太阳能热发电系统相变储热材料选择及研发现状

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326 中 国 电 机 工 程 学 报 第34卷

水，耐火砖或岩石)的5~14倍，具有其它两种方式难以比拟的优点[8-9]，发展潜力巨大。相变储热介质性能的优劣直接影响整个储热系统的性能和成本。现有资料表明，大量材料可在特定温度下发生相变同时释放或者吸收潜热[9-11]，然而要将其用作储热工质，同时又要综合衡量其热物性、腐蚀性、经济性等多种因素。面对多样化的相变储热材料(大于160 000种)[12]和需要同时考虑的各种因素，要筛选出满足要求的最佳储热材料是一项复杂费时的工作，却又是太阳能热利用中厄需解决的关键问题。

本文将通过对相关文献的整理和分析，总结出相变储热材料的筛选原则，对最具发展潜力的高温熔盐材料和相变金属合金材料的研究发展现状以及未来发展趋势进行总结，分析相变储热技术发展中今后应该重点解决的关键问题，为今后高温相变储热技术的开发提供参考。

的衡量必须综合考虑多种因素。

文献[13]介绍了选择相变材料必须依据材料在热力学、动力学、化学、经济性等多方面所表现出来的性能，其作者根据这些准则分析比较后给出了大量适用于高温范围内的相变储热材料及基本的热物性参数。结合文献[8,10,14-20]以及图1中所示关系，分析得到相变储热材料的筛选原则如下。

1）满足热学性能要求。

①合适的相变温度。这可使材料的理想工作温度与其应用温度达到最佳匹配，进而使其处于最佳工作状态。

②较大的相变潜热和较高的比热容。相变潜热大意味着相同相变温度下可以储存更多的潜热，比热容高决定了相同温差下可以储存更多的显热，因此满足此要求的材料总储热量大，，储热密度高。

③较大的导热系数。导热系数大的材料导热性 能好，对相同热量的吸收、释放过程所需的温度梯度小，储热、提热速度快，效率高。

④一致熔融。材料相变前后不同相态的化学组成保持一致，可以避免因固液两相密度不同而导致的相分离现象。

2）满足物理性能要求。

①良好的相平衡。要求材料的相变过程完全可逆并只与温度相关。

②蒸汽压低。工作温度下对应的蒸汽压力较低则材料不易挥发损失。

③密度大。对于相变潜热和比热容相当的不同材料，其中密度大的单位体积储热量大，有助于降低容器成本。

④相变过程体积变化小。体积膨胀率小意味着允许系统储热换热器的型式简单化，同时可以保证一定的传热速率。例如，假设介质凝固时其体积减小10%，那么对于水平放置的圆管，当空隙在顶部时，有效传热面积将减少25%。由于介质的凝固速度、黏度及表面张力等因素的影响，空隙也可能分散在整个储热介质中，这会导致储热介质导热系数变小，传热速率降低[17]。

3）满足动力学性能要求。

①凝固时过冷度尽可能小，熔化时无过饱和。 ②结晶快。

4）满足化学性能要求。

①化学稳定性好。材料经反复多次吸放热后不发生熔析和副反应，不易化学分解，因而长期服役后储热能力衰减小，应用的可行性、可靠性强，可

1 相变储热材料的筛选原则

用于储存潜热的相变材料，其选择原则依赖于许多因素，如材料性能、存储容量、工作温度、传热流体性能以及换热器的设计等[12]。所选材料各方面性能的优劣将直接影响储热系统储热量的多少和储热/提热效率的高低。图1反映了储热装置主要性能和储热材料特性之间的关系，可见二者多种性能指标相互交织、互相影响，对储热材料整体性能

储热换热器的性能 储热材料的特性

火用

图1 储热装置性能和储热材料特性间的关系 Fig. 1 Relationship between performance of heat storage

device and properties of heat storage material

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