相變蓄熱材料應用于鹽梯度太陽池的研究進展

　　摘 要:傳統(tǒng)鹽梯度太陽池(以下簡稱太陽池)利用鹽水的顯熱蓄熱,導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,容易導致梯度層失去穩(wěn)定性。 石蠟等低溫相變蓄熱材料應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。

　　關鍵詞:鹽梯度太陽池;相變材料;熱性能;研究進展

　　馬曉蒙王華張劉鋼等-《應用能源技術》2021年12期

　　鹽梯度太陽池是一個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致的熱對流，致使到達到其底部的太陽能只能通過較厚的梯度層以導熱的形式損失到環(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行的最基本保障[1] 。 太陽池一般由三層構成： 上對流層 ( UCZ： Upper Convection Zone)由淡水或者淡鹽水構成;非對流層(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熱的形式傳遞;下對流層(LCZ：Lower Convetion Zone)是由濃度均勻的濃鹽水構成，鹽度在 20% ~ 30% 之間，該層鹽水密度均勻有對流發(fā)生，同時LCZ 吸收了太陽輻射能并將其儲存下來，因此又稱為儲熱層。 我國學者徐河、李申生等早在上世紀 80 - 90 年代就在此領域開展研究[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合，取得了顯著成果[3] 。

　　1 相變材料在鹽梯度太陽池中應用的研究現(xiàn)狀

　　太陽池是一種能夠儲存大容量低溫熱能的太陽能熱利用形式。 能量的儲存，尤其是熱能儲存在可再生能源的利用中起著重要的作用。 相變材料(PCM)是熱能存儲在應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已經(jīng)引起了人們的廣泛關注。 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吸收和釋放大量熱能特性外，還具有無污染、無毒、常見廉價的優(yōu)點，不同石蠟的熔點溫度跨度大、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。

　　太陽池儲熱層溫度一般在 50 ~ 70 ℃ ，如果在儲熱層添加熔點為 50 ~ 70 ℃ 的相變材料，那么當溫度達到相變材料的熔點時，PCM 可以將熱量以熔化潛熱儲熱儲存起來;當溫度低于熔點時，又可以凝固放出熔化潛熱反饋儲熱層。 既能降低儲熱層的晝夜最大溫差，又能增加太陽池的蓄熱量。 這種方法有三個潛在的優(yōu)點：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，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較高的水平內(nèi)，對太陽池穩(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 太 陽 池 應 用 于 實 際 拓 寬 了道路。

　　近年來，國內(nèi)外研究者開始關注將石蠟類相變蓄熱材料應用于太陽池，以加強太陽池的熱性能和穩(wěn)定性。 石蠟雖然已被應用于各個領域，但石蠟自身仍存在著一個弊端———導熱系數(shù)低(約為 0. 2 W / m·K)，導致儲能熱力系統(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和釋放，所以單單石蠟一種材料并不能用于設計一個有效的熱能存儲設備。 在使用石蠟時就如何提高導熱系數(shù)的問題并不能得到很好的解決，為了提高石蠟的導熱系數(shù)，人們在石蠟中添加不同類型納米石墨等材料，在微觀上改變石蠟相變材料樣品的導熱系數(shù)。 利用超聲波法和一些機械工藝等手段制備復合相變材料樣品，雖然在制備過程耗時耗材較大，但得到的效果卻很明顯，而且復合相變材料的導熱系數(shù)隨著納米石墨質(zhì)量分數(shù)的增大而增大。 由于相變材料在太陽池中的應用研究是近來才引起人們的關注，故研究報告并不多見。 馬預譜、胡錦炎等人[4] 也通過實驗分別測試封裝純石蠟、封裝石蠟的同時加裝平行鋁翅片、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，對比研究了鋁翅片和泡沫金屬銅對石蠟的儲熱性能和儲熱密度的綜合影響。

　　由于相變材料在太陽池中的應用研究是近來才引起人們的關注，故研究報告并不多見。 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，討論了模擬器譜對太陽池溫度分布及熱性能的影響，還重點研究了相變材料(PCM)性能的評估。 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間，提高在 LCZ 中的傳熱速率，有利于熱量提取。

　　2 結束語

　　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。 目前的研究趨勢主要體現(xiàn)在 3 個方面：① 將石蠟作為熱能存儲介質(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 的太陽池可以同時收集和儲存太陽能，也可以作為家用熱水源。 ③以石蠟為基礎，在石蠟中添加不同類型的納米石墨、混合 5% 的細鋁線、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熱系數(shù)并使其增大，而且導熱率的增加提高了石蠟在 LCZ 中的傳熱速率，明顯增強了石蠟的換熱性能。 復合相變材料的研究克服了石蠟導熱性能差的問題，有利于提高鹽梯度太陽池的儲熱性能及熱提取。