相變蓄熱材料應用于鹽梯度太陽池的研究進展

馬曉蒙，王 華，張劉鋼，夏南雅

(河南理工大學，機械與動力工程學院，焦作 454003)

0 引 言

鹽梯度太陽池是一個由上而下鹽度逐漸增大的鹽水池，這種沿深度方向增大的密度梯度抑制了溫度梯度所導致的熱對流，致使到達到其底部的太陽能只能通過較厚的梯度層以導熱的形式損失到環境中，因此保證太陽池具有穩定的鹽梯度層是太陽池運行的最基本保障[1]。太陽池一般由三層構成：上對流層(UCZ：Upper Convection Zone)由淡水或者淡鹽水構成；非對流層(NCZ：Non-convetion Zone或稱為梯度層)中的鹽水濃度隨著深度增加而逐漸增大，該層的熱量只能以導熱的形式傳遞；下對流層(LCZ：Lower Convetion Zone)是由濃度均勻的濃鹽水構成，鹽度在20%～30%之間，該層鹽水密度均勻有對流發生，同時LCZ吸收了太陽輻射能并將其儲存下來，因此又稱為儲熱層。我國學者徐河、李申生等早在上世紀80-90年代就在此領域開展研究[2]，鄭綿平院士在西藏扎布耶湖將鹽梯度太陽池與碳酸鋰的提取相結合，取得了顯著成果[3]。

1 相變材料在鹽梯度太陽池中應用的研究現狀

太陽池是一種能夠儲存大容量低溫熱能的太陽能熱利用形式。能量的儲存，尤其是熱能儲存在可再生能源的利用中起著重要的作用。相變材料(PCM)是熱能存儲在應用中的重要中介材料。PCM由于在熔化過程中具有較大的相變溫度范圍和熔化潛熱并且接近恒溫的特點已經引起了人們的廣泛關注。石蠟類材料作為PCM中重要的一類，除了在熔化和凝固的相變過程中可以反復吸收和釋放大量熱能特性外，還具有無污染、無毒、常見廉價的優點，不同石蠟的熔點溫度跨度大、熔化潛熱很高，所以石蠟是各種PCM中最具有發展應用前途的材料之一，因此石蠟類相變材料以優良的熱、物理性能，吸引了越來越多的科研者的注意力。

太陽池儲熱層溫度一般在50～70 ℃，如果在儲熱層添加熔點為50～70 ℃的相變材料，那么當溫度達到相變材料的熔點時，PCM可以將熱量以熔化潛熱儲熱儲存起來；當溫度低于熔點時，又可以凝固放出熔化潛熱反饋儲熱層。既能降低儲熱層的晝夜最大溫差，又能增加太陽池的蓄熱量。這種方法有三個潛在的優點：首先，它可以防止LCZ溫度過高而影響太陽池的穩定性；其次，在夜間沒有陽光或提熱時，相變材料開始凝固釋放出熱量可以減緩太陽池降溫程度，使太陽池溫度保持在一個較高的水平內，對太陽池穩定性的維持有一定的積極意義；第三，在相同的條件下，理論可以在PCM相變溫度范圍內提取更多的熱能，這對太陽池應用于實際拓寬了道路。

近年來，國內外研究者開始關注將石蠟類相變蓄熱材料應用于太陽池，以加強太陽池的熱性能和穩定性。石蠟雖然已被應用于各個領域，但石蠟自身仍存在著一個弊端——導熱系數低(約為0.2 W/m·K)，導致儲能熱力系統在吸熱或放熱過程中熱利用率較低，熱量無法快速有效地存儲和釋放，所以單單石蠟一種材料并不能用于設計一個有效的熱能存儲設備。在使用石蠟時就如何提高導熱系數的問題并不能得到很好的解決，為了提高石蠟的導熱系數，人們在石蠟中添加不同類型納米石墨等材料，在微觀上改變石蠟相變材料樣品的導熱系數。利用超聲波法和一些機械工藝等手段制備復合相變材料樣品，雖然在制備過程耗時耗材較大，但得到的效果卻很明顯，而且復合相變材料的導熱系數隨著納米石墨質量分數的增大而增大。由于相變材料在太陽池中的應用研究是近來才引起人們的關注，故研究報告并不多見。馬預譜、胡錦炎等人[4]也通過實驗分別測試封裝純石蠟、封裝石蠟的同時加裝平行鋁翅片、將石蠟填充到泡沫金屬銅三組散熱器的熱源溫度上升曲線，對比研究了鋁翅片和泡沫金屬銅對石蠟的儲熱性能和儲熱密度的綜合影響。

由于相變材料在太陽池中的應用研究是近來才引起人們的關注，故研究報告并不多見。PCMs的選擇大多采用石蠟類材料，也有采用水合物類相變材料作為研究對象，如M.Ines等人研究了一種小型太陽池在太陽模擬器中照射加熱情況下的熱行為，討論了模擬器譜對太陽池溫度分布及熱性能的影響，還重點研究了相變材料(PCM)性能的評估。P.Sarathkumar等人采用Al2O3納米粒子與相變材料混合封裝到銅管中，添加到太陽池LCZ中，以克服石蠟導熱性能差的問題，石蠟具有良好的吸熱能力，Al2O3納米粒子具有良好的導熱性能，通過引入Al2O3納米粒子，可以大大縮短太陽池的充放熱時間，提高在LCZ中的傳熱速率，有利于熱量提取。

2 結束語

在太陽池中引入相變蓄熱材料有效增加太陽池的熱性能，一定溫度范圍內，有利于梯度層的穩定性。目前的研究趨勢主要體現在3個方面：①將石蠟作為熱能存儲介質放入鹽度梯度太陽池系統中，研究表明：石蠟可以輔助太陽池降低溫差，使太陽池具有較好的熱穩定性且具有更強的抗熱穩定性和抗環境干擾性。②將水合物類相變材料作為研究對象加入鹽梯度太陽池中，研究表明：添加PCM的太陽池可以同時收集和儲存太陽能，也可以作為家用熱水源。③以石蠟為基礎，在石蠟中添加不同類型的納米石墨、混合5% 的細鋁線、鋁翅片和泡沫金屬銅、Al2O3納米粒子、CuO納米粒子、不銹鋼絲等材料組成的復合相變蓄熱材料，加入鹽梯度太陽池中，研究表明：在石蠟中添加不同種類的材料可以在微觀上改變石蠟相變材料樣品的導熱系數并使其增大，而且導熱率的增加提高了石蠟在LCZ中的傳熱速率，明顯增強了石蠟的換熱性能。復合相變材料的研究克服了石蠟導熱性能差的問題，有利于提高鹽梯度太陽池的儲熱性能及熱提取。