用于太陽能熱發(fā)電的混凝土儲(chǔ)熱材料的研究

用于太陽能熱發(fā)電的混凝土儲(chǔ)熱材料的研究

能源熱能源技術(shù)是當(dāng)前能源熱能源發(fā)電技術(shù)的主要技術(shù)任務(wù)之一。由于成本相對(duì)較低,近十年來在歐洲和美國的發(fā)展較快。我國在“十五”,“十一五”也對(duì)該技術(shù)投入大量的研究經(jīng)費(fèi)和力量。儲(chǔ)熱是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的重要部分。儲(chǔ)熱材料和換熱設(shè)備的性能及成本對(duì)太陽能電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、一次投資和運(yùn)行成本影響很大。用于太陽能發(fā)電中的儲(chǔ)熱材料應(yīng)滿足如下要求:(1)儲(chǔ)熱材料應(yīng)有高熱容或大相變熱;(2)儲(chǔ)熱材料具有高的導(dǎo)熱傳導(dǎo);(3)儲(chǔ)熱材料應(yīng)有良好的化學(xué)和力學(xué)穩(wěn)定性;(4)儲(chǔ)熱材料與換熱器及換熱流體之間有良好的化學(xué)相容性;(5)在儲(chǔ)熱及放熱循環(huán)過程中應(yīng)完全可逆;(6)低成本。目前用于太陽能熱發(fā)電中的儲(chǔ)熱材料主要有顯熱儲(chǔ)熱和潛熱儲(chǔ)熱。顯熱儲(chǔ)熱材料主要有卵石、混凝土、熔融鹽和油等。其中熔融鹽作為具有高溫傳熱/儲(chǔ)熱一體化功能的流體較為常用。但熔鹽存在的問題是當(dāng)溫度低于熔點(diǎn),熔融鹽凝固后發(fā)生的體積變化對(duì)換熱管路的破壞。因此采用熔融鹽在傳熱管路上必須采取溫控措施,由此會(huì)增加電廠運(yùn)行成本和自身電耗,也影響了系統(tǒng)的安全性?；炷羶?chǔ)熱材料由于具有性能穩(wěn)定、成本低的優(yōu)點(diǎn),是用于太陽能熱發(fā)電的理想候選儲(chǔ)熱材料之一?；炷羶?chǔ)熱材料的每kWh的造價(jià)是所有儲(chǔ)熱材料中最低的,相當(dāng)于硝酸鹽的27%,鑄鐵的3%,鑄鋼的1.7%。與硝酸鹽類相比,混凝土具有更高導(dǎo)熱系數(shù)。德國一公司采用傳統(tǒng)的混凝土材料作為儲(chǔ)熱材料取得一定進(jìn)展,但是熱效率過低造成體積龐大,建設(shè)成本過高,因此迫切需用解決高效率、低成本的新型儲(chǔ)熱材料。本研究借鑒耐火澆注料和傳統(tǒng)混凝土的研究成果及加工工藝方法,通過對(duì)混凝土儲(chǔ)熱材料的組成、制備工藝、結(jié)構(gòu)及性能的系統(tǒng)研究,探索出制備低成本,高效率新型儲(chǔ)熱材料的最佳工藝。一、材料準(zhǔn)備1.玄武巖、銅礦渣、礦渣粉本實(shí)驗(yàn)采用的原料如下:鋁酸鹽C80水泥(貴州遵義縣鴨溪盛華水泥有限公司生產(chǎn));玄武巖(山東省章丘市山玉石材開發(fā)有限公司生產(chǎn))以及銅礦渣(武漢鋼鐵公司生產(chǎn));礦渣粉(過180目篩,興越建材貿(mào)易有限公司生產(chǎn));硅微粉(過200目篩),工業(yè)用石墨粉(180目);高效復(fù)合減水劑(自制),自來水。2.模具的成型、搗實(shí)和烘烤將原料按照設(shè)計(jì)比例混合均勻,在100×100×100mm的模具中成型、搗實(shí),三天后脫模,并且在烘箱內(nèi)于105℃下烘烤48小時(shí)。其測(cè)試抗折強(qiáng)度的試樣的成型模具尺寸為40×40×160mm。3.改善儲(chǔ)熱材料的熱容本實(shí)驗(yàn)過程同國外所采用的普通混凝土作為儲(chǔ)熱材料有明顯的不同,主要原因是:以鋁酸鹽水泥作為膠凝劑,確保儲(chǔ)熱材料在工作溫度下的穩(wěn)定性及使用壽命;選用玄武巖及工業(yè)廢渣銅礦渣等熱容大的作為集料,既解決了工業(yè)廢渣的環(huán)境污染又使改性混凝土的體積熱容得到大幅提高;同時(shí)摻入石墨能使混凝土儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)得到明顯提高;選用性能優(yōu)異的復(fù)合高效減水劑降低施工用水量并提高混凝土的強(qiáng)度。二、結(jié)果與討論1.中溫儲(chǔ)熱混凝土材料砂漿抗壓、抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)按照《水泥膠砂漿檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)的規(guī)定進(jìn)行。試件尺寸為40×40×160mm。其測(cè)試結(jié)果見表1。從表1中可以看出,中溫儲(chǔ)熱混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度均較高溫儲(chǔ)熱混凝土的低;從原材料的性能分析看,可能是由于中溫儲(chǔ)熱混凝土材料中除了加入玄武巖碎石外還添加了強(qiáng)度較低的工業(yè)銅礦渣,這在一定程度上降低了材料整體的強(qiáng)度,另外,在高溫儲(chǔ)熱材料中添加了強(qiáng)度較高的鋁礬土碎石,從而導(dǎo)致了中高溫儲(chǔ)熱材料抗折抗壓強(qiáng)度的差別;另一方面,高溫儲(chǔ)熱材料中添加的鋁礬土碎石與硅微粉在高溫環(huán)境下反應(yīng)生成可耐高溫的莫來石(3Al2O3·2SiO2,在1800℃下仍能穩(wěn)定存在),從而增強(qiáng)材料在高溫環(huán)境下的工作性能。從表1中還可以看出,隨著石墨粉含量的增加,儲(chǔ)熱材料的抗壓、抗折強(qiáng)度均有很大程度的降低,當(dāng)其含量為5%時(shí),中溫儲(chǔ)熱材料的抗折、抗壓強(qiáng)度分別降低了1.5MPa和17MPa;高溫儲(chǔ)熱材料的抗折、抗壓強(qiáng)度分別降低了1.8MPa和18.3MPa。2.儲(chǔ)熱混凝土性能測(cè)試(1)線膨脹系數(shù):將儲(chǔ)熱混凝土試塊加工成尺寸為5×5×15mm的長方體,再利用德國耐弛公司生產(chǎn)的NETZSCH4型線膨脹測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。試樣測(cè)試結(jié)果見圖1和圖2所示。從圖1和圖2中可以看出,混凝土試件在100℃前體積收縮很小,但在200℃后試件收縮逐漸增大,并隨著溫度的升高而進(jìn)一步增大;其中高溫混凝土試件在800℃后線膨脹率呈直線降低,在1000℃最大收縮率達(dá)到5.7×10-2K-1,中溫儲(chǔ)熱混凝土在600℃的最大收縮率達(dá)到2.1×10-2K-1;收縮的原因是由于材料首先在干燥的空氣下毛細(xì)空隙中水分大量揮發(fā)而發(fā)生干燥收縮,進(jìn)而在高溫條件下產(chǎn)生自收縮,從而導(dǎo)致材料體積的收縮;另一方面,可能是由于加入到儲(chǔ)熱混凝土中的膨脹劑含量過低,使得膨脹劑的自身膨脹性能無法完全補(bǔ)償儲(chǔ)熱混凝土的體積收縮。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,儲(chǔ)熱混凝土中膨脹劑的用量問題還需進(jìn)一步解決。(2)熱容:將制備的儲(chǔ)熱混凝土試件碾壓磨細(xì),過200目篩,再利用德國耐弛公司生產(chǎn)的NETZSCH5型DSC進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)寶石粉末。試樣測(cè)試結(jié)果見圖3和圖4所示。從圖4可以看出,中溫儲(chǔ)熱混凝土比熱容隨著溫度的升高而增大,均在550℃附近達(dá)到最大值,均超過7.5J/(g·K);在300℃后其材料的比熱容達(dá)到了4.5J/(g·K),性能已經(jīng)達(dá)到甚至超過了低溫下使用的石蠟(4.6-7.1J/(g·K))、水(4.18J/(g·K))甚至硝酸鹽(6.7J/(g·K))等相變材料的熱容值(測(cè)試溫度為27～62℃之間);當(dāng)溫度超過550℃后,儲(chǔ)熱材料的比熱容隨著溫度的升高反而降低;從圖可以看出,中溫儲(chǔ)熱混凝土最佳熱容值對(duì)應(yīng)的溫度范圍為300～600℃。從圖4可以看出,高溫儲(chǔ)熱材料比熱容也是隨著溫度的升高而增大,在900℃附近達(dá)到最大值,均超過15J/(g·K),在700℃時(shí)材料的比熱容均達(dá)到8J/(g·K)以上;當(dāng)溫度超過了900℃后,材料的比熱容隨著溫度的升高而降低;當(dāng)溫度超過950℃后材料的比熱容低于8J/(g·K);從圖中可以看出材料的最佳工作溫度在700～950℃。中、高溫儲(chǔ)熱混凝土材料在各自最佳工作溫度間的比熱容均超過液體儲(chǔ)熱材料——礦物油(2.6J/(g·K)和人工合成油(2.3J/(g·K)比熱容的3倍之多,是完全可行的新型儲(chǔ)熱材料。由圖中可以看出,在材料由室溫升到約100℃的時(shí)候材料的比熱容首先降低,其原因可能是由于材料粉末中含有少量水分,在升溫過程中水分揮發(fā)吸熱而導(dǎo)致的誤差。(3)導(dǎo)熱系數(shù)將儲(chǔ)熱混凝土試塊分別加工成兩塊20×20×6cm和一塊20×20×3cm的長方體板狀,實(shí)驗(yàn)選用湘潭市儀器儀表有限公司生產(chǎn)的DRM-1型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)試。由表2中可以看出,儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著石墨粉含量的增加而增大,當(dāng)石墨粉含量為3%時(shí),材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到或超過1.6w/(m·k),由于儀器的測(cè)量范圍在0.035～1.7w/(m·k),石墨粉含量為5%的儲(chǔ)熱材料無法測(cè)出,說明此時(shí)材料的熱導(dǎo)率高于1.7w/(m·k)。根據(jù)復(fù)合材料的近視計(jì)算值導(dǎo)熱系數(shù)在2.345w/(m·k)；這個(gè)數(shù)值是德國熱力學(xué)技術(shù)研究院DoerteLaing等人制備的儲(chǔ)熱混凝土材