纳米粒子掺杂太阳盐复合材料热物性研究

在聚光式太阳能系统中,熔盐被视为良好的储热材料,具有成本低、使用安全、低饱和蒸汽压等特点。合理改善其热物性可实现太阳能高效利用,掺杂纳米颗粒可提高熔盐的储热及传热性能。在之前工作中,采用高温静态熔融法将纳米氧化铝（Nano alumina,NA2）掺杂于太阳盐（SS,质量分数为60%的硝酸钠与质量分数为40%的硝酸钾的混合物）中,获得了具有较高比热容的纳米流体（NA2-SS,N2S）。在此基础上,采用相同方法将纳米石墨粉（GP）和NA2同时掺杂于SS中（NA2-GP-SS,N2GS）,利用差式扫描量热法和瞬态平面热源法对体系比热和导热进行测试。结果表明,优化样品为N2GS-4,比热容与原样SS相比提升21.79%,导热提升20.69%,在高温状态下具有较好的热稳定性。N2GS-4作为一种硝酸盐基纳米复合蓄热材料在热能存储系统中具有广阔的应用前景。     

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。     

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。     

无水钨酸钾的合成研究

以碳酸钾和三氧化钨为原料，用高温固相反应法和水溶液法分别合成了无水钨酸钾。在高温固相反应法中，采用热分析法来指导产物的合成，用XRD物相分析手段对合成条件进行了研究。在水溶液法中，对制备的产物进行了XRD分析和热分析表征，XRD表明水溶液法合成的产物易形成（001）取向。研究及理论分析表明，水溶液法是制备高纯度产物的更有效的方法。     

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。     

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。     

纳米氧化钇的制备及形貌调控研究进展

由于不同形貌结构的纳米氧化钇对其性能有重要影响,因此,探究不同制备条件下如何调控纳米氧化钇形貌结构显得尤为重要。阐述近年来纳米氧化钇的主要制备方法,包括水热-溶剂热法、共沉淀法、电沉积法等。着重从形成原理、形成条件控制及形成机理等方面分析氧化钇制备过程与其尺寸控制关系,并在此基础上对纳米氧化钇形貌调控进行阐述。     

中高温复合相变储热材料的制备及性能研究

采用直接混合-压制-烧结工艺,制备了以碳酸钠-碳酸钾、碳酸钠-氯化钠、碳酸钠-氯化钠-氯化钾为相变材料的中高温复合相变储热材料。采用差式扫描量热法(DSC)、重量法和热循环法对中高温复合相变储热材料的相变峰值温度、相变潜热、热稳定性等性能做了表征。实验结果表明,以碳酸钠-氯化钠-氯化钾三元熔盐作为相变材料制备中高温复合相变储热材料,相变峰值温度为567℃,相变潜热高,是碳酸钠-碳酸钾二元熔盐的2.7倍,在750℃以下有较好的热稳定性,且具有较好常温力学性能。     

一种太阳能高温蓄热碳酸熔融盐的实验研究

为了满足太阳能高温传热、蓄热的要求,采用静态高温混合熔融法制备了主要由碳酸钠、碳酸钾和添加剂Ad组成的混合熔盐。通过热重分析(TG)和差示扫描量热(DSC)等方法确定了混合熔盐的熔点、相变潜热、分解温度和初晶点等数据,并采用了X-射线衍射(XRD)分析法分析了混合熔盐在高温条件下的热稳定性。实验最终确定了该混合熔盐的最佳使用温度为433~780℃,可以作为太阳能高温传热、蓄热介质来应用。     

复合无机相变储热材料在高温热冲击下性能研究

设计和搭建热冲击实验系统,以旋流滞止火焰形式对复合无机相变储热材料进行垂直热冲击,研究高温下热冲击对储热材料的热性能、微观结构、化学稳定性的影响并评价其安全性。结果表明,由于热传导、热对流和热辐射综合作用于复合无机相变储热材料上,适度热冲击,热量可被储热材料吸收并储存,熔融盐硝酸钠发生物理相变,温度下降后能基本恢复原样,储热性能稳定;而过度热冲击,过高的热量和温度会导致熔融盐硝酸钠的分解,生成亚硝酸钠和氧气,如温度不断升高,会进一步分解生成一氧化氮和二氧化氮,储热能力会急剧降低,甚至失去储热能力而导致毁损。这对于储热材料在工业应用中的储热稳定性、化学稳定性和使用安全性具有重要指导意义。     

高温熔盐的热物性测试及热稳定性分析

为满足太阳能高温传热、蓄热的要求,以价格便宜的氯化物为原料,通过静态熔融的方法配制出新型混合熔盐,并采用热重差热联用热分析仪及其他实验手段对熔盐的熔点、相变潜热及热稳定性进行了表征。实验结果表明:氯化物的混合熔盐具有较低的熔点,合适的潜热值及高温下良好的热稳定性的特点。氯化物熔盐的适宜使用温度在550~800℃。该实验研究为氯化物熔盐在太阳能高温利用中的使用提供了宝贵数据。     

用于储热新型低熔点二元无机盐特性研究

通过对熔盐的热物性分析,研究一种新型低熔点熔盐进行储热,能够有效解决传统燃煤供暖所产生的环境污染等诸多问题。熔盐材料由于高温下的稳定性好、成本低及导电性能良好等特点成为了与新能源结合的研究热点。由于常用的二元混合熔盐熔点约为221 ℃,而供暖系统传热介质温度较低,高熔点熔盐对于供暖系统并不适用,所以开发熔点较低的熔盐用于供暖系统成为了研究热点。通过试验测试的方法对熔盐混合配比进行调整,开发了熔点较低的新型熔盐,并通过大温差储能供暖系统中的应用进行了有效性验证。     

LiNO3-NaNO3-KNO3三元熔盐材料的设计及热稳定性研究

采用共形离子溶液模型(conformalionic solution model, CIS) 在二元熔盐体系相图的基础上，对三元熔盐体系LiNO₃-NaNO₃-KNO₃进行了相图计算，得到该三元体系最低共熔点为117.7℃，相应的摩尔分数组成分别为x(LiNO₃) = 0.375，x(NaNO₃) = 0.075，x(KNO₃) = 0.550。按照热力学最低共熔点计算结果，采用熔融法制备了三元硝酸熔盐，通过DSC和TG实验测定其最低共熔点为118.3℃，这与计算得到的结果(117.7℃)基本一致。TG测试结果表明当温度低于587.2℃时，该三元熔盐体系较为稳定，其工作温度范围为118.3~587.2℃，该三元硝酸熔盐适合在太阳能热发电中作为高温传热蓄热材料使用。     

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。     

含钙三元氯化物体系相图计算与熔盐热稳定性

为寻求太阳能热利用高温传热储热材料,以盐湖资源为原料,提出分支/分区相图计算方法,设计NaCl-CaCl₂-KCl和KCl-CaCl₂-MgCl₂熔盐传热储热材料。基于正规溶液模型,以不同分支不同相互作用系数,计算了5个边界体系相图,实现用正规溶液模型计算含化合物体系复杂相图。含化合物KCl-CaCl₂和KCl-MgCl₂体系及3个不含化合物二元体系的计算相图与实验相图十分吻合。以分区域方法计算三元体系相图,预测出5个低共熔点来指导熔盐制备。采用差示扫描量热法测试并验证熔盐最低共熔点,确定其工作温度下限;以质量损失实验,确定其工作温度上限。结果表明,钠钾钙和钾镁钙氯化物熔盐能在550~850℃和480~700℃内稳定运行,可用作高温传热储热流体。     

低熔点熔盐圆管内强迫对流换热

熔融盐具有使用温度高、热稳定性和传热性能好等优点,被认为是太阳能热发电系统中最有前途的传热、蓄热介质之一。通过搭建槽式太阳能熔盐集热传热实验台,进行了低熔点熔盐管内受迫对流换热实验,获得了不同熔盐流速下套管式熔盐-水传热单元的总传热系数;通过最小二乘法获得了低熔点熔盐管内充分发展紊流段对流换热Nusselt数随Reynolds数的变化曲线和实验关联式,并与经典关联式进行了对比,结果表明,实验数据和Dittus-Boelter方程、Colburn方程、Seider-Tate方程以及Gnielinski方程最大偏差分别为+23%、+13%、-10%和-20%,实验数据和经典公式符合较好。