王花蕾

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 咸陽(yáng) 712100)

環(huán)境污染和能源緊缺是目前社會(huì)發(fā)展中所遇到的突出問(wèn)題，早在20世紀(jì)傳統(tǒng)的化石能源已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)緊缺，同時(shí)化石燃料燃燒所產(chǎn)生的污染問(wèn)題也成為一大問(wèn)題，因此對(duì)于清潔的可再生能源的探索一直沒(méi)有停歇[1-2]。充分利用太陽(yáng)能無(wú)疑是解決能源匱乏和污染的最優(yōu)選擇。有數(shù)據(jù)顯示，每年太陽(yáng)輻照在我國(guó)土地面上的太陽(yáng)能相當(dāng)于2.5萬(wàn)億t標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于我國(guó)能源年總消耗量的400多倍，那么如何有效存儲(chǔ)和利用太陽(yáng)能是擺在研究者面前的首要問(wèn)題[3-4]。目前對(duì)于太陽(yáng)能的利用主要包括兩種方式——光伏發(fā)電和光熱發(fā)電。光伏發(fā)電主要利用硅材料在太陽(yáng)輻照下電子的定向移動(dòng)產(chǎn)生電流，光熱則利用熱存儲(chǔ)材料將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能在進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化和釋放。相比于光伏存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)，光熱存儲(chǔ)其制造成本更低且熱量的存取更加穩(wěn)定，因此在多個(gè)領(lǐng)域擁有更大的發(fā)展空間[5]。

儲(chǔ)熱材料是太陽(yáng)能熱存儲(chǔ)中最基礎(chǔ)和最重要的部分，熱存儲(chǔ)材料的性能直接影響了太陽(yáng)能的熱利用率和二次轉(zhuǎn)化的效率[6]。儲(chǔ)熱材料一般可以分為兩類(lèi)顯熱儲(chǔ)熱和潛熱儲(chǔ)熱，本文主要對(duì)顯熱儲(chǔ)熱材料中的混凝土儲(chǔ)熱材料進(jìn)行綜述，對(duì)目前儲(chǔ)熱混凝土的性能指標(biāo)、存在問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行詳盡概述，從而為儲(chǔ)熱混凝土的研究和應(yīng)用方向提供一定的參考和借鑒。

1 儲(chǔ)熱材料的概述及分類(lèi)

所謂的儲(chǔ)熱材料相當(dāng)于一個(gè)能量收集和轉(zhuǎn)化器，在太陽(yáng)光充足時(shí)儲(chǔ)熱材料可以吸收能量進(jìn)行有效存儲(chǔ)，而當(dāng)光線(xiàn)不足時(shí)存儲(chǔ)的熱量將會(huì)緩緩釋放，儲(chǔ)熱材料不僅通過(guò)金屬導(dǎo)管進(jìn)行熱量的傳遞，用于建筑材料或裝飾材料可以實(shí)現(xiàn)保溫防霉除濕等作用。一般來(lái)說(shuō)儲(chǔ)熱材料可以分為三類(lèi)：顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱、化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱，具體細(xì)分類(lèi)圖如圖1所示[7-8]。在儲(chǔ)熱材料中目前較為成熟的為顯熱儲(chǔ)熱材料，顯熱儲(chǔ)熱材料又可分為固體顯熱材料和液體顯熱材料，其中固體顯熱材料高溫混凝土因其廉價(jià)、性能優(yōu)良、制備工藝簡(jiǎn)單具有大規(guī)模應(yīng)用的前景，但依然存在很多問(wèn)題如易開(kāi)裂、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容較低等缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。

圖1 儲(chǔ)熱材料分類(lèi)

2 混凝土儲(chǔ)熱材料的性能指標(biāo)

作為混凝土儲(chǔ)熱材料要滿(mǎn)足應(yīng)用的話(huà)需要滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件[9]：

(1)儲(chǔ)熱材料的密度要大，同時(shí)材料本身的比熱容和相變潛熱要大，以此滿(mǎn)足材料高效儲(chǔ)熱的要求；

(2)材料的導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)越大材料的熱傳遞速度也就越快，因此傳熱過(guò)程中熱量損耗也就越低；

(3)在滿(mǎn)足上述兩個(gè)條件之上，作為儲(chǔ)熱混凝土其材料的穩(wěn)定性、耐酸、耐堿性及耐高溫都是評(píng)價(jià)其儲(chǔ)熱綜合性能的指標(biāo)。

目前來(lái)說(shuō)對(duì)于儲(chǔ)熱混凝土的研究也都是基于上述三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)。

3 儲(chǔ)熱混凝土的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2006年，德國(guó)的航空航天研究中心對(duì)鑄鐵陶瓷和高溫混凝土；兩種固體儲(chǔ)熱材料在350 ℃高溫條件下的性能進(jìn)行了綜合對(duì)比，見(jiàn)表1。相比較而言?xún)煞N材料都具有較高的高溫穩(wěn)定性，混凝土的強(qiáng)度略高于鑄造陶瓷，但是其比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)還是較低，因此當(dāng)時(shí)德國(guó)研究中心認(rèn)為混凝土儲(chǔ)熱材料還無(wú)法直接用于實(shí)際應(yīng)用[10]。

表1 鑄造陶瓷和高溫混凝土性能對(duì)比

我國(guó)科學(xué)家郭成州[11]采用石墨烯摻雜的方式以此提升混凝土的導(dǎo)熱能力，并系統(tǒng)研究了不同摻雜比例對(duì)于混凝土力學(xué)性能、比熱容等的影響并確定了石墨烯的最佳摻雜比例為5%。

Laing D等人[12]對(duì)儲(chǔ)熱混凝土系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)熱系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性通過(guò)烘箱試驗(yàn)和500 ℃高溫測(cè)試。同時(shí)該模塊在200～400 ℃可運(yùn)行23個(gè)月以上，熱循環(huán)超過(guò)370次以上。圖2所示為其研發(fā)的儲(chǔ)熱裝置實(shí)物圖。

圖2 成品測(cè)試模塊(無(wú)保溫)

何百靈等人[13]研發(fā)一種新型混凝土可用于太陽(yáng)能儲(chǔ)熱設(shè)備，通過(guò)摻雜改性其混凝土表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能。

Rui W等人[14]將蓄熱骨料的加入到混凝土中。并系統(tǒng)研究了其各項(xiàng)物性參數(shù)變化按，摻入80%蓄熱骨料的混凝土抗壓強(qiáng)度大于18 MPa。蓄熱集料的加入顯著改善了試驗(yàn)室在冷熱環(huán)境下的溫度波動(dòng)。因此，研制的蓄熱集料混凝土在惡劣氣候條件下對(duì)提高建筑物的熱舒適性具有很大的潛力。

Hong GiKima等人[15]以脂肪酸、硅藻土和陶粒為原料制備了蓄熱團(tuán)聚體，該蓄熱團(tuán)聚體降低了早期溫升速率和峰值,室溫波動(dòng)降低了5.94 ℃。

4 儲(chǔ)熱混凝土研究展望及總結(jié)

儲(chǔ)熱混凝土是目前非常具有應(yīng)用前景的太陽(yáng)能儲(chǔ)能材料，尤其是其表現(xiàn)出低成本和高溫穩(wěn)定性是其他材料難以比擬的。從混凝土儲(chǔ)熱材料未來(lái)發(fā)展來(lái)看，如何提高其熱能的轉(zhuǎn)化效率。是后續(xù)研究所需要著重考慮的地方，只有解決了這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，混凝土儲(chǔ)熱材料才會(huì)真正地得到普及和應(yīng)用。