鄧潔

(青海中科新能源檢測中心有限公司，青海西寧810000)

金屬相變材料在太陽能發(fā)電中的應用

鄧潔

(青海中科新能源檢測中心有限公司，青海西寧810000)

主要對金屬相變材料在太陽能發(fā)電中應用形式進行探究，通過總結(jié)金屬相變材料性能參數(shù)、各類材料熱物性的測量方法，對金屬相變材料在太陽能發(fā)電中的具體應用進行探究。并提出了著重解決金屬基相變材料的密封問題這一觀點，希望其將會獲得更為廣闊的應用空間。

金屬相變材料;熱物性;相容性;太陽能發(fā)電

金屬相變材料因為具有儲熱密度高、熱穩(wěn)定性能優(yōu)良以及熱傳導效率較高等特點，在太陽能這類潛熱熱能儲存系統(tǒng)中獲得了較大的應用空間［1］。其憑借熱物性與相容性優(yōu)勢，推動了熱能儲存技術研制與應用進程，在維持溫度與提供能量，緩解我國資源供不應求現(xiàn)狀上做出不可磨滅的貢獻［2］。基于此，本文對金屬相變材料在太陽能發(fā)電中的應用做出具體的論述。

1 金屬相變材料

金屬相變材料可以被視為潛熱熱能儲存系統(tǒng)的中心。按照材料的化學成分去分類，可以將相變材料分為無機、有機、復合與金屬基相變材料。金屬基相變材料是以金屬、鋁合金為主體的相變材料，具有儲能密度大、熔化時體積縮小、熱穩(wěn)定性能相對良好的屬性，與無機、有機相變材料相比較，金屬相變材料的熱導率是其幾百倍，相變時過冷度與相偏析均處于較低水平、性價比優(yōu)良、蒸汽壓力相對較低，因此金屬相變材料在潛熱熱能儲存系統(tǒng)中有極為寬闊的應用空間。

2 淺談金屬基相變材料的重要性能

熱性能:主要體現(xiàn)在對其操作溫度為其熔點值、熔化潛熱密度相對較高、比熱容高、熔融具有一致性特點。

物理性能:相均衡性優(yōu)良;蒸氣壓值相對較低、密度較高、相變進程中容積縮小程度微弱化。

動力性能:不產(chǎn)生過冷現(xiàn)象、晶體凝結(jié)迅速。

化學性能:穩(wěn)定性優(yōu)良、不易被分解、無相分離、無毒性與腐蝕性、不容易燃燒、清潔性。

技術性能:操作程序簡單、應用廣泛且適用性強、包容性與緊湊度高、高效性。

經(jīng)濟性能:工業(yè)效用性、造價成本低廉性。

3 金屬相變材料熱物的測量方法研究

金屬相變儲能材料的熱物性可以被視為權衡其質(zhì)量的標桿，也是其運用體系規(guī)劃建設自己性質(zhì)審核的憑據(jù)，所以深入對金屬相變材料的熱物性進行探究是極為必要的。金屬相變材料的熱物性通常包括以下幾種類型，即熱導率、比熱容、膨脹系數(shù)、相變潛熱以及相變溫度。對相變溫度以及相變潛熱測量的方式方法是多樣化的，以下本文展開具體論述。

一般卡計法(DC)在應用之時，需要測量出4個定點的溫度值，首先把測試熔點用Tm表示，繼而分別對樣品在溫度低于Tm的T1環(huán)境與高于Tm的T2、T3環(huán)境中做3次度量測試，進而借助每一次的焓值計算出金屬相變材料的熔解熱。一般卡計方法應用原理相對簡潔化，但測量時間相對較長，且精準度得不到保障。

差熱分析法(DAT)是在熱分析方法領域中應用極為頻繁的一類分析方法。應用該方法測量金屬相變材料熱物性時原理可以總結(jié)為:在預設流程的管控下，將物質(zhì)、參比物的溫度分別測量出來，通過計算溫度差值以及分析溫度關系確定材料的熱物性。繪制出的差熱分析曲線解說的是試品與參比物之間的溫差與環(huán)境溫度或者是時間之間存在的關系。在差熱分析實驗進程中，試品溫度變化與相變、吸熱或放熱反應有關的。在測量過程中，試品與參比物加熱或冷卻條件始終一致，但由于兩者比熱容不同，所以溫度升高或降低幅度存在差異性。該方法測量的是溫差，所以很多外界因素會干擾曲線形態(tài)，因此在金屬相變材料熱物性定量分析上存在較大難度系數(shù)。

4 金屬相變材料在太陽能發(fā)電中的應用研究

在20世紀90年代，國內(nèi)學者對金屬相變材料進行相關研究，取得一定成果。例如黃志光等人［3］對Al-Si、Al-Si-Mg與Zn力合金、Al基合金的物熱性進行測定，得出了把金屬合金作為高溫相變儲能材料，達到太陽能的高溫儲能與應用目標。

陳正榮等人［4］為了驗證金屬相變材料高效率儲存與利用太陽能這一結(jié)論，對3種Al基合金(Al-Si合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金)與2種Zn基合金(Zn-Al1合金與ZnAl2合金)進行研究。研究證明，當某地區(qū)太陽能輻射強度為1．2～1．3 kW/m2時，結(jié)合金屬相變材料的熱物性與造價成本情況，最適合材料為Al-Si合金，該合金相變溫度為576℃，使用之時最高溫度為800℃;若地域太陽能輻射強度為0．8～0．9 kW/m2，最適合合金材料為Zn-Al2，該類型合金相變溫度為427℃，應用時最高溫度大約為600℃。

太陽能作為規(guī)模較大的能源儲備庫，具有清潔性、取材快捷性等特征。尤其是對于甘肅、青海、西藏這些高山區(qū)域，太陽能輻射強度相對較大，但是其他類型能源相對匱乏，因此對太陽能這一可再生資源進行有效應用是極為必要的。在高山地區(qū)，抵達地球表面的太陽能輻射能量密度處于較低水平。并且在地理要素、晝夜溫差、氣候特征、季節(jié)變化規(guī)律等不穩(wěn)定性因素的干擾下，太陽能輻射強度無規(guī)律變化，稀薄、間斷、波動這是其主要特征，所以金屬相變材料對太陽能量的吸收存在不連貫性特點。

現(xiàn)階段，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)大體上以兩種形態(tài)存在，一是塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng);二是線性聚光式太陽能發(fā)電系統(tǒng)。當前，高溫熔鹽被設置為太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的主要儲能載體，但是通常應用的為顯熱儲能形，熱能儲存密度相對較低。Hoshi等人［5］認為金屬相變材料因為具有低蒸汽壓與熱導率良好的特性，與高溫熔鹽相比較，更適合作為儲熱載體的選擇對象。此外，站在資源利用效率視域分析，金屬熔點值相對較高，儲能級別也處于較高水平，正因如此，其在強化太陽能轉(zhuǎn)換效率方面發(fā)揮出巨大的實效性。

張寅平等人［6］曾對Al-Si合金的儲熱性能進行研究，發(fā)現(xiàn)Al-12Si與Al-20Si的熔化溫度、熔化潛熱值分別為575℃、585℃與560 kJ/kg、460 kJ/kg。而基于Au-12Si的相變潛能為Al-20Si的一倍有余，且其相變溫度處于較低水平，所以通常情況下會選擇Al-12Si作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的儲熱載體。

鄒向等人［7］對Al-13Si合金相變材料的儲熱性能進行探究，研究結(jié)果表明，Al-13Si合金基于相變潛熱相對較大、熔點適宜(熔點為575℃)以及性能平穩(wěn)的優(yōu)勢，因此其可以作為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的一種較為理想中高溫相變儲熱材料。

目前，鋁基合金儲熱材料在電力調(diào)峰、民用電熱器產(chǎn)品的研制與余熱應用等方面已經(jīng)投入使用，雖然在太陽能高溫儲能運用方面也曾做過一些實驗探究，但是若具體到太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)上，其研究次數(shù)是極為微小的。張仁元等人［8］曾構建了一種基于鋁基合金為儲熱材質(zhì)，匯聚吸收熱能、儲存熱能與釋放蒸汽等特性的金屬相變儲熱蒸汽鍋爐。

因為該鍋爐設備內(nèi)壁涂抹了具有選擇性吸收的涂料，所以一旦太陽光被反射到吸熱壁表層時，形成的高溫效應加速了金屬儲熱材質(zhì)熔化的進程。此過程中被吸收的熱量有些借助熱傳導方式，傳遞給水，使其沸騰，形成的蒸汽為太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電環(huán)節(jié)供應能量;其余的熱量則會被集中儲存下來，為系統(tǒng)夜間發(fā)電環(huán)節(jié)奠定基礎，保障了太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)作業(yè)的連貫性與高效性。該金屬相變儲熱蒸汽鍋爐作業(yè)溫度一般維持在360～600℃之間，熱效率也在95%上下波動，但其波動幅度一般不會大于3%，對于塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)而言，該裝置具有良好的適應性。

李輝鵬等人［9］對Al-Si共晶合金容器材質(zhì)的相容性采用了盛裝儲熱的研究方法。研究結(jié)果證明:在溫度低于620℃的情況下，與316不銹鋼的抗熔融Al-Si合金液腐蝕性能相比較，SiC在被選用為容器材質(zhì)方面有更大的可能性。在研究過程中，李輝鵬等人還發(fā)現(xiàn)熔融Al-Si合金液不能放置于石墨容器內(nèi)。并且經(jīng)歷了240次高溫性、重復性測試以后，SiC的樣品大體與原樣相同，未被腐蝕、破壞，可見SiC變相材料穩(wěn)定性能強，適用于高溫太陽能儲熱系統(tǒng)內(nèi)。

程曉敏等人［10］對Al-7合金、Al-7Si-4Cu合金與Al-33Cu合金開展了差熱掃描分析工作，獲得了每種合金相變材料的熔化潛熱與熔化溫度。與此同時還對Al-Si-Cu-Mg-Zn等20種元素組成的高溫合金相變儲熱材質(zhì)進行深度研究，驚奇的發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)金屬相變材料的儲熱值大于200 J/g。其中，Al-Si合金儲熱材質(zhì)的單位質(zhì)量儲熱數(shù)值處于相對較高水平;Al-Cu-Zn合金儲熱材質(zhì)單位容積儲熱量相對較高;Mg-Zn在壓縮相變溫度值方面體現(xiàn)出優(yōu)越性，其在擴張儲熱溫度范疇方面能夠做出巨大貢獻。

5 探究金屬相變材料的改進

5．1強化對金屬相變材料封裝力度

在20世紀80年代初期，Ouden就提出了封裝是提升金屬相變材料熱交換速率的有效手段，這主要是由于封裝以后的材質(zhì)能夠與熱流體緊密接觸。隨著實驗研究工作的不斷進行，膠囊被驗證為強化相變材料封裝質(zhì)量的最佳系統(tǒng)。但是，對于金屬基相變儲能材料而言，能起到阻斷與防止液體外流的容器材質(zhì)數(shù)量極為少，所以對強化金屬基相變儲能材料封裝質(zhì)量的研究工作是任重道遠的，一旦實現(xiàn)對金屬相變材料熱能傳遞、運輸?shù)冗^程是極為有利的，具體是指維護了金屬相變材料的完整性。

5．2鋁基合金儲熱材料

為了更深層次的優(yōu)化鋁基合金儲熱材料性能，適度降低其相變溫度、強化其抗腐蝕性能是極為必要的。為了落實上述目標，研制儲熱性能優(yōu)良的多元化鋁基合金儲熱材質(zhì)是極為有效的對策。與此同時，積極探尋多元鋁基合金儲熱材質(zhì)的元素構成、微觀構造儲熱性能之間的聯(lián)系也是不容忽視的環(huán)節(jié)，為優(yōu)質(zhì)型儲熱材質(zhì)體系的構建奠定基礎。

將某些陶瓷材料優(yōu)質(zhì)的抗鋁液腐蝕性能導入進儲熱材料體系構建中，Al2O3陶瓷內(nèi)襯復合鋼管設置為鋁基合金儲熱容器材質(zhì)，在此基礎上落實金屬—陶瓷復合相變儲熱材料與儲熱系統(tǒng)的基礎性理論與實踐研究工作內(nèi)容。

現(xiàn)階段，液態(tài)腐蝕性是鋁基合金儲熱材料在投入使用中迫切需要解決的問題，很多耐熱腐蝕性能甚至不如碳鋼，這主要是因為鋁與銅、鎂、鋅等金屬共同組建了熔點相對較低的共晶體，此時，耐熱腐蝕性合金中的部分材質(zhì)會被溶解消除。因此，在未來的實驗研究中，應該積極探索降低鋁基合金儲熱材料液態(tài)腐蝕性能，達到降低其與儲熱容器反應幾率的目標，拓寬其在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中應用空間。

6 結(jié)語

金屬相變材料憑借其儲能密度大、品質(zhì)高、熱交換效率強、儲熱溫度高等眾多特性，在太陽熱發(fā)電環(huán)節(jié)具有廣泛性應用。為了達到提高金屬相變儲熱材料應用效率這一目標，積極研發(fā)熱控技術、落實封裝工作，改善相變溫度均是極為可行的對策，為金屬相變材料的可持續(xù)發(fā)展鋪路墊石。

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An Application in Solar Power of Metal Phase Change Materials

DENG Jie
(Zhongke New Energy Testing Center Co．Ltd．，Xining，Qinghai 810000，China)

The article mainly discusses about the forms of metal phase change materials(PCM)used in solar power，through summarizing performance parameters of phase change materials．It covers all kinds of metal material thermal physical property measurement methods and the metal phase change materials to explore in the application of solar power．The author puts forward the metal base of phase change materials to solve sealing problem，hoping it will be a broader application space．

Metal PCM;Thermal physical property;Compatibility;Solar power generation

TM615;TB34

B

10．14101/j．cnki．issn．1002－4336．2017．01．029

2016－12－26

國家自然科學基金項目(51174196)

鄧潔(1984－)，女，河北高陽人，中級工程師，研究方向:太陽能發(fā)電，手機:15810189492，E-mail:2205478165@qq．com．