金属相变材料在太阳能发电中的应用

邓洁

(青海中科新能源检测中心有限公司，青海西宁810000)

金属相变材料在太阳能发电中的应用

邓洁

(青海中科新能源检测中心有限公司，青海西宁810000)

主要对金属相变材料在太阳能发电中应用形式进行探究，通过总结金属相变材料性能参数、各类材料热物性的测量方法，对金属相变材料在太阳能发电中的具体应用进行探究。并提出了着重解决金属基相变材料的密封问题这一观点，希望其将会获得更为广阔的应用空间。

金属相变材料;热物性;相容性;太阳能发电

金属相变材料因为具有储热密度高、热稳定性能优良以及热传导效率较高等特点，在太阳能这类潜热热能储存系统中获得了较大的应用空间［1］。其凭借热物性与相容性优势，推动了热能储存技术研制与应用进程，在维持温度与提供能量，缓解我国资源供不应求现状上做出不可磨灭的贡献［2］。基于此，本文对金属相变材料在太阳能发电中的应用做出具体的论述。

1 金属相变材料

金属相变材料可以被视为潜热热能储存系统的中心。按照材料的化学成分去分类，可以将相变材料分为无机、有机、复合与金属基相变材料。金属基相变材料是以金属、铝合金为主体的相变材料，具有储能密度大、熔化时体积缩小、热稳定性能相对良好的属性，与无机、有机相变材料相比较，金属相变材料的热导率是其几百倍，相变时过冷度与相偏析均处于较低水平、性价比优良、蒸汽压力相对较低，因此金属相变材料在潜热热能储存系统中有极为宽阔的应用空间。

2 浅谈金属基相变材料的重要性能

热性能:主要体现在对其操作温度为其熔点值、熔化潜热密度相对较高、比热容高、熔融具有一致性特点。

物理性能:相均衡性优良;蒸气压值相对较低、密度较高、相变进程中容积缩小程度微弱化。

动力性能:不产生过冷现象、晶体凝结迅速。

化学性能:稳定性优良、不易被分解、无相分离、无毒性与腐蚀性、不容易燃烧、清洁性。

技术性能:操作程序简单、应用广泛且适用性强、包容性与紧凑度高、高效性。

经济性能:工业效用性、造价成本低廉性。

3 金属相变材料热物的测量方法研究

金属相变储能材料的热物性可以被视为权衡其质量的标杆，也是其运用体系规划建设自己性质审核的凭据，所以深入对金属相变材料的热物性进行探究是极为必要的。金属相变材料的热物性通常包括以下几种类型，即热导率、比热容、膨胀系数、相变潜热以及相变温度。对相变温度以及相变潜热测量的方式方法是多样化的，以下本文展开具体论述。

一般卡计法(DC)在应用之时，需要测量出4个定点的温度值，首先把测试熔点用Tm表示，继而分别对样品在温度低于Tm的T1环境与高于Tm的T2、T3环境中做3次度量测试，进而借助每一次的焓值计算出金属相变材料的熔解热。一般卡计方法应用原理相对简洁化，但测量时间相对较长，且精准度得不到保障。

差热分析法(DAT)是在热分析方法领域中应用极为频繁的一类分析方法。应用该方法测量金属相变材料热物性时原理可以总结为:在预设流程的管控下，将物质、参比物的温度分别测量出来，通过计算温度差值以及分析温度关系确定材料的热物性。绘制出的差热分析曲线解说的是试品与参比物之间的温差与环境温度或者是时间之间存在的关系。在差热分析实验进程中，试品温度变化与相变、吸热或放热反应有关的。在测量过程中，试品与参比物加热或冷却条件始终一致，但由于两者比热容不同，所以温度升高或降低幅度存在差异性。该方法测量的是温差，所以很多外界因素会干扰曲线形态，因此在金属相变材料热物性定量分析上存在较大难度系数。

4 金属相变材料在太阳能发电中的应用研究

在20世纪90年代，国内学者对金属相变材料进行相关研究，取得一定成果。例如黄志光等人［3］对Al-Si、Al-Si-Mg与Zn力合金、Al基合金的物热性进行测定，得出了把金属合金作为高温相变储能材料，达到太阳能的高温储能与应用目标。

陈正荣等人［4］为了验证金属相变材料高效率储存与利用太阳能这一结论，对3种Al基合金(Al-Si合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金)与2种Zn基合金(Zn-Al1合金与ZnAl2合金)进行研究。研究证明，当某地区太阳能辐射强度为1．2～1．3 kW/m2时，结合金属相变材料的热物性与造价成本情况，最适合材料为Al-Si合金，该合金相变温度为576℃，使用之时最高温度为800℃;若地域太阳能辐射强度为0．8～0．9 kW/m2，最适合合金材料为Zn-Al2，该类型合金相变温度为427℃，应用时最高温度大约为600℃。

太阳能作为规模较大的能源储备库，具有清洁性、取材快捷性等特征。尤其是对于甘肃、青海、西藏这些高山区域，太阳能辐射强度相对较大，但是其他类型能源相对匮乏，因此对太阳能这一可再生资源进行有效应用是极为必要的。在高山地区，抵达地球表面的太阳能辐射能量密度处于较低水平。并且在地理要素、昼夜温差、气候特征、季节变化规律等不稳定性因素的干扰下，太阳能辐射强度无规律变化，稀薄、间断、波动这是其主要特征，所以金属相变材料对太阳能量的吸收存在不连贯性特点。

现阶段，太阳能热发电系统大体上以两种形态存在，一是塔式太阳能热发电系统;二是线性聚光式太阳能发电系统。当前，高温熔盐被设置为太阳能热发电系统的主要储能载体，但是通常应用的为显热储能形，热能储存密度相对较低。Hoshi等人［5］认为金属相变材料因为具有低蒸汽压与热导率良好的特性，与高温熔盐相比较，更适合作为储热载体的选择对象。此外，站在资源利用效率视域分析，金属熔点值相对较高，储能级别也处于较高水平，正因如此，其在强化太阳能转换效率方面发挥出巨大的实效性。

张寅平等人［6］曾对Al-Si合金的储热性能进行研究，发现Al-12Si与Al-20Si的熔化温度、熔化潜热值分别为575℃、585℃与560 kJ/kg、460 kJ/kg。而基于Au-12Si的相变潜能为Al-20Si的一倍有余，且其相变温度处于较低水平，所以通常情况下会选择Al-12Si作为太阳能发电系统的储热载体。

邹向等人［7］对Al-13Si合金相变材料的储热性能进行探究，研究结果表明，Al-13Si合金基于相变潜热相对较大、熔点适宜(熔点为575℃)以及性能平稳的优势，因此其可以作为太阳能发电系统的一种较为理想中高温相变储热材料。

目前，铝基合金储热材料在电力调峰、民用电热器产品的研制与余热应用等方面已经投入使用，虽然在太阳能高温储能运用方面也曾做过一些实验探究，但是若具体到太阳能热发电系统上，其研究次数是极为微小的。张仁元等人［8］曾构建了一种基于铝基合金为储热材质，汇聚吸收热能、储存热能与释放蒸汽等特性的金属相变储热蒸汽锅炉。

因为该锅炉设备内壁涂抹了具有选择性吸收的涂料，所以一旦太阳光被反射到吸热壁表层时，形成的高温效应加速了金属储热材质熔化的进程。此过程中被吸收的热量有些借助热传导方式，传递给水，使其沸腾，形成的蒸汽为太阳能发电系统发电环节供应能量;其余的热量则会被集中储存下来，为系统夜间发电环节奠定基础，保障了太阳能热发电系统作业的连贯性与高效性。该金属相变储热蒸汽锅炉作业温度一般维持在360～600℃之间，热效率也在95%上下波动，但其波动幅度一般不会大于3%，对于塔式太阳能热发电系统而言，该装置具有良好的适应性。

李辉鹏等人［9］对Al-Si共晶合金容器材质的相容性采用了盛装储热的研究方法。研究结果证明:在温度低于620℃的情况下，与316不锈钢的抗熔融Al-Si合金液腐蚀性能相比较，SiC在被选用为容器材质方面有更大的可能性。在研究过程中，李辉鹏等人还发现熔融Al-Si合金液不能放置于石墨容器内。并且经历了240次高温性、重复性测试以后，SiC的样品大体与原样相同，未被腐蚀、破坏，可见SiC变相材料稳定性能强，适用于高温太阳能储热系统内。

程晓敏等人［10］对Al-7合金、Al-7Si-4Cu合金与Al-33Cu合金开展了差热扫描分析工作，获得了每种合金相变材料的熔化潜热与熔化温度。与此同时还对Al-Si-Cu-Mg-Zn等20种元素组成的高温合金相变储热材质进行深度研究，惊奇的发现绝大多数金属相变材料的储热值大于200 J/g。其中，Al-Si合金储热材质的单位质量储热数值处于相对较高水平;Al-Cu-Zn合金储热材质单位容积储热量相对较高;Mg-Zn在压缩相变温度值方面体现出优越性，其在扩张储热温度范畴方面能够做出巨大贡献。

5 探究金属相变材料的改进

5．1强化对金属相变材料封装力度

在20世纪80年代初期，Ouden就提出了封装是提升金属相变材料热交换速率的有效手段，这主要是由于封装以后的材质能够与热流体紧密接触。随着实验研究工作的不断进行，胶囊被验证为强化相变材料封装质量的最佳系统。但是，对于金属基相变储能材料而言，能起到阻断与防止液体外流的容器材质数量极为少，所以对强化金属基相变储能材料封装质量的研究工作是任重道远的，一旦实现对金属相变材料热能传递、运输等过程是极为有利的，具体是指维护了金属相变材料的完整性。

5．2铝基合金储热材料

为了更深层次的优化铝基合金储热材料性能，适度降低其相变温度、强化其抗腐蚀性能是极为必要的。为了落实上述目标，研制储热性能优良的多元化铝基合金储热材质是极为有效的对策。与此同时，积极探寻多元铝基合金储热材质的元素构成、微观构造储热性能之间的联系也是不容忽视的环节，为优质型储热材质体系的构建奠定基础。

将某些陶瓷材料优质的抗铝液腐蚀性能导入进储热材料体系构建中，Al2O3陶瓷内衬复合钢管设置为铝基合金储热容器材质，在此基础上落实金属—陶瓷复合相变储热材料与储热系统的基础性理论与实践研究工作内容。

现阶段，液态腐蚀性是铝基合金储热材料在投入使用中迫切需要解决的问题，很多耐热腐蚀性能甚至不如碳钢，这主要是因为铝与铜、镁、锌等金属共同组建了熔点相对较低的共晶体，此时，耐热腐蚀性合金中的部分材质会被溶解消除。因此，在未来的实验研究中，应该积极探索降低铝基合金储热材料液态腐蚀性能，达到降低其与储热容器反应几率的目标，拓宽其在太阳能发电系统中应用空间。

6 结语

金属相变材料凭借其储能密度大、品质高、热交换效率强、储热温度高等众多特性，在太阳热发电环节具有广泛性应用。为了达到提高金属相变储热材料应用效率这一目标，积极研发热控技术、落实封装工作，改善相变温度均是极为可行的对策，为金属相变材料的可持续发展铺路垫石。

［1］王辉．太阳能光热发电系统中储热材料研究进展［J］．科技信息，2013(3):399－400．

［2］程晓敏，李明娅，朱教群，周卫兵，李元元，马洪涛，俞铁铭．太阳能热利用储热材料的研究与应用［J］．变频器世界，2014 (8):41－49．

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［4］黄志光，吴广忠，戴绪绮，等．聚光太阳灶用金属相变贮能装置的研究［J］．太阳能学报，1992(3):271－275．

［5］Sato Y，Yamazaki T，Kato H，et al．Viscosities of Li2CO3－Na2CO3and Li2CO3－K2CO3Binary Melts［J］．Netsu Bussei，1999，13(3):162－167．

［6］张寅平．相变贮能:理论和应用［M］．合肥:中国科学技术大学出版社，1996．

［7］邹向，仝兆丰．铝硅合金用作相变储热材料的研究［J］．新能源，1996(8):1－3．

［8］张仁元．相变材料与相变储能技术［J］．科学通报，2009(4): 468－468．

［9］陈枭，张仁元，李辉鹏．Al基金属相变储能材料的研究与应用进展［J］．材料研究与应用，2009，3(2):73－76．

［10］程晓敏，何高，吴兴文．铝基合金储热材料在太阳能热发电中的应用及研究进展［J］．材料导报，2010，24(17):139－143．

An Application in Solar Power of Metal Phase Change Materials

DENG Jie
(Zhongke New Energy Testing Center Co．Ltd．，Xining，Qinghai 810000，China)

The article mainly discusses about the forms of metal phase change materials(PCM)used in solar power，through summarizing performance parameters of phase change materials．It covers all kinds of metal material thermal physical property measurement methods and the metal phase change materials to explore in the application of solar power．The author puts forward the metal base of phase change materials to solve sealing problem，hoping it will be a broader application space．

Metal PCM;Thermal physical property;Compatibility;Solar power generation

TM615;TB34

B

10．14101/j．cnki．issn．1002－4336．2017．01．029

2016－12－26

国家自然科学基金项目(51174196)

邓洁(1984－)，女，河北高阳人，中级工程师，研究方向:太阳能发电，手机:15810189492，E-mail:2205478165@qq．com．