利用沙漠砂制備太陽能蓄熱材料的分析

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1、武漢理工大學(xué)碩七學(xué)位論文第1章緒論1．1課題研究的目的和意義當(dāng)代社會的快速發(fā)展消耗了大量能源，然而伴隨著化石燃料的枯竭，能源的缺乏成為了制約人類生存和發(fā)展的一大瓶頸，開發(fā)和利用新能源迫在眉睫。太陽能、風(fēng)能、氫能作為重要的新能源，具有取之不盡、用之不竭的優(yōu)點(diǎn)，而太陽能發(fā)電作為一種清潔無污染的能源利用方式，已經(jīng)引起了全世界科研工作者的廣泛關(guān)注【MJ。太陽能發(fā)電的方式主要包括兩種，即太陽能熱發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電。太陽能的間歇性和不穩(wěn)定性限制了光伏發(fā)電的應(yīng)用，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)針對太陽能間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)專門設(shè)計(jì)了蓄熱子系統(tǒng)，可以在光照正常時將

2、熱量儲存起來，在夜間或光照不足時保證熱量供給，通過熱．功．電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，繼續(xù)帶動汽輪機(jī)正常發(fā)電，保證電站連續(xù)、穩(wěn)定工作【4l。在太陽能熱發(fā)電中使用高效的蓄熱材料，可以提高太陽能的利用率，降低使用成本，對于太陽能熱發(fā)電技術(shù)具有重要意義。我國不僅面臨著嚴(yán)峻的能源問題，還面臨著嚴(yán)重的土地沙漠化等生態(tài)環(huán)境問題，目前全國沙漠面積高達(dá)64萬平方千米，然而沙漠地區(qū)具有日照時間長，太陽能資源豐富的優(yōu)勢，如果就地取材利用沙漠砂制備太陽能蓄熱材料，在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)保護(hù)和太陽能利用共同發(fā)展15】。蓄熱材料分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱及潛熱一顯熱復(fù)合蓄熱

3、三種，復(fù)合蓄熱材料利用相變材料在相變過程中的潛熱蓄熱以及顯熱基體材料顯熱蓄熱相結(jié)合的方式進(jìn)行蓄熱。傳統(tǒng)的復(fù)合蓄熱材料中相變材料必須要用專門的容器封裝，從而導(dǎo)致傳熱介質(zhì)熱阻增加，降低了輸熱效率，且容易產(chǎn)生過冷、分相和容器老化等問題16J?；谀壳八捎玫男顭岵牧系牟蛔悖瑫r為了對沙漠資源的加以有效利用，本研究擬以沙漠砂為主要原料設(shè)計(jì)制備出滿足太陽能熱發(fā)電蓄熱材料要求的沙漠砂質(zhì)復(fù)相蓄熱陶瓷。擬設(shè)計(jì)“Ca．A1．Si系”蜂窩陶瓷材料，通過調(diào)整配方組成、控制制備工藝，確保樣品中Si02以鱗石英的晶型存在，以提高材料的抗熱震性。并采用擠出成型工藝制

4、備出沙漠砂質(zhì)蜂窩陶瓷，利用高溫瞬間熔融封裝技術(shù)將PCM以一定的封裝方式封裝在其蜂窩陶瓷的空洞中，制備出具有高蓄熱密度、武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文較高強(qiáng)度及優(yōu)異抗熱震性能的潛熱一顯熱復(fù)合蓄熱蜂窩陶瓷，作為蓄熱材料用于太陽能熱發(fā)電蓄熱子系統(tǒng)。同時設(shè)計(jì)與此蓄熱材料相適應(yīng)的熱阻較低、傳熱效率較高的太陽能蓄熱單元裝置，真正實(shí)現(xiàn)就地取材，變廢為寶，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展。1．2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1．2．1蓄熱材料的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀太陽能蓄熱技術(shù)是太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，是熱發(fā)電系統(tǒng)容量緩沖、年利用率提高和發(fā)電站成本降低的重要保證。欲使太陽能熱發(fā)電成功

5、市場化，作為核心的蓄熱材料的研究必不可少。蓄熱材料按照其蓄熱方式的不同，可以分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱及熱化學(xué)蓄熱三種。1．2．1．1顯熱蓄熱顯熱蓄熱主要是利用材料升溫吸熱、降溫放熱實(shí)現(xiàn)材料的蓄熱與放熱，具有原理簡單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，也應(yīng)用最為廣泛。目前最為常見顯熱蓄熱材料主要有高性能水泥混凝土、水、卵石、巖土、低成本蜂窩陶瓷、泡沫陶瓷、多孔陶瓷球、耐熱纖維及隔熱保溫材料等，但是由于其蓄熱密度低、儲存時間短、占地面積大等缺點(diǎn)，使顯熱材料的發(fā)展空間受到了限制【瑚】。1．2．1．2熱化學(xué)蓄熱熱化學(xué)蓄熱是通過化學(xué)反應(yīng)的可逆反應(yīng)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換

6、，從而達(dá)到吸熱蓄熱并放熱的作用。典型的熱化學(xué)蓄熱體系有：(1)CaO—H20體系：主要是利用氫氧化鈣可逆分解反應(yīng)Ca(OH)，一CaO+H，O(2)MgO．H20體系：利用氫氧化鎂的可逆分解反應(yīng)Mg(OH)，一Mgo+H：O(3)H2S04-H20體系。美國Brown[9】等人曾利用氫氧化鈣進(jìn)行蓄熱試驗(yàn)研究，但成本過于高昂。與顯熱蓄熱相比，熱化學(xué)蓄熱蓄熱密度高，清潔無污染，但是對設(shè)備的安全性要求高，技術(shù)難度大、投資也大，要想進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用，還需要解決很多的技術(shù)難題。2武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文1．2．1．3潛熱蓄熱潛熱蓄熱主要是利用物質(zhì)在

7、凝固／熔化、凝結(jié)／氣化、凝華／升華以及其它形式的相變過程中需要吸收或放出相變潛熱的原理進(jìn)行蓄熱，所以又稱為相變蓄熱。相變蓄熱分為固一氣相變，液．氣相變，固．液相變，固．固相變四種。液一氣相變材料及固一氣相變材料相對來說是四者中間潛熱較大的材料，但是同樣的它們在相變過程中產(chǎn)生的體積變化非常大，限制了其應(yīng)用，最近十年的國內(nèi)外研究中很少涉及到這兩種蓄熱材料的研究，特別是固．氣相變材料鮮見報(bào)道，液一氣相變也只主要應(yīng)用在核反應(yīng)領(lǐng)域。固一固相變通過同一種物相不同晶型或者形貌的轉(zhuǎn)變而實(shí)現(xiàn)吸熱、放熱，其潛熱適中，體積變化小，且不產(chǎn)生液相，沒有體積膨脹，腐

8、蝕性小，研究較多的固．固相變材料有高密度聚乙烯、層狀鈣鈦礦、多元醇等。2006年，湘潭大學(xué)粟勁蒼和劉鵬【10】生合成并研究一種新型的具有聚氨酯聚合物結(jié)構(gòu)的固一固相變蓄熱材料。2009年吉林大學(xué)