相变蓄热材料应用于盐梯度太阳池的研究进展

ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００９－３２３０.２０２０.１２.００１
相变蓄热材料应用于盐梯度太阳池的
研究进展
马晓蒙ꎬ王㊀华ꎬ张刘钢ꎬ夏南雅
(河南理工大学ꎬ机械与动力工程学院ꎬ焦作４５４００３)
摘㊀要:传统盐梯度太阳池(以下简称太阳池)利用盐水的显热蓄热ꎬ导致太阳池蓄热密度低ꎬ太阳池温度的昼夜变化大ꎬ并且受提热影响明显ꎬ高温及提热不足情况下ꎬ容易导致梯度层失去稳定性ꎮ石蜡等低温相变蓄热材料应用于太阳池有利于解决上述问题ꎬ文中论述了相变蓄热材料添加到太阳池中的研究现状及发展趋势ꎮ
关键词:盐梯度太阳池ꎻ相变材料ꎻ热性能ꎻ研究进展
中图分类号:ＴＫ０２㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀文章编号:１００９－３２３０(２０２０)１２－０００１－０３
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＰｈａｓｅＣｈａｎｇｅＴｈｅｒｍａｌＳｔｏｒａｇｅＭａｔｅｒｉａｌｓ
ＡｐｐｌｉｅｄｉｎＳａｌｔＧｒａｄｉｅｎｔＳｏｌａｒＰｏｎｄ
ＭＡＸｉａｏ－ｍｅｎｇꎬＷＡＮＧＨｕａꎬＺＨＡＮＧＬｉｕ－ｇａｎｇꎬＸＩＡＮａｎ－ｙａ
(ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ
Ｊｉａｏｚｕｏ４５４００３ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓａｌｔｇｒａｄｉｅｎｔｓｏｌａｒｐｏｎｄ(ｓｏｌａｒｐｏｎｄ)ｕｓｅｓｔｈｅｓｅｎｓｉｂｌｅｈｅａｔｓｔｏｒａｇｅｏｆｂｒｉｎｅｗａｔｅｒꎬｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｌｏｗｈｅａｔｓｔｏｒａｇｅｄｅｎｓｉｔｙꎬａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｓｏｌａｒｐｏｎｄｖａｒｉｅｓｇｒｅａｔｌｙｄａｙａｎｄｎｉｇｈｔꎬｗｈｉｃｈｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｈｅａｔｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ.Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｈｅａｔｅｘｔｒａｃｔｉｏｎꎬｔｈｅｇｒａｄｉｅｎｔｚｏｎｅｔｅｎｄｓｔｏｌｏｓｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ.ＡｄｄｔｈｅｌｏｗｍｅｌｔｉｎｇｐｏｉｎｔＰｈａｓｅＣｈａｎｇｅＭａｔｅｒｉａｌｓ(ＰＣＭｓ)ꎬｓｕｃｈａｓｐａｒａｆｆｉｎｗａｘꎬｔｏｓｏｌａｒｐｏｎｄｗｉｌｌｂｅｂｅｎｅｆｉｔｔｏｓｏｌｖｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ.ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆａｄｄｅｄＰＣＭｓｔｏｓｏｌａｒｐｏｎｄｓｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓａｌｔｇｒａｄｉｅｎｔｓｏｌａｒｐｏｎｄꎻｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｍａｔｅｒｉａｌｓꎻｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓꎻｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ
０㊀引㊀言
收稿日期:２０２０－１０－２５㊀㊀修订日期:２０２０－１１－１８基金项目:河南省高校青年骨干教师培育计划(２０１７Ｇ￣
ＧＪＳ０５０)
作者简介:马晓蒙(１９９２－)ꎬ女ꎬ硕士ꎬ从事清洁高效燃烧及
节能减排技术ꎮ
盐梯度太阳池是一个由上而下盐度逐渐增大
的盐水池ꎬ这种沿深度方向增大的密度梯度抑制了温度梯度所导致的热对流ꎬ致使到达到其底部的太阳能只能通过较厚的梯度层以导热的形式损失到环境中ꎬ因此保证太阳池具有稳定的盐梯度层是太阳池运行的最基本保障[１]ꎮ太阳池一般
由三层构成:上对流层(ＵＣＺ:ＵｐｐｅｒＣｏｎｖｅｃｔｉｏｎＺｏｎｅ)由淡水或者淡盐水构成ꎻ非对流层(ＮＣＺ:Ｎｏｎ－ｃｏｎｖｅｔｉｏｎＺｏｎｅ或称为梯度层)中的盐水浓度随着深度增加而逐渐增大ꎬ该层的热量只能以导热的形式传递ꎻ下对流层(ＬＣＺ:ＬｏｗｅｒＣｏｎｖｅｔｉｏｎＺｏｎｅ)是由浓度均匀的浓盐水构成ꎬ盐度在２０％~３０％之间ꎬ该层盐水密度均匀有对流发生ꎬ同时
ＬＣＺ吸收了太阳辐射能并将其储存下来ꎬ因此又称为储热层ꎮ我国学者徐河㊁李申生等早在上世纪８０－９０年代就在此领域开展研究[２]ꎬ郑绵平院士在西藏扎布耶湖将盐梯度太阳池与碳酸锂的提
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取相结合ꎬ取得了显著成果[３]ꎮ
１㊀相变材料在盐梯度太阳池中应用的研究现状
太阳池是一种能够储存大容量低温热能的太阳能热利用形式ꎮ能量的储存ꎬ尤其是热能储存在可再生能源的利用中起着重要的作用ꎮ相变材料(ＰＣＭ)是热能存储在应用中的重要中介材料ꎮＰＣＭ由于在熔化过程中具有较大的相变温度范围和熔化潜热并且接近恒温的特点已经引起了人们的广泛关注ꎮ石蜡类材料作为ＰＣＭ中重要的一类ꎬ除了在熔化和凝固的相变过程中可以反复吸收和释放大量热能特性外ꎬ还具有无污染㊁无毒㊁常见廉价的优点ꎬ不同石蜡的熔点温度跨度大㊁熔化潜热很高ꎬ所以石蜡是各种ＰＣＭ中最具有发展应用前途的材料之一ꎬ因此石蜡类相变材料以优良的热㊁物理性能ꎬ吸引了越来越多的科研者的注意力ꎮ
太阳池储热层温度一般在５０~７０ħꎬ如果在储热层添加熔点为５０~７０ħ的相变材料ꎬ那么当温度达到相变材料的熔点时ꎬＰＣＭ可以将热量以熔化潜热储热储存起来ꎻ当温度低于熔点时ꎬ又可以凝固放出熔化潜热反馈储热层ꎮ既能降低储热层的昼夜最大温差ꎬ又能增加太阳池的蓄热量ꎮ这种方法有三个潜在的优点:首先ꎬ它可以防止ＬＣＺ温度过高而影响太阳池的稳定性ꎻ其次ꎬ在夜间没有阳光或提热时ꎬ相变材料开始凝固释放出热量可以减缓太阳池降温程度ꎬ使太阳池温度保持在一个较高的水平内ꎬ对太阳池稳定性的维持有一定的积极意义ꎻ第三ꎬ在相同的条件下ꎬ理论可以在ＰＣＭ相变温度范围内提取更多的热能ꎬ这对太阳池应用于实际拓宽了道路ꎮ
近年来ꎬ国内外研究者开始关注将石蜡类相变蓄热材料应用于太阳池ꎬ以加强太阳池的热性能和稳定性ꎮ石蜡虽然已被应用于各个领域ꎬ但石蜡自身仍存在着一个弊端 导热系数低(约为０.２Ｗ/ｍ Ｋ)ꎬ导致储能热力系统在吸热或放热过程中热利用率较低ꎬ热量无法快速有效地存储和释放ꎬ所以单单石蜡一种材料并不能用于设计一个有效的热能存储设备ꎮ在使用石蜡时就如何提高导热系数的问题并不能得到很好的解决ꎬ为了提高石蜡的导热系数ꎬ人们在石蜡中添加不同类型纳米石墨等材料ꎬ在微观上改变石蜡相变材料样品的导热系数ꎮ利用超声波法和一些机械工艺等手段制备复合相变材料样品ꎬ虽然在制备过程耗时耗材较大ꎬ但得到的效果却很明显ꎬ而且复合相变材料的导热系数随着纳米石墨质量分数的增大而增大ꎮ由于相变材料在太阳池中的应用研究是近来才引起人们的关注ꎬ故研究报告并不多见ꎮ马预谱㊁胡锦炎等人[４]也通过实验分别测试封装纯石蜡㊁封装石蜡的同时加装平行铝翅片㊁将石蜡填充到泡沫金属铜三组散热器的热源温度上升曲线ꎬ对比研究了铝翅片和泡沫金属铜对石蜡的储热性能和储热密度的综合影响ꎮ
由于相变材料在太阳池中的应用研究是近来才引起人们的关注ꎬ故研究报告并不多见ꎮＰＣＭｓ的选择大多采用石蜡类材料ꎬ也有采用水合物类相变材料作为研究对象ꎬ如Ｍ.Ｉｎｅｓ等人研究了一种小型太阳池在太阳模拟器中照射加热情况下的热行为ꎬ讨论了模拟器谱对太阳池温度分布及热性能的影响ꎬ还重点研究了相变材料(ＰＣＭ)性能的评估ꎮＰ.Ｓａｒａｔｈｋｕｍａｒ等人采用Ａｌ２Ｏ３纳米粒
子与相变材料混合封装到铜管中ꎬ添加到太阳池ＬＣＺ中ꎬ以克服石蜡导热性能差的问题ꎬ石蜡具有良好的吸热能力ꎬＡｌ２Ｏ３纳米粒子具有良好的导
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热性能ꎬ通过引入Ａｌ２Ｏ３纳米粒子ꎬ可以大大缩短太阳池的充放热时间ꎬ提高在ＬＣＺ中的传热速率ꎬ有利于热量提取ꎮ
２㊀结束语
在太阳池中引入相变蓄热材料有效增加太阳池的热性能ꎬ一定温度范围内ꎬ有利于梯度层的稳定性ꎮ目前的研究趋势主要体现在３个方面:①将石蜡作为热能存储介质放入盐度梯度太阳池系统中ꎬ研究表明:石蜡可以辅助太阳池降低温差ꎬ使太阳池具有较好的热稳定性且具有更强的抗热稳定性和抗环境干扰性ꎮ②将水合物类相变材料作为研究对象加入盐梯度太阳池中ꎬ研究表明:添加ＰＣＭ的太阳池可以同时收集和储存太阳能ꎬ也可以作为家用热水源ꎮ③以石蜡为基础ꎬ在石蜡中添加不同类型的纳米石墨㊁混合５％的细铝线㊁铝翅片和泡沫金属铜㊁Ａｌ２Ｏ３纳米粒子㊁ＣｕＯ纳米粒子㊁不锈钢丝等材料组成的复合相变蓄热材料ꎬ加入盐梯度太阳池中ꎬ研究表明:在石蜡中添加不同种类的材料可以在微观上改变石蜡相变材料样品的导热系数并使其增大ꎬ而且导热率的增加提高了石蜡在ＬＣＺ中的传热速率ꎬ明显增强了石蜡的换热性能ꎮ复合相变材料的研究克服了石蜡导热性能差的问题ꎬ有利于提高盐梯度太阳池的储热性能及热提取ꎮ
参考文献
[１]㊀ＷａｎｇꎬＨ.ꎬＭ.ＸｉｅꎬａｎｄＷ.－ｃ.Ｓｕｎ.Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｄｙｎａｍ￣ｉｃｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｎｏｎ－ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅｚｏｎｅｉｎｓａｌｔｇｒａｄｉｅｎｔｓｏ￣
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[４]㊀马预谱ꎬ胡锦炎.金属材料增强的石蜡储热性能研究[Ｊ].工程热物理学报ꎬ２０１６ꎬ１０:２１９６－２０１.
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