随着太阳能热发电技术的研究和应用在世界范围内迅速发展,储热材料的研究日益显示出重要的现实意义。太阳能热发电中所需要的储热材料必须具有高的储热密度,且能构成紧凑的储热装置结构。然而,相变储能技术之所以难于实现长期和稳定的工程应用,最重要的原因是采用的相变材料性能不高。
潜热储热材料主要有无机盐和金属及合金。目前应用于太阳能热发电的中高温储热材料主要是熔融盐,如NaNO3等。美国的太阳2号塔式电站就是采用硝酸盐作为储热材料。但熔融盐类储热材料存在腐蚀性、毒性和不稳定性等问题,容易造成热交换管道及附属设施的腐蚀。
据研究,富含Al、Si元素的二元或多元合金具有较高的储热密度,相变潜热在400kJ/kg左右,同时还具有较高的导热系数且价格适中,是目前作为研发方向的比较理想的合金相变储热材料。与其它相变储能材料相比,硅含量为7~24%的铝硅合金作为相变储能材料具有以下优点:(1)相变温度和相变潜热较高。如含硅12.5%的铝硅共晶合金的相变温度为580°C,相变潜热为490~510kJ/kg.。(2)成分和结构的变化对其相变温度和相变潜热影响很小,一般相变温度的变化在12℃之内。(3)在反复熔化-凝固的热循环过程中,氧化的影响很小。(4)在反复熔化-凝固热循环后,相变潜热的降幅较小,而相变温度和过冷度基本保持不变。如A1-13%Si合金在经过反复720次熔融-凝固热循环后,其相变潜热降幅只有10.5%,而相变温度则基本保持稳定。(5)铝硅原料资源丰富,性价比较高。因此,铝硅合金是很有希望的相变储能材料。
相变储能材料的性能指标主要反映在其单位质量的储热量上。据测试,Al-7%Si合金单位质量的储热量可达1066kJ/kg,相当可观;其相变温度为570~619℃。从实用角度看,单位体积的储热量更为重要。在这方面,含Cu、Zn较多的系列合金储热材料优于其它成分的铝合金储热材料。虽然Cu、Zn合金元素的添加实际上使储热材料单位质量的相变潜热下降,但由于提高了储热材料的密度,所以单位体积相变潜热可以达到较高水平。据测试,Al-24.5%Cu-12%Mg-18%Zn合金单位体积的储热量可达3610J/cm3。另外,当合金中产生熔点较高的中间相时,相变温度范围会扩大。Mg、Zn的添加可以有效调节相变温度,如Al-24.5%Cu-12%Mg-18%Zn合金的相变温度范围为460~624℃,这是合金中生成MgZn2的结果。
铝基合金储热在高温时的储热性能优于无机盐,且储能容量大,热导率和稳定性良好,不足的是合金液态的化学活性较强,易与储热容器材料反应。但总的来说,铝基高温相变储热材料在相变温度、储热密度、使用寿命等方面均适合于大规模太阳能热发电储热系统要求,并具有较好的综合储热性能,在高温储热方面具有广泛的应用前景。(一员)