用于太陽能熱發(fā)電的混凝土儲熱材料的研究

用于太陽能熱發(fā)電的混凝土儲熱材料的研究

能源熱能源技術(shù)是當前能源熱能源發(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”也對該技術(shù)投入大量的研究經(jīng)費和力量。儲熱是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的重要部分。儲熱材料和換熱設(shè)備的性能及成本對太陽能電系統(tǒng)的運行參數(shù)、一次投資和運行成本影響很大。用于太陽能發(fā)電中的儲熱材料應(yīng)滿足如下要求:(1)儲熱材料應(yīng)有高熱容或大相變熱;(2)儲熱材料具有高的導熱傳導;(3)儲熱材料應(yīng)有良好的化學和力學穩(wěn)定性;(4)儲熱材料與換熱器及換熱流體之間有良好的化學相容性;(5)在儲熱及放熱循環(huán)過程中應(yīng)完全可逆;(6)低成本。目前用于太陽能熱發(fā)電中的儲熱材料主要有顯熱儲熱和潛熱儲熱。顯熱儲熱材料主要有卵石、混凝土、熔融鹽和油等。其中熔融鹽作為具有高溫傳熱/儲熱一體化功能的流體較為常用。但熔鹽存在的問題是當溫度低于熔點,熔融鹽凝固后發(fā)生的體積變化對換熱管路的破壞。因此采用熔融鹽在傳熱管路上必須采取溫控措施,由此會增加電廠運行成本和自身電耗,也影響了系統(tǒng)的安全性?；炷羶岵牧嫌捎诰哂行阅芊€(wěn)定、成本低的優(yōu)點,是用于太陽能熱發(fā)電的理想候選儲熱材料之一?；炷羶岵牧系拿縦Wh的造價是所有儲熱材料中最低的,相當于硝酸鹽的27%,鑄鐵的3%,鑄鋼的1.7%。與硝酸鹽類相比,混凝土具有更高導熱系數(shù)。德國一公司采用傳統(tǒng)的混凝土材料作為儲熱材料取得一定進展,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,通過對混凝土儲熱材料的組成、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,高效率新型儲熱材料的最佳工藝。一、材料準備1.玄武巖、銅礦渣、礦渣粉本實驗采用的原料如下: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);高效復合減水劑(自制),自來水。2.模具的成型、搗實和烘烤將原料按照設(shè)計比例混合均勻,在100×100×100mm的模具中成型、搗實,三天后脫模,并且在烘箱內(nèi)于105℃下烘烤48小時。其測試抗折強度的試樣的成型模具尺寸為40×40×160mm。3.改善儲熱材料的熱容本實驗過程同國外所采用的普通混凝土作為儲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;同時摻入石墨能使混凝土儲熱材料的導熱系數(shù)得到明顯提高;選用性能優(yōu)異的復合高效減水劑降低施工用水量并提高混凝土的強度。二、結(jié)果與討論1.中溫儲熱混凝土材料砂漿抗壓、抗折強度實驗按照《水泥膠砂漿檢驗方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)的規(guī)定進行。試件尺寸為40×40×160mm。其測試結(jié)果見表1。從表1中可以看出,中溫儲熱混凝土的抗折、抗壓強度均較高溫儲熱混凝土的低;從原材料的性能分析看,可能是由于中溫儲熱混凝土材料中除了加入玄武巖碎石外還添加了強度較低的工業(yè)銅礦渣,這在一定程度上降低了材料整體的強度,另外,在高溫儲熱材料中添加了強度較高的鋁礬土碎石,從而導致了中高溫儲熱材料抗折抗壓強度的差別;另一方面,高溫儲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,儲熱材料的抗壓、抗折強度均有很大程度的降低,當其含量為5%時,中溫儲熱材料的抗折、抗壓強度分別降低了1.5MPa和17MPa;高溫儲熱材料的抗折、抗壓強度分別降低了1.8MPa和18.3MPa。2.儲熱混凝土性能測試(1)線膨脹系數(shù):將儲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型線膨脹測試儀進行測試。試樣測試結(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℃最大收縮率達到5.7×10-2K-1,中溫儲熱混凝土在600℃的最大收縮率達到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空隙中水分大量揮發(fā)而發(fā)生干燥收縮,進而在高溫條件下產(chǎn)生自收縮,從而導致材料體積的收縮;另一方面,可能是由于加入到儲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償儲熱混凝土的體積收縮。從實驗結(jié)果來看,儲熱混凝土中膨脹劑的用量問題還需進一步解決。(2)熱容:將制備的儲熱混凝土試件碾壓磨細,過200目篩,再利用德國耐弛公司生產(chǎn)的NETZSCH5型DSC進行測試。實驗校準物質(zhì)為標準藍寶石粉末。試樣測試結(jié)果見圖3和圖4所示。從圖4可以看出,中溫儲熱混凝土比熱容隨著溫度的升高而增大,均在550℃附近達到最大值,均超過7.5J/(g·K);在300℃后其材料的比熱容達到了4.5J/(g·K),性能已經(jīng)達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(測試溫度為27～62℃之間);當溫度超過550℃后,儲熱材料的比熱容隨著溫度的升高反而降低;從圖可以看出,中溫儲熱混凝土最佳熱容值對應(yīng)的溫度范圍為300～600℃。從圖4可以看出,高溫儲熱材料比熱容也是隨著溫度的升高而增大,在900℃附近達到最大值,均超過15J/(g·K),在700℃時材料的比熱容均達到8J/(g·K)以上;當溫度超過了900℃后,材料的比熱容隨著溫度的升高而降低;當溫度超過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熱材料。由圖中可以看出,在材料由室溫升到約100℃的時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)吸熱而導致的誤差。(3)導熱系數(shù)將儲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,實驗選用湘潭市儀器儀表有限公司生產(chǎn)的DRM-1型導熱系數(shù)測定儀進行測試。由表2中可以看出,儲熱材料的導熱系數(shù)隨著石墨粉含量的增加而增大,當石墨粉含量為3%時,材料的導熱系數(shù)達到或超過1.6w/(m·k),由于儀器的測量范圍在0.035～1.7w/(m·k),石墨粉含量為5%的儲熱材料無法測出,說明此時材料的熱導率高于1.7w/(m·k)。根據(jù)復合材料的近視計算值導熱系數(shù)在2.345w/(m·k)；這個數(shù)值是德國熱力學技術(shù)研究院DoerteLaing等人制備的儲熱混凝土材