利用沙漠砂制備太陽能蓄熱材料的研究.pdf

1、能源短缺尤其是化石能源枯竭已成為世界性的難題，大力發(fā)展新能源迫在眉睫，基于太陽能儲量的無限性、存在的普遍性和開發(fā)利用的清潔性，太陽能熱發(fā)電引起了各國科研人員的廣泛關(guān)注。為了克服太陽能的不穩(wěn)定性，太陽能熱發(fā)電設(shè)計了蓄熱子系統(tǒng)，可在光照正常時將熱量儲蓄起來，在夜間或光照不足時保證熱量供給，使電站連續(xù)、穩(wěn)定工作。我國不僅面臨著嚴(yán)峻的能源問題，還面臨著嚴(yán)重的土地沙漠化等生態(tài)環(huán)境問題，目前全國沙漠面積高達(dá)64萬平方千米，然而沙漠地區(qū)具有日照時間長

2、，太陽能資源豐富的優(yōu)勢，針對上述兩個問題，本課題就地取材，利用沙漠砂制備太陽能蓄熱材料并設(shè)計蓄熱單元結(jié)構(gòu)，在創(chuàng)造經(jīng)濟效益的同時，實現(xiàn)了生態(tài)保護(hù)和太陽能利用共同發(fā)展。
　　 本文以沙漠砂、頁巖、方解石、鉀長石、鈉長石為主要原料，采用擠出成型的方式，制備了“Ca-Al-Si”系蜂窩蓄熱陶瓷材料，采用XRD、SEM等現(xiàn)代分析和測試手段探討了樣品組成、制備工藝對材料的結(jié)構(gòu)和性能的影響。在最佳配方A5的基礎(chǔ)上，設(shè)計并制備了高溫封裝劑，討論

3、了蜂窩陶瓷中相變材料的填充方式，計算了潛-顯熱復(fù)相蜂窩陶瓷材料的蓄熱密度，同時基于本研究制備的潛-顯熱復(fù)合蜂窩陶瓷材料，結(jié)合前人的研究成果，設(shè)計了太陽能熱發(fā)電蓄熱器的蓄熱單元、蓄熱單元的連接方式以及蜂窩蓄熱陶瓷結(jié)構(gòu)尺寸。結(jié)果表明：“Ca-Al-Si”系蜂窩蓄熱陶瓷材料滿足太陽能熱發(fā)電蓄熱子系統(tǒng)對蓄熱材料的要求，蓄熱單元結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。
　　 對A系列配方的研究表明：引入長石可顯著降低樣品燒成溫度。A系列樣品燒成溫度范圍為1040～

4、1060℃，氣孔率變化范圍為31.26～47.46％，吸水率變化范圍為17.32～33.41％，體積密度變化范圍為1.45～1.81g·cm-3，抗折強度變化范圍為30.35～58.27MPa。經(jīng)1060℃燒成的樣品A5綜合性能較優(yōu)，其組成為沙漠砂50％、山東頁巖20％、大冶方解石15％、林州鈉長石5％、山東鉀長石10％，其吸水率為17.32％，氣孔率為31.26％，體積密度為1.81g·cm-3，抗折強度為30.35MPa，抗熱震性達(dá)

5、到在室溫～800℃(空氣中冷卻)30次不開裂。經(jīng)XRD分析，樣品主晶相為鱗石英、鈣長石和硅酸鈣。SEM分析樣品微觀結(jié)構(gòu)表明鈣長石晶體作為骨架，表面分布著大量粒徑0.2μm左右的顆粒狀鱗石英晶體及直徑1.5～4μm的球形硅酸鈣晶體，被玻璃相包裹并連接，提高了樣品強度。大量顆粒狀鱗石英相對于方石英在燒成和冷卻的過程中具有較小的體積變化，提高了樣品的強度和抗熱震性，滿足太陽能熱發(fā)電用蓄熱材料對抗熱震性能的要求。
　　 為探索沙漠砂制備

6、蜂窩陶瓷的可行性，對最佳配方A5進(jìn)行擠出實驗，在該配方中加入適量粘結(jié)劑、增塑劑、潤滑劑及水，通過擠出成型制備出蜂窩陶瓷。為安全可靠的封裝PCM，對封裝劑進(jìn)行了研究，在蜂窩陶瓷基體的配方中，加入一定組分的熔劑作為高溫粘結(jié)劑，制備出復(fù)合蜂窩陶瓷的封裝劑，并封裝相變材料工業(yè)NaCl，SEM分析表明封裝劑與蜂窩陶瓷基體結(jié)合性良好。計算出在0～28℃、0～300℃、0～600℃、0～800℃、0～1000℃范圍內(nèi)，以1/2孔洞數(shù)量和1/2孔洞容積

7、的方式填充工業(yè)NaCl的潛熱-顯熱復(fù)相蓄熱陶瓷的蓄熱密度分別為556.55 kJ·kg-1、962.89 kJ·kg-1、992.16 kJ·kg-1、1142.12 kJ·kg-1、1349.73 kJ·kg-1。
　　 設(shè)計了太陽能熱發(fā)電蓄熱器單元，為“Ca-Al-Si”系蜂窩陶瓷在太陽能熱發(fā)電蓄熱子系統(tǒng)中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。蓄熱單元的設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，傳熱效率高，經(jīng)濟效益好，達(dá)到了初步設(shè)計要求，適用于太陽能熱發(fā)電蓄熱子系統(tǒng)。