dǎo)熱系數(shù)的問題并不能得到很好的解決，為了提高石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)，人們?cè)谑炛刑砑硬煌愋图{米石墨等材料，在微觀上改變石蠟相變材料樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。 利用超聲波法和一些機(jī)械工藝等手段制備復(fù)合相變材料樣品，雖然在制備過程耗時(shí)耗材較大，但得到的效果卻很明顯，而且復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著納米石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。 由于相變材料在太陽池中的應(yīng)用研究是近來才引起人們的關(guān)注，故研究報(bào)告并不多見。 馬預(yù)譜、胡錦炎等人[4] 也通過實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試封裝純石蠟、封裝石蠟的同時(shí)加裝平行鋁翅片、將石蠟填充到泡沫金屬銅三組散熱器的熱源溫度上升曲線，對(duì)比研究了鋁翅片和泡沫金屬銅對(duì)石蠟的儲(chǔ)熱性能和儲(chǔ)熱密度的綜合影響。

　　由于相變材料在太陽池中的應(yīng)用研究是近來才引起人們的關(guān)注，故研究報(bào)告并不多見。 PCMs 的選擇大多采用石蠟類材料，也有采用水合物類相變材料作為研究對(duì)象，如 M. Ines 等人研究了一種小型太陽池在太陽模擬器中照射加熱情況下的熱行為，討論了模擬器譜對(duì)太陽池溫度分布及熱性能的影響，還重點(diǎn)研究了相變材料(PCM)性能的評(píng)估。 P. Sarathkumar 等人采用 Al2O3 納米粒子與相變材料混合封裝到銅管中，添加到太陽池LCZ 中，以克服石蠟導(dǎo)熱性能差的問題，石蠟具有良好的吸熱能力，Al2O3 納米粒子具有良好的導(dǎo)熱性能，通過引入 Al2O3 納米粒子，可以大大縮短太陽池的充放熱時(shí)間，提高在 LCZ 中的傳熱速率，有利于熱量提取。

　　2 結(jié)束語

　　在太陽池中引入相變蓄熱材料有效增加太陽池的熱性能，一定溫度范圍內(nèi)，有利于梯度層的穩(wěn)定性。 目前的研究趨勢(shì)主要體現(xiàn)在 3 個(gè)方面：① 將石蠟作為熱能存儲(chǔ)介質(zhì)放入鹽度梯度太陽池系統(tǒng)中，研究表明：石蠟可以輔助太陽池降低溫差，使太陽池具有較好的熱穩(wěn)定性且具有更強(qiáng)的抗熱穩(wěn)定性和抗環(huán)境干擾性。 ②將水合物類相變材料作為研究對(duì)象加入鹽梯度太陽池中，研究表明：添加 PCM 的太陽池可以同時(shí)收集和儲(chǔ)存太陽能，也可以作為家用熱水源。 ③以石蠟為基礎(chǔ)，在石蠟中添加不同類型的納米石墨、混合 5% 的細(xì)鋁線、鋁翅片和泡沫金屬銅、Al2O3 納米粒子、CuO 納米粒子、不銹鋼絲等材料組成的復(fù)合相變蓄熱材料，加入鹽梯度太陽池中，研究表明：在石蠟中添加不同種類的材料可以在微觀上改變石蠟相變材料樣品的導(dǎo)熱系數(shù)并使其增大，而且導(dǎo)熱率的增加提高了石蠟在 LCZ 中的傳熱速率，明顯增強(qiáng)了石蠟的換熱性能。 復(fù)合相變材料的研究克服了石蠟導(dǎo)熱性能差的問題，有利于提高鹽梯度太陽池的儲(chǔ)熱性能及熱提取。