熔盐储热材料比热容强化的研究进展

强化熔盐材料比热容可以有效增强熔盐材料的蓄热能力，减小蓄热系统面积及热损失，进而降低蓄热成本，是近年来中高温储能领域的研究热点。本文主要从熔盐储热材料比热容强化的必要性、强化方法和强化机理等方面综述了近年来熔盐传热蓄热材料比热容强化的研究进展。具体阐述了添加可溶性添加剂和掺杂异质纳米颗粒形成纳米流体两种强化熔盐比热容的方法及目前存在的问题，重点探讨了熔盐纳米流体的制备方法、异质纳米颗粒体系、强化效果及比热容强化机理等问题。此外，指出了当前利用纳米流体强化熔盐储热材料比热容方面存在的不足：研究体系单一、悬浮稳定性差和比热容强化机理不完善等，并对熔盐纳米流体的未来发展方向，即多体系熔盐纳米流体的开发，多手段比热容强化机理的揭示和多方法熔盐纳米流体物性的测量进行了展望。     

添加纳米MgO和SiO2颗粒对二元碳酸盐(Li2CO3-K2CO3)比热容的影响

熔盐作为一种新型传热工质,由于其液体使用范围宽,比热容相对较高,蓄热能力强,已被广泛应用于聚热太阳能电站的储热传热介质,而通过增强熔盐的比热容可以显著提高其储热密度。将纳米SiO₂和MgO颗粒分别均匀分散到二元共晶碳酸盐（Li₂CO₃-K₂CO₃）中,制备出两种稳定的纳米流体,采用差式扫描量热法（DSC）分析纳米颗粒对熔盐比热容的影响。实验结果显示,添加20 nm的纳米颗粒对碳酸盐的比热容有显著影响：通过添加纳米MgO和SiO₂颗粒,纳米熔盐比热容相比基盐分别平均提高了27.5%～34.1%,11%～20.7%。经过多个固-液循环后,测得两种纳米流体的比热容变化率均低于4.31%,且具有良好的热稳定性。采用电子扫描显微镜表征纳米流体的微观结构,纳米流体在固态时的SEM图像显示在熔盐表面形成了特殊的纳米结构。     

制备方法对纳米熔盐储热性能及形成机理的影响

纳米材料能够改善高温熔盐的传热储热性能,提升大规模储热系统的储热和热交换效率,但目前仍未找到纳米熔盐的高效大规模制备方法。为优选纳米熔盐的高效大规模制备方法,以二元混合盐为基盐,采用高温熔融法和水溶液法分别制备纳米熔盐,用差示扫描量热法、热重分析法和微观形貌分析法,研究制备方法对纳米熔盐显热和储热性能提升、微观结构的影响,探索纳米熔盐形成机理。结果表明,两种制备方法均在搅拌90 min时制备的纳米熔盐性能达到最优,且高温熔融法制备纳米熔盐的熔化潜热和比热容分别比水溶液法高2.6%和28.18%;两种方法制备纳米熔盐的熔点较小,但对纳米熔盐的微观形貌存在明显影响,云核的形成与结构影响着纳米熔盐的储热性能。相比水溶液法,高温熔融法工艺简单,过程能耗低,纳米熔盐储热性能更好,适用于纳米熔盐的大规模生产和工程应用。     

添加纳米SiO2对单组分及二元硝酸盐热物性的影响

熔盐作为相变材料,可以用作聚热太阳能电站中的储热介质,通过向基盐中添加不同比例的纳米材料可以显著增强熔盐的热物性。将20 nm的SiO₂纳米颗粒分别分散到硝酸钾、硝酸钠和solar salt （60% NaNO₃,40% KNO₃,均为质量分数）中制备成稳定的纳米流体,制备的每一种纳米流体都经过溶解、超生、干燥蒸发等过程。采用差式扫描量热法测量熔盐的比热容、熔化潜热、熔点等热物理性质,并采用激光闪射法对基盐和纳米熔盐的热扩散系数进行测量和分析。结果表明,SiO₂颗粒的添加对硝酸钠、硝酸钾和solar salt的熔化潜热、比热容和热导率等热物理性质有显著的影响。与基盐相比,solar salt、硝酸钾和硝酸钠在液态的比热容值分别增加了4.7%～15.89%、3.9%～33.5%、1.9%～11.86%;测得的热导率分别最大增加了17.16%、39.7%、9.5%。     

纳米SiO2粒子对低熔点混合硝酸盐热物性影响

为探究纳米粒子对低熔点混合硝酸盐热物性的影响规律,采用高温熔融分散法将平均粒径20 nm的SiO₂纳米粒子以1%（质量）比例直接分散到混合熔盐[Ca（NO₃）₂·4H₂O-KNO₃-NaNO₃-LiNO₃]中得到不同分散条件下的熔盐纳米复合材料。采用同步热分析仪（DSC）与激光闪射仪（LFA）测量熔盐纳米复合材料比热容与热扩散系数,进而得到热导率。分析发现,600 r/s搅拌速率下熔盐纳米复合材料热物性随分散时间（15,45,90,120和150 min）发生明显变化。比热容、热扩散系数和热导率在分散45 min时提高率最大,平均提高率分别为11.5%,12.9%和26.4%。扫描电镜（SEM）观察到熔盐纳米复合材料表面有大量特殊结构（类似于链状或条状）存在。这些具有高比表面积和表面自由能的特殊结构可能是熔盐纳米复合材料热物性提高的关键。     

添加纳米SiO_2对单组分及二元硝酸盐热物性的影响

熔盐作为相变材料,可以用作聚热太阳能电站中的储热介质,通过向基盐中添加不同比例的纳米材料可以显著增强熔盐的热物性。将20 nm的SiO_2纳米颗粒分别分散到硝酸钾、硝酸钠和solar salt (60%NaNO_3, 40%KNO_3,均为质量分数)中制备成稳定的纳米流体,制备的每一种纳米流体都经过溶解、超生、干燥蒸发等过程。采用差式扫描量热法测量熔盐的比热容、熔化潜热、熔点等热物理性质,并采用激光闪射法对基盐和纳米熔盐的热扩散系数进行测量和分析。结果表明,SiO_2颗粒的添加对硝酸钠、硝酸钾和solar salt的熔化潜热、比热容和热导率等热物理性质有显著的影响。与基盐相比,solar salt、硝酸钾和硝酸钠在液态的比热容值分别增加了4.7%~15.89%、3.9%~33.5%、1.9%~11.86%;测得的热导率分别最大增加了17.16%、39.7%、9.5%。     

添加纳米MgO和SiO_2颗粒对二元碳酸盐(Li_2CO_3-K_2CO_3)比热容的影响

熔盐作为一种新型传热工质,由于其液体使用范围宽,比热容相对较高,蓄热能力强,已被广泛应用于聚热太阳能电站的储热传热介质,而通过增强熔盐的比热容可以显著提高其储热密度。将纳米Si O_2和MgO颗粒分别均匀分散到二元共晶碳酸盐(Li_2CO_3-K_2CO_3)中,制备出两种稳定的纳米流体,采用差式扫描量热法(DSC)分析纳米颗粒对熔盐比热容的影响。实验结果显示,添加20 nm的纳米颗粒对碳酸盐的比热容有显著影响:通过添加纳米MgO和Si O_2颗粒,纳米熔盐比热容相比基盐分别平均提高了27.5%～34.1%,11%～20.7%。经过多个固-液循环后,测得两种纳米流体的比热容变化率均低于4.31%,且具有良好的热稳定性。采用电子扫描显微镜表征纳米流体的微观结构,纳米流体在固态时的SEM图像显示在熔盐表面形成了特殊的纳米结构。     

掺镁碳酸熔盐液体导热特性

为克服碳酸熔盐热导率较低的不足,提出通过向三元碳酸熔盐（Li₂CO₃-Na₂CO₃-K₂CO₃）掺杂金属镁粉来改善导热性能的新思路,采用静态熔融法制备了掺杂1%、2%掺镁碳酸熔盐复合材料。采用扫描电镜-X射线能谱、阿基米德法、差示扫描量热法（DIN比热测试标准）和激光闪光法,分别观察了掺镁碳酸熔盐形貌结构,测量了熔盐和复合熔盐液体的密度、比热容、热扩散系数,最后计算获得复合熔盐液体的热导率。研究结果表明,镁粉的加入改变了纯盐（三元碳酸熔盐）的形貌结构,熔体内形成大量的2~5 μm球体颗粒,与纯盐相比,1%掺镁碳酸熔盐液体密度、热扩散系数和热导率都得到增强,液体比热容减小,复合熔盐液体的平均热导率增加了21.67%;2%掺镁碳酸熔盐液体密度、热扩散系数和热导率同样得到增强,虽然复合熔盐液体的比热容减小,但其平均热导率仍然增加了19.07%。1%掺镁碳酸熔盐具有更高的液体密度、热扩散系数和热导率,可作为传热介质在太阳能热发电传蓄热系统推广。     

纳米粒子对熔盐复合蓄热材料热物性的影响

为了得到SiO₂纳米粒子含量对SiO₂/NaNO₃-KNO₃/EG复合蓄热材料比热容和热导率的影响，通过机械分散法，采用NaNO₃-KNO₃和不同质量分数（0.1%，0.5%，1%，2%，3%）的SiO₂纳米粒子所形成的熔盐纳米材料作为蓄热材料，膨胀石墨（EG）作为基体材料，制备出纳米SiO₂/NaNO₃-KNO₃/EG复合材料。对复合材料的比热容和热导率进行了测量，同时用扫描电镜对其微观结构特征进行了分析。结果表明，SiO₂纳米粒子的质量分数为1%时，复合材料的平均比热容和热导率分别为3.92 J/(g·K)和8.47 W/(m·K)，与其他纳米SiO₂添加比例相比，其比热容和热导率分别提高了1.37～2.17倍和1.7～3.2倍。这是由于复合材料表面会形成高密度的网状结构，这种具有较大比表面积和高表面能的特殊纳米结构可以提高复合材料的比热容和热导率。     

硝酸熔盐的制备与物性研究

硝酸熔盐利用相变进行储热放热,可有效提高能源利用,对解决能源危机至关重要。制备了质量比为4:6的KNO_3-NaNO_3熔盐及同比例下不同质量分数的膨胀石墨/硝酸熔盐混合储热材料,并研究了混合储热材料的高温稳定性和腐蚀特性。结果表明,加入不同质量分数的膨胀石墨,混合储热材料的导热系数得到极大的提高,热稳定性略有降低,腐蚀性没有受到较大的影响。     

强化三元混合熔盐的传热性能的实验研究

太阳能发电技术中传热性能的优劣影响着太阳能的利用程度。选用石墨作为强化相变材料传热性能的添加剂与三元混合熔盐（K₂CO₃-NaCl-Li₂CO₃）按照石墨质量分数为5%、10%、15%进行混合制备,使用TC3000通用型导热系数测试仪测定16种试样的导热系数。并测试经历300次循环储能、释能实验试样的导热系数循环稳定性。实验结果表明：添加石墨后的混合相变材料导热系数最高可提升至原混合材料的3.38倍,当石墨的质量分数为15%时,混合相变材料的导热系数最大。在经历300次储能、释能实验后,材料的导热系数基本保持稳定,变化浮动不高于15%。石墨作为强化材料的添加剂,可有效提升强化材料的传热性能,具有实际工程的应用价值。     

太阳盐/钢渣定型复合相变储热材料的制备与性能研究

全球范围内的能源短缺和环境污染问题迫使人们积极开发可再生新能源。储热技术是解决新能源不稳定性问题的关键技术。相变材料是重要的储热介质之一。熔盐相变材料因其储热密度高,可操作温度范围广的优势,成为储热材料领域研究的热点。为解决熔盐液相易泄漏、低导热和高成本的问题,选择钢渣为基体材料,制备了太阳盐/钢渣定型复合相变储热材料,并通过扫描电子显微镜(SEM),热重–差示扫描量热法(TG–DSC),闪射法导热仪(LFA)和X射线衍射仪(XRD)对复合材料的微观结构、热性能和化学相容性进行了测试与表征。结果表明,钢渣与熔盐质量比5:5的复合材料定型效果最优。复合材料结构紧密;钢渣与熔盐化学相容性良好;复合材料潜热为64.0 kJ/kg,100~500℃内储热密度为945 kJ/kg,热导率高达2.23 W/(m?K)。太阳盐/钢渣复合相变储热材料不仅有利于储热技术的大规模应用,而且为钢铁工业废弃物回收利用提供了良好的参考,对节约资源、保护环境以及提高经济效益具有重要的意义。     

泡沫金属在熔盐相变蓄热中的强化传热特性

搭建了熔盐蓄热特性实验平台，开展相变蓄热过程传热特性实验研究。建立了蓄热容器二维轴对称、瞬态固液相变数学模型，相变过程模拟采用Solidfication & melting模型，相变区域采用Boussinesq近似，对比了纯硝酸盐蓄热工况和填加泡沫金属后蓄热工况数值模拟结果。采用实验与数值模拟相结合的方法，重点分析了泡沫金属对熔盐蓄热过程的强化传热作用。结果表明，填加泡沫金属能够有效提高熔盐换热速率，泡沫金属孔隙率越小强化蓄热效果越显著。泡沫铜的热导率较高，相对于泡沫镍和泡沫铝有更好的强化传热效果，蓄热速率是纯硝酸盐蓄热的1.6倍。在相变蓄热后期自然对流换热占主导地位，此时泡沫金属会抑制自然对流。同时，填加的泡沫金属越靠近容器中心位置，对自然对流抑制作用越强，蓄热性能越差。