相变蓄热材料应用于盐梯度太阳池的研究进展

　　摘 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,导致太阳池蓄热密度低,太阳池温度的昼夜变化大,并且受提热影响明显,高温及提热不足情况下,容易导致梯度层失去稳定性。 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,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。

　　关键词:盐梯度太阳池;相变材料;热性能;研究进展

　　马晓蒙王华张刘钢等-《应用能源技术》2021年12期

　　盐梯度太阳池是一个由上而下盐度逐渐增大的盐水池，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，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，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] 。 太阳池一般由三层构成： 上对流层 ( UCZ： Upper Convection Zone)由淡水或者淡盐水构成;非对流层(NCZ：Non - convetion Zone 或称为梯度层)中的盐水浓度随着深度增加而逐渐增大，该层的热量只能以导热的形式传递;下对流层(LCZ：Lower Convetion Zone)是由浓度均匀的浓盐水构成，盐度在 20% ~ 30% 之间，该层盐水密度均匀有对流发生，同时LCZ 吸收了太阳辐射能并将其储存下来，因此又称为储热层。 我国学者徐河、李申生等早在上世纪 80 - 90 年代就在此领域开展研究[2] ，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取相结合，取得了显著成果[3] 。

　　1 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。 能量的储存，尤其是热能储存在可再生能源的利用中起着重要的作用。 相变材料(PCM)是热能存储在应用中的重要中介材料。 PCM 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。 石蜡类材料作为 PCM 中重要的一类，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，还具有无污染、无毒、常见廉价的优点，不同石蜡的熔点温度跨度大、熔化潜热很高，所以石蜡是各种 PCM 中最具有发展应用前途的材料之一，因此石蜡类相变材料以优良的热、物理性能，吸引了越来越多的科研者的注意力。

　　太阳池储热层温度一般在 50 ~ 70 ℃ ，如果在储热层添加熔点为 50 ~ 70 ℃ 的相变材料，那么当温度达到相变材料的熔点时，PCM 可以将热量以熔化潜热储热储存起来;当温度低于熔点时，又可以凝固放出熔化潜热反馈储热层。 既能降低储热层的昼夜最大温差，又能增加太阳池的蓄热量。 这种方法有三个潜在的优点：首先，它可以防止 LCZ 温度过高而影响太阳池的稳定性; 其次，在夜间没有阳光或提热时，相变材料开始凝固释放出热量可以减缓太阳池降温程度，使太阳池温度保持在一个较高的水平内，对太阳池稳定性的维持有一定的积极意义;第三，在相同的条件下，理论可以在 PCM 相变温度范围内提取更多的 热 能， 这 对 太 阳 池 应 用 于 实 际 拓 宽 了道路。

　　近年来，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，以加强太阳池的热性能和稳定性。 石蜡虽然已被应用于各个领域，但石蜡自身仍存在着一个弊端———导热系数低(约为 0. 2 W / m·K)，导致储能热力系统在吸热或放热过程中热利用率较低，热量无法快速有效地存储和释放，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。 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，为了提高石蜡的导热系数，人们在石蜡中添加不同类型纳米石墨等材料，在微观上改变石蜡相变材料样品的导热系数。 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，虽然在制备过程耗时耗材较大，但得到的效果却很明显，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。 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，故研究报告并不多见。 马预谱、胡锦炎等人[4] 也通过实验分别测试封装纯石蜡、封装石蜡的同时加装平行铝翅片、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，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。

　　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，故研究报告并不多见。 PCMs 的选择大多采用石蜡类材料，也有采用水合物类相变材料作为研究对象，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，讨论了模拟器谱对太阳池温度分布及热性能的影响，还重点研究了相变材料(PCM)性能的评估。 P. Sarathkumar 等人采用 Al2O3 纳米粒子与相变材料混合封装到铜管中，添加到太阳池LCZ 中，以克服石蜡导热性能差的问题，石蜡具有良好的吸热能力，Al2O3 纳米粒子具有良好的导热性能，通过引入 Al2O3 纳米粒子，可以大大缩短太阳池的充放热时间，提高在 LCZ 中的传热速率，有利于热量提取。

　　2 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，一定温度范围内，有利于梯度层的稳定性。 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，研究表明：石蜡可以辅助太阳池降低温差，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。 ②将水合物类相变材料作为研究对象加入盐梯度太阳池中，研究表明：添加 PCM 的太阳池可以同时收集和储存太阳能，也可以作为家用热水源。 ③以石蜡为基础，在石蜡中添加不同类型的纳米石墨、混合 5% 的细铝线、铝翅片和泡沫金属铜、Al2O3 纳米粒子、CuO 纳米粒子、不锈钢丝等材料组成的复合相变蓄热材料，加入盐梯度太阳池中，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，而且导热率的增加提高了石蜡在 LCZ 中的传热速率，明显增强了石蜡的换热性能。 复合相变材料的研究克服了石蜡导热性能差的问题，有利于提高盐梯度太阳池的储热性能及热提取。