【科普系列】纳米材料在光热储能熔盐中的应用研究
当今传统能源日益消耗，生态环境破坏严重，是人类生存与发展所面临的重大挑战。因此清洁能源的开发研究，成为全球能源发展的重点与趋势所向。聚光式太阳能热发电（Concentrated Solar Power, CSP）技术是指将太阳能聚集后，通过蓄热介质转化为热能，再将热能传送到发电系统进行发电，是一种绿色清洁的可再生能源发电技术，是未来解决能源问题最理想的途径之一。
塔式太阳能热发电系统（DOI: 10.1016/j.rser.2017.03.139）
传热蓄热技术是光热发电的关键环节，传热性能影响到介质传送热量的速率，越高的传热性能可使水更快地转化为水蒸气，从而提高发电效率。蓄热性能影响介质吸收热量的容量，越高的蓄热性能可以吸收越高的太阳能，从而提高发电效率。熔盐作为传蓄热介质具有明显的优势，其使用温度范围宽、蒸汽压低、腐蚀性低、成本低。2015年国家能源局355号文件规定申报的太阳能热发电示范工程必须采用熔盐作为蓄热介质。近年来利用熔盐进行光热发电取得较大进展，Solar salt (60%NaNO3+40%KNO3）与Hitec (53%KNO3+40%NaNO2+7%NaNO3）是当前光热电站中最普及的两种熔盐介质，然而二者的比热值和导热性能较低，影响了太阳能的利用效率。因此，构建具有高导热和高蓄热性能的熔盐体系，提高太阳能光热发电的利用率，具有深远的意义与实用价值。
自1995年纳米流体强化传热的技术被提出以后，国内外开展了众多相关研究。与传统材料相比，纳米材料具有常规宏观材料所不具备的纳米效应，如：表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等。所以在传蓄热流体中添加纳米粒子，有望增强其传热蓄热性能。将纳米粒子引入熔盐体系，尤其是硝酸熔盐体系中，可显著改善其传热蓄热性能。目前常见的合成工艺主要为高温混熔法和超声分散法：
01
高温混熔法
当掺杂少剂量的纳米粒子时，适合用该法进行制备。高温混熔法无需引入去离子水，制备过程相对简单，更适用于工程化大规模应用。缺点是不适用于所有纳米粒子，掺杂量不可过大，需要纳米粒子与熔盐之间有良好的相容性，并且需要高温设备，成本较高。
02
超声分散法
当掺杂大剂量的纳米粒子时，适合用该法进行制备。超声分散法可引入大剂量的纳米粒子，适用于几乎所有纳米流体的制备。缺点是制备过程繁杂，需要引入大量的去离子水并蒸干，不适用于工程化大规模应用。
发展适用性广、成本较低、分散性好的制备工艺仍是未来研究工作中的重点。
作为硝酸熔盐添加剂的纳米材料可分为以下几类：
01
纳米金属粒子及其氧化物
本类纳米材料制备技术日益成熟，易于对其进行不同结构的调控，并且原料易得、制备成本低，易于大规模生产。如表1（DOI：10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001380）所示，将纳米金属和金属氧化物作为添加剂掺杂到储能材料中，可有效改善材料传热蓄热性能。
02
碳纳米材料
自1985年首次制得富勒烯、1991年制得碳纳米管、2004年制得石墨烯以来，碳纳米材料领域迅猛发展。碳纳米材料独特的微观结构导致其具有机械稳定性好、密度低、高导热、高强度等特性。利用其优异的热学性能，使其与传统材料复合，能大幅提高传统材料的比热或导热系数，得到高储热或高导热性能的复合材料。如表2（DOI：10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001380）所示，将碳纳米材料作为添加剂掺杂到储能材料中，可有效改善材料传热蓄热性能。
03
其他无机纳米材料
除纳米金属、纳米金属氧化物和碳纳米材料之外，其他在熔盐改性中最为常见的无机纳米材料添加剂是SiO2，因其具有制备工艺成熟、粒径可调控、成本低等优势，将其作为添加剂改善熔盐热物性的研究最为常见。如表3（DOI：10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001380）所示，一些其他无机纳米材料也可明显改善熔盐材料的传蓄热性能。
虽然硝酸熔盐已被广泛应用于太阳能光热发电领域，但其传热蓄热性能欠佳，利用纳米材料独特的高导热性能，将其作为添加剂引入到硝酸熔盐体系中，可大幅改善硝酸熔盐的热性能。众多研究者向储能熔盐材料中引入纳米金属粒子、纳米金属氧化物、纳米碳材料等纳米粒子，所制备的复合材料熔点与分解温度变化不大，可维持合适的应用温度范围，而比热值或导热系数得到了大幅提高，将其应用在CSP系统中，有望显著提高传蓄热工质的能量密度和传热速率，促进熔盐工质对太阳能的吸收和热量的传递，从而提高太阳能光热发电的效率，推动CSP产业的发展。
原文出处：
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武延泽, 王敏, 李锦丽, 赵有璟, 王怀有, 魏明
《材料工程》2020, 48 (1): 10-18.
DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001380