武汉理工程晓敏：太阳能热发电热传导材料比较

　　在节能和可再生能源系统中，热能的转换、传输和存储技术是使系统连续稳定运行的关键，研究突破并实际应用这些技术可以使得可再生能源系统变得更有效率。太阳能热发电具有连续、低成本供电和可热电联供等特征，是新一代能源系统中的重要发展方向。随着太阳能热发电功率的提高，对热传导介质的要求也随之提高，传统的传热介质越来越不能满足需求，所以寻求性能更加优越的高温吸热、传热介质成为太阳能热发电研究的重要目标。

图：太阳能热发电用传热介质分类

　　武汉理工大学材料科学与工程学院是我国材料科学与工程学科人才培养、科学研究的重要基地之一。程晓敏教授课题组对于太阳能热发电用传储热材料进行了较多研究。以下是程晓敏教授指导的王青萌、方东研究生的科研成果，以供参考。

　　选择正确的材料是热能传递和储存技术的基础。常用的传热材料是水/蒸汽、导热油、熔盐和液态金属。 

　　由于水/蒸汽介质经济方便，比热容很大，所以水是一种很好传储热介质。如西班牙由Solucar公司建设的PS10 CSP电站，额定功率为10MW，拥有四个蒸汽储热罐，该厂已于2007年3月投入商业运营。

　　除了PS10 CSP电站外，日本的仁尾电站（1981/1MW，日本）和俄罗斯的SPP-Ⅵ电站（1986/5MW，俄罗斯）等也采用水/蒸汽储热和转运系统。 

　　使用导热油作为传热材料和存储介质的优点是对设备的压力要求低。

图：美国SEGS系列槽式太阳能电站

　　世界上第一个商业太阳能热发电站SEGS-I，装机容量为13.8MW，采用双罐蓄热系统（冷油罐/热油罐），使用的传热储热介质为Caloria油（最高可达315℃）。随后的八座发电厂（SEGS-Ⅱ~SEGS-Ⅸ）使用TherminolVP-1（二苯基氧，最高400℃）作为储热介质。

　　熔盐的热稳定性较好，其导热系数为普通有机热载体的两倍，使用温度可达600℃，且具有蒸汽压低，热容量大的优点。

　　美国的MSEE/CatB试验电站(1983年建成)，是最早将熔盐作为传热载体应用到吸热器中的，其传热、储热工质都是用的熔盐，极大的简化了太阳能热发电系统，著名的Solar Two试验电站以及Solar Tres试验电站都是使用的熔盐系统。此外，法国THEMIS电站（1983年/2.5MW）、西班牙CESA-I电站（1983年/1MW）和国际能源署EURELICS（1981年/1MW）等均采用硝酸熔盐储热。

　　金属和合金由于其导热系数高、温度范围广、性能稳定等优点得到了研究人员的广泛关注。特别是低熔点合金的相变潜热低、比热容低，但密度大，所以质量储热密度低，而体积储热密度高，适用于对体积要求高而对重量要求低的情形，是太阳能热发电系统高温传热储热载体的最佳材料，具有广阔的应用前景。 

　　金属相变储热材料具有以下优点：1）储能密度大；2）热循环稳定性好；3）导热系数高；4）相变时过冷度小。但易熔金属及其合金（Sn、In、Ga等）与重金属在高温领域内应用时，对目前主流的钢结构材料作为封装容器会呈现出不同程度的腐蚀。

图：Al-Fe二元相图

　　根据Al-Fe二元相图，Al和Fe在工作温度范围内会发生反应，从而对容器材料产生腐蚀作用。

　　Mg-Bi合金的组分如下表所示。我们对 组成的合金进行了实验研究，合金化学成分与设计组成基本一致。

　　

　　实验发现，三种Mg-Bi合金的相变温度相差不大，Mg-54%Bi的相变潜热最大，为180.5J/g。

　　随着温度的升高，合金的伸长率和热膨胀系数逐渐增大。

　　随着温度的升高，合金的比热容逐渐增大；随着Bi含量的增加，合金的比热容逐渐减小。

　　随着温度的升高，合金的热导率先增加后减小；随着Bi含量的增加，合金的热导率逐渐减小。

　　Mg-36Bi和Mg-54Bi合金的显微组织主要由初晶α-Mg固溶体基体和α-Mg + Mg3Bi2共晶相组成，Mg-60 Bi合金主要Mg3Bi2相和α-Mg + Mg3Bi2共晶相组成。 

　　Mg-36Bi，Mg-54Bi和Mg-60Bi合金的熔融焓分别为138.2,180.5和48.7J/g，三种组合物的相变温度在546-548 ℃。Mg-54Bi的活化能为1322.8 kJ/mol。 

　　与Mg-36Bi合金相比，Mg-54Bi和Mg-60Bi合金的导热系数分别大致下降10和60W/mK。伸长率和线性热膨胀系数也随着温度的升高而增加。

　　由Sn、Bi、Zn、In等低熔点金属元素构成的低熔点合金具有密度高、熔点低、沸点高的特点，在中高温传热储热材料方向也有应用前景。因此，研究添加In元素的Sn-Bi-Zn合金是对新型传热储热材料研究的探索。

　　合金主要由Sn相、Bi相、Zn相、InSn4和BiIn组成；合金化学成分与设计组成基本一致。

　　通过观察Sn-Bi-Zn-In低熔点合金微观形貌（X100），发现：随着In含量的增加，合金物相种类增加，微观形貌分布更加均匀致密，微观界面也随之增多。

　　Sn-Bi-Zn-In低熔点合金微观形貌（X2000）如下所示：

　　Sn-Bi-Zn-In合金微观形貌EDS分析结果如下：

　　分析发现：1）相变焓随In含量的增加而增加；2）相变温度随In含量的增加而降低；3）比热容随In含量的增加而增加。

 

　　Sn-Bi-Zn-In低熔点合金的热扩散系数如下：

　　研究发现：

　　1）Sn-Bi-Zn共晶合金添加In元素后，其熔点可降低至112～133 ℃左右，相变焓提升至47.95～58.07J/g左右，且合金的使用温度比传统传热储热材料高，是一种潜在的中高温传热储热材料。 

　　2）随着In元素含量的增加，Sn-Bi-Zn基体合金中出现了InSn4和BiIn金属间化合物，形成（Sn+In+Zn）结构和（Bi+In+Zn）结构，使得合金的微观形貌变得均匀细小，微观界面增多。 

　　3）In元素的加入可以提升Sn48Bi50Zn2合金的比热容和导热系数，降低合金的膨胀系数及密度，其中(Sn48Bi50Zn2)93In7合金的比热容及导热系数要优于其他成分的合金。

常用传热材料热物性对比表

　　 国家“863”计划：“基于Al-Si-Cu-Mg-Zn合金的高温相变储热材料及高温储热技术的研究”（程晓敏 2009AA05Z420） 

　　 国家“973”计划；“高温传热蓄热材料设计与性能调控原理”（吴建峰，程晓敏 2010CB227105)

　　 国家科技支撑计划：“中温太阳能储热材料与装置研究”（程晓敏，朱教群 2012BAA05B05)

　　 国家自然科学基金项目：“Mg基相变储热材料设计与热循环中的传热传质行为研究”（李元元，程晓敏51206125） 

　　 湖北省科技支撑计划：“太阳能热利用及多能互补分布式能源储热关键技术与应用示范”（程晓敏2013BAA093）