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《储能科学与技术》推荐:含碳二元系相变储热材料储热性能分析选择
作者:周新宇1
单位:1. 西华大学材料科学与工程学院;2. 休斯敦大学物理系及德州超导中心
引用: 周新宇,栾道成,胡志华等.含碳二元系相变储热材料储热性能分析选择[J].储能科学与技术,2022,11(04):1175-1183.
DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0600
摘 要 相变储热技术与聚光太阳能发电技术相结合可以提高太阳能的利用率,减缓化石燃料燃烧带来的环境压力。本文通过分析相变储热材料的选择标准,对筛选出具有研究价值的含碳二元系相变储热材料的性能特别是热物理性能进行分析。研究发现,硅、硼、铝、铬、铁单质材料与碳元素形成的二元化合物或固溶体具有较高的熔点,形成的含碳二元系相变储热材料在高温相变储热领域应用前景广阔。在含碳二元系相变储热材料中,Fe-C二元合金可满足高温相变储热系统1100~1500 ℃的相变储热要求,当合金为含碳4.3%的Fe-C共晶成分时,Fe-C二元合金的相变潜热理论值为611 kJ/kg,热导率约为(40±16) W/(m·K),相变温度为1148 ℃,具有相对其他合金成分更为优异的综合储热性能可用于聚光太阳能热发电系统储热。关键词 相变材料;铁碳合金;高温相变储热;储热性能环境和能源是影响当今社会发展的两大重要因素。目前,化石燃料是世界能源的主要来源,而化石燃料燃烧会排放大量污染物破坏环境,造成温室效应。为缓解环境压力,研究人员一直以来都寄希望于发展可持续新能源以替代传统能源。近年来,新能源的研究发展迅速,但太阳能、风能和海洋能等能量获取方式具有间歇性和波动性的缺点,造成能量供求在时间和空间上不匹配。能量储存作为可以将间歇不稳定能量转变为持续稳定能量的有效手段,可解决能量供求在时空上冲突的难题,有效提高能源利用率。能量储存的方式包括机械储存、电能储存、化学能储存和热能储存等,而热能储存(thermal energy storage,TES)在可再生能源利用、太阳能采暖、建筑节能、电力调峰、工业余热回收和航空航天等领域广受关注,其中相变储热技术是目前业界研究的热点和重点。随着科技的进步,聚光太阳能热发电(concentrating solar power,CSP)技术和光伏发电(photovoltaic,PV)技术逐渐成为全球新能源产业范畴内数量增长最多、效果较为显著的一类发电技术。CSP运行过程中依赖管状聚光太阳能接收器内的相变储能材料(phase change material,PCM)进行储热,其工作原理及装置示意如图1所示。聚光太阳能热发电系统在运行过程中的工作温度可高达1500 ℃,目前在用的相变储热材料种类和工作温度无法完全满足聚光太阳能热发电储热对相变材料的要求,所以研究适用于不同聚光太阳能热发电系统的高温相变储热材料,对提高太阳能热发电效率和降低成本具有重要意义。本文基于含碳(C)二元系相变储热材料优良的储热潜力和经济应用前景,分析研究其相变储热性能,并依据相变储热材料的选择标准挑选适用于高温相变储热领域的二元系相变储热材料,进一步从理论上分析铁碳(Fe-C)二元合金的储热性能。1 相变储热材料的选择标准及选材分析
1.1 相变储热材料选择标准
相变储热材料要根据实际应用场合进行选择,所选材料需要满足自身在热性能、物化性能、动力学性能及经济性能等诸多方面的要求,其相应的选择标准如图2所示。表1 各类相变材料的性能及存在的问题
1.2 单质相变储热材料选择分析
研究单质材料的热物理参数和相变过程是研究多元合金相变储热材料的基础,对于单质相变材料的选择,主要需要考虑以下几点:①在储热温度范围内,该单质材料相变潜热是否较高;②根据物理化学性质,判断其热循环性能及对周围环境的影响;③成本高低、材料的稀有程度和加工特性。将各种常见单质材料的熔化潜热值(ΔHf,kJ/kg)和熔点绘制成图3。可以看出锂(Li)、锗(Ge)、铍(Be)、铬(Cr)、钒(V)、硅(Si)、硼(B)、石墨(C)等单质材料有高(>400 kJ/kg)的熔化潜热,铝(Al)、铁(Fe)、钴(Co)、钛(Ti)、镍(Ni)、钪(Sc)、砷(As)、镁(Mg)等单质材料有较高的熔化潜热(>240 kJ/kg),上述单质材料的相关热物性参数具体如表2所示。表2 具有较高熔化潜热的单质材料
1.3 二元系相变材料选择分析
Hume-Rothery准则是物理冶金学中关于组元之间合金化以后物相选择的重要理论依据,二元合金材料除了遵循以上准则之外,还应该遵循以下几个方面:①形成合金的各组元应具有较高的熔化潜热;②合金体系有合适的共晶温度或化合物熔点;③合金成分选择一般要在共晶成分或化合物组成点附近,以保证相变温度变化范围相对小。目前,从多元系合金理论的复杂性和制备的难度等多角度考虑,高温相变储热材料的设计主要围绕二元合金材料进行,由此从理论上可以预测其熔化潜热值的大小[25],对于A1-wBw(w是物质B的质量分数)来说,二元合金相变潜热(单位kJ/kg)可表示为(1) |
表3 二元系材料的热物性能
2 含碳二元系相变材料储热分析
2.1 含碳二元系
碳元素(C)可以分别与B、Si、Al、Cr形成稳定的二元化合物或固溶体,如图5所示为上述几种元素形成的含碳二元系合金相图。对于Al-C二元系,由图5(a)可知Al4C3的熔点高达2500 ℃,Al4C3-Al二元共晶温度约为660 ℃,而聚光太阳能热发电的工作温度为1000~1500 ℃,相变温度与CSP工作温度不匹配,且Al和C几乎不互溶。虽然Al-C二元系材料理论上熔化潜热值较高,但碳化铝Al4C3遇湿易燃,具有刺激性,遇到热源或火种会引起燃烧和爆炸,对环境污染较大,所以不适用于高温相变储热系统。图5(b)的B-C二元相图中B和C可以形成16种稳定的硼碳化合物,其最低共晶温度大于2000 ℃。在图5(c)所示的Si-C二元相图中,SiC熔点超过2545 ℃,C-SiC共晶温度为1404 ℃,但分析相图可知在此共晶点的Si质量百分含量极低,实际应用中制备的难度很大。如图5(d)所示的Cr-C二元相图中,在几种铬碳化合物中Cr23C6的熔点最低,但其温度也超过1570 ℃,最低共晶温度高达(1534±10)℃。2.2 Fe-C二元系
Fe与C在液态时可无限互溶,固态时C可溶于Fe中形成固溶体(铁素体和奥氏体),含碳量超过固态溶解度形成渗碳体(Fe3C)。铁碳(Fe-C)二元相图如图6所示,根据之前论述的相变储热二元合金体系的选择标准,合金成分应选择在共晶成分或化合物组成点附近,图6中的S点为共析点,在转变温度为727 ℃时发生共析转变:表4 不同碳含量Fe-C合金材料性能比较
3 结论
通过相变储热材料的选择标准,分析单质相变储热材料和含碳二元合金相变储热材料诸如热物理性能等理化性能,可得到以下结论。(1)单质相变材料可以通过与其他元素形成共晶合金或化合物来降低熔化温度,从而用以匹配实际应用。对于相变储热二元合金体系的设计,要求合金各组元的熔化潜热要高。Si、B、C单质材料单位质量相变潜热高,Fe、Al、Cr单质材料单位质量相变潜热相对较高,且材料的价格低廉,二元合金相变材料的组元可从中选择。(2)含碳二元系相变材料具有高的相变潜热和导热系数。当Fe-C二元合金为碳质量分数为4.3%的共晶白口铸铁时,其相变潜热理论值约为611 kJ/kg,导热系数约为(40±16) W/(m·K),综合热物理性能较好。同时其价格低廉,原材料丰富易得,适合大批量生产,在高温相变热能储存领域特别是在聚光太阳能热发电储热领域具有较大的应用潜力。第一作者:周新宇(1997—),男,硕士研究生,研究方向为相变功能材料,E-mail:xyz2653@163.com;
通讯作者:王正云,博士,高级实验师,研究方向为相变功能材料,E-mail:wzy-513@163.com。
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