铝基合金高温相变储热材料

铝基合金高温相变储热材料

一、研究背景

因使用化石能源造成的温室气体排放和环境污染对人类的生存和发展构成了严重威胁，并且化石能源资源有限，终将可能枯竭，因此开发清洁的可再生能源是全球各国面临的重大挑战．在水能、太阳能、风能、生物质能等可再生能源中，太阳能因其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性和开发的经济性[1]成为最重要的可再生能源。太阳能发电模式主要有光伏和光热两种模式，太阳能热发电技术因其供电连续稳定、成本低等优点，将成为未来太阳能发电的主要方式之一。太阳能热发电技术客观上要求发展高效率、低成本的高温潜热能存储技术。

在太阳能热发电技术中，储热技术可在太阳能流高峰时吸热、低谷时放热，能解决太阳能流的不连续性，使塔式、槽式或蝶式发电系统连续稳定的发电，成为太阳能热发电技术的关键。相变储热材料具有相变潜热大、储热密度高、吸放热过程近似等温等优点，是目前最有效的储热方式之一。在120～1 000℃温度区间内基于无机盐和金属合金的相变储热材料有几百种，其中铝合金相变储热材料具有储热密度大、抗高温氧化性强、热稳定性好、导热系数大、过冷度小、相偏析小及性价比高等优点，在太阳能高温热发电技术中有着较好的应用前景。热能存储研究。

二、储热材料概述

材料蓄热的本质在于它可将一定形式的热量在特定的条件下贮存起来，并能在特定的条件下加以释放和利用。因此可以实现能量供应与人们需求一致性的目的，并达到节能降耗的作用。这一本质，也决定了蓄热材料必须具有可逆性好、贮能密度高、可操作性强的特点。

蓄热方式

按蓄热方式划分，蓄热材料一般可分为：显热型、潜热型和化学反应型3大类。在这3大类蓄热材料中，潜热型最具有发展前途，也是目前应用最多和最重要的蓄热方式。

1)显热储热材料

显热储热材料主要有：土壤、地下蓄水层、砖石、水泥及Li20与A1203、Ti02、B203、Zr02等混合高温烧结成型的显热储热材料。它是利用物质本身温度的变化过程来进行热量的储存。由于可采用直接接触式换热，或者流体本身就是储热介质，因而蓄放热过程相对简单，是早期应用较多的储热材料。在所有的储热材料中显热储热技术是最为简单也比较成熟。

由于显热储热材料是依靠储热材料本身的温度变化来进行热量贮存的，放热过程不能恒温，储热密度小，造成储热设备的体积庞大，储热效率不高，而且与周围环境存在温差会造成热量损失，热量不能长期储存，不适合长时间、大容量储热，限制了显热储热材料的进一步发展。

2)潜热储热材料

相对于显热储热材料，潜热储热材料的储热密度要高的多，能够通过相变在恒温下放出大量的热量，同时它们也能储存少量显热，但因温度变化小，这部分显热与相变潜热相比是较小的。根据相变温度高低，相变潜热储热可分为低、高温两种，低温潜热储热主要有六水氯化钙、三水醋酸钙、有机醇等，主要用于废热回收、太阳能储存和空调系统；高温潜热储热材料主要有高温熔化盐类、混合盐类、金属及合金等，主要用于太阳能热发电、航空航天等。

潜热储热材料发生的相变过程有4种，常利用的相变过程有固．液、固．固相变两种类型。固．气、液．气相变虽然可以储存较多热量，但因气体占有体积大，使体系增大，设备复杂，所以～般不用于储热。

固．液相变储热材料分为四类：单纯盐、碱、金属及其合金，以及混合盐。主要用于小功率电站、太阳能发电和低温热机方面，对工业化程度不高的偏远地区较为适用。若要大量使用这类材料，首当其冲的问题便是腐蚀性热交换器的传热设计。

固．固相变潜热小，体积变化也小，其最大优点是相变后不生成液相，对容器的要求不高，由于这种独特的优点，固．固相变材料越来越受到人们的重视。其中具有技术和经济潜力的，目前有三类：高密度聚乙烯、“层状钙钛矿”、多元醇等，它们都是通过有序．无序转变而可逆地吸热、放热。固．固相变储热材料主要应用在家庭采暖系统中，与水合盐相比，具有不泄露、收缩膨胀小、热效率高等优点，能耐3000次以上的冷热循环(相当于使用寿命25年；把它们注入纺织物，可以制成保温性能好，重量轻的服装，可以用于制作保温时间比普通陶瓷杯长的保温杯；含有这种相变材料的沥青地面或水泥路面，可以防止道路、桥梁结冰。

3)化学反应储热材料

化学反应储热多利用金属氢化物和氨化物的可逆化学反应通过热能与化学热的转换储热。在受热和受冷时发生可逆反应，分别对外吸热或放热，这样就可把热能储存起来。典型的化学储热体系有CaO-H20、MgO-H20、H2S04·10H20等。但需要考虑储存容器与系统的严密性，以及生成气体对材料的腐蚀问题。化学反应储热材料具有储热密度高和清洁、无污染等优点，但反应过程复杂、技术难度高，而且对设备安全性要求高，一次性投入大，与实际工程应用尚有较大距离。

储热材料的性能一般要求是：

1)蓄热量大。对显热储热材料要求材料的热容大，对潜热储热材料要求相变潜

热大；对反应热要求反应的热效应大。

2 ) 温度适宜。显热储热材料通常不能满足这一要求。求凝固时无过冷现象，熔

化时温度变化小。

3) 稳定性好。在多组分时，各组分间的结合要牢固，对潜热储热材料，要不能

发生离析、分解及其它变化。

4) 无毒、无腐蚀，不易燃易爆。

5) 成本低。

6) 材料的导热系数高。要求材料无论是液态还是固态，都有较高的导热率，以使热量可以方便地储存和释放。

7) 在冷、热状态下或固、液状态下，材料的体积变化小。

三、储热装置研究现状

相变储热换热设备与普通换热设备和显热储能设备相比，其突出的特点是换热设备中布置流体管道的同时需布置相变材料，并且根据相变传热的特征，相变材料与流体传热的过程中因相变材料不断发生相变而使相变材料侧的传热热阻逐渐增大，当相变材料层完全发生相变后会使系统的有效传热面积逐渐减小，从而导致流体侧的温度随之发生变化。因此采用有效的强化传热技术与设计高效的储热换热设备是提高潜热储热效率的关键。

相变蓄热设备的结构形式随应用场合的不同而不同。80年代时期美国DOW 公司制造了采用CaCl2·6H20为蓄热材料的太阳能系统壁橱式蓄热装置：CALMAC公司研制了三种盐水合物相变材料的整体式蓄热装置(HEATBANKRs)；1982年美国研制成功一种利用Na2S04·10H20共熔混合物做蓄热芯料的太阳能建筑板；1992年法国宣布在世界上第一次研制出了用于储存能量的小球(TSL系统)，也就是把状态可变盐衬装在聚合物制成的小球中，小球装在容器里，容器的大小可以根据用户需要确定，全套装置体积小，存储量大，为同样体积水的10倍，主要用于空调或工业冷却；90年代时期，德国Schatz热电技术公司研制成功一种新型汽车潜热蓄热器；1992年以来国际上对汽液固蓄热系统(GALISOL)系统进行了研究，该系统已成为德国热电联产企业首选的蓄热系统；1992年清华大学对应用于太阳房的相变蓄热设备进行了实验研究；1998年，冒东奎等对含相变材料的壁板进行了实验研究；近年来，国内一些学者对相变蓄热同心套管、圆或椭圆体等蓄热装置进行了理论传热分析。

针对金属及合金高温储热材料的研究工作较少，对相应该储热材料的储热装置及储热系统的研究更少。

金属相变储热材料一般具有很高的导热系数、较大的储能密度、较好的热稳定性和较长的使用寿命等优点，是理想的太阳能高温储热材料。现有的研究主要集中于金属及其合金相变储热材料的相变机理、相变潜热等方面的研究工作。但储能应用的成功与否，一方面取决于储能材料的性质，如相变温度、相变潜热以及储热材料密度等；另一方面，储热系统的设计(如储热室的结构、保温材料的应用、管道选取及排列、强化传热等)也是决定储热系统寿命以及储热效率的关键因素，直接关系到整个储热系统应用到太阳能热发电的实践运行。因此，对金属及其合金太阳能高温储热材料、储热装置的结构以及管道等储热系统的设计有待进一步研究完善。

四、不同成分铝合金的相变温度和相变潜热研究

从表1可看出，在二元铝合金中，Al-Si合金的相变潜热较Al-Cu合金、Al-Mg 合金大很多。而Al-Si合金的潜热值随Si含量的增加先增加后减少，si含量在12％左右时达到最大值，但相变温度基本稳定在共晶温度577℃上下。在三元铝合金中，Al-Mg-Zn合金的相变潜热在303～314kJ／kg范围内变化，相变温度维持在443～454℃。AL-Mg-Cu合金和Al-Cu-Si合金则因组份的差异相变温度和相变潜热差异很大，需要更深入细致的研究才能找出其规律性．从已取得的研究结果看，Al-Si合金较其他二元或三元合金相变潜热大、相变温度高，是较好的储热材料。

五、铝合金研究展望

在太阳能高温热发电技术中，发电系统的成本决定于系统的效率，系统的效