利用沙漠砂制备太阳能蓄热材料的研究

发布时间：2020-11-06 15:46

　　 能源短缺尤其是化石能源枯竭已成为世界性的难题,大力发展新能源迫在眉睫,基于太阳能储量的无限性、存在的普遍性和开发利用的清洁性,太阳能热发电引起了各国科研人员的广泛关注。为了克服太阳能的不稳定性,太阳能热发电设计了蓄热子系统,可在光照正常时将热量储蓄起来,在夜间或光照不足时保证热量供给,使电站连续、稳定工作。我国不仅面临着严峻的能源问题,还面临着严重的土地沙漠化等生态环境问题,目前全国沙漠面积高达64万平方千米,然而沙漠地区具有日照时间长,太阳能资源丰富的优势,针对上述两个问题,本课题就地取材,利用沙漠砂制备太阳能蓄热材料并设计蓄热单元结构,在创造经济效益的同时,实现了生态保护和太阳能利用共同发展。 本文以沙漠砂、页岩、方解石、钾长石、钠长石为主要原料,采用挤出成型的方式,制备了"Ca-Al-Si"系蜂窝蓄热陶瓷材料,采用XRD、SEM等现代分析和测试手段探讨了样品组成、制备工艺对材料的结构和性能的影响。在最佳配方A5的基础上,设计并制备了高温封装剂,讨论了蜂窝陶瓷中相变材料的填充方式,计算了潜-显热复相蜂窝陶瓷材料的蓄热密度,同时基于本研究制备的潜-显热复合蜂窝陶瓷材料,结合前人的研究成果,设计了太阳能热发电蓄热器的蓄热单元、蓄热单元的连接方式以及蜂窝蓄热陶瓷结构尺寸。结果表明："Ca-Al-Si"系蜂窝蓄热陶瓷材料满足太阳能热发电蓄热子系统对蓄热材料的要求,蓄热单元结构设计合理。 对A系列配方的研究表明：引入长石可显著降低样品烧成温度。A系列样品烧成温度范围为1040～1060℃,气孔率变化范围为31.26～47.46%,吸水率变化范围为17.32～33.41%,体积密度变化范围为1.45～1.81g·cm-3,抗折强度变化范围为30.35～58.27MPa。经1060℃烧成的样品A5综合性能较优,其组成为沙漠砂50%、山东页岩20%、大冶方解石15%、林州钠长石5%、山东钾长石10%,其吸水率为17.32%,气孔率为31.26%,体积密度为1.81g·cm-3,抗折强度为30.35MPa,抗热震性达到在室温～800℃(空气中冷却)30次不开裂。经XRD分析,样品主晶相为鳞石英、钙长石和硅酸钙。SEM分析样品微观结构表明钙长石晶体作为骨架,表面分布着大量粒径0.2μm左右的颗粒状鳞石英晶体及直径1.5～4μm的球形硅酸钙晶体,被玻璃相包裹并连接,提高了样品强度。大量颗粒状鳞石英相对于方石英在烧成和冷却的过程中具有较小的体积变化,提高了样品的强度和抗热震性,满足太阳能热发电用蓄热材料对抗热震性能的要求。 为探索沙漠砂制备蜂窝陶瓷的可行性,对最佳配方A5进行挤出实验,在该配方中加入适量粘结剂、增塑剂、润滑剂及水,通过挤出成型制备出蜂窝陶瓷。为安全可靠的封装PCM,对封装剂进行了研究,在蜂窝陶瓷基体的配方中,加入一定组分的熔剂作为高温粘结剂,制备出复合蜂窝陶瓷的封装剂,并封装相变材料工业NaCl, SEM分析表明封装剂与蜂窝陶瓷基体结合性良好。计算出在0～28℃、0～300℃、0～600℃、0～800℃、0～1000℃范围内,以1/2孔洞数量和1/2孔洞容积的方式填充工业NaCl的潜热-显热复相蓄热陶瓷的蓄热密度分别为556.55 kJ·kg-1、962.89 kJ·kg-1、992.16 kJ·kg-1、1142.12 kJ·kg-1、1349.73 kJ·kg-1。 设计了太阳能热发电蓄热器单元,为"Ca-Al-Si"系蜂窝陶瓷在太阳能热发电蓄热子系统中的应用打下了基础。蓄热单元的设计结构合理,传热效率高,经济效益好,达到了初步设计要求,适用于太阳能热发电蓄热子系统。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2011
【中图分类】：TK512
【部分图文】：

武汉理工大学硕士学位论文图2一10为A系列配方样品在最佳烧成温度点烧成后的XRD图谱，图2一n为A系列配方样品在最佳烧成温度点烧成在800℃经受30次热震后的XRD图谱。由图可知，样品的主晶相为鳞石英、钙长石和硅酸钙。比较热震前后XRD图谱可以看到热震后鳞石英晶体的衍射峰数量增加，这主要是由于热震实验促使钙长石晶体溶解于硅酸盐液相之中，而在含Ca的硅酸盐液相中鳞石英晶体的溶解度较低，从而促进了鳞石英晶体的析出，热震后的XRD图2一11中鳞石英晶体数量相对增多，提高了样品的抗热震性能。2.2.8样品的显微结构分析(a)200X(b)2000X(e)5000X(d)10000X图2一 121060℃烧成的Al样品的断面的SEM形貌图Fig.2一 12SEMmorphologyofthefraeturedsurface ofsamPleAlfiredat1060oC图2一12为Al配方在最高1060℃的温度下烧成的样品的SEM图。从图2一12(a)放大倍数200倍和图2一12(b)放大倍数2000倍的显微结构图中可以看出，

样品的结构较为致密，较多闭气孔和少量连通气孔，闭气孔直径为2一10林m。作为骨架的晶体被较厚的玻璃相所包裹，玻璃相表面还有少量球形颗粒状的晶体。当样品显微结构放大至图2一12(c)5000倍和图2一 12(d)10000倍时，可以观察到大量直径在0.2一0.3林m的颗粒状晶体，颗粒状晶体零散的或者鳞片状的分布在包裹骨架的玻璃相表面，少量直径1一1.5林m的球状晶体。结合XRD图2一10分析可知，构成骨架的晶体为钙长石晶体，颗粒状晶体为鳞石英晶体，球状晶体为硅酸钙晶体或者团聚在一起的鳞石英晶体。(a)200X(b)2000X(e)5000X(d)10000X图2一 131060℃烧成的Al样品经30次热震后(800℃一室温)的断面的SEM形貌图Fig.2一 13SEMmorPhologyofthefraeturedsurfaeeofsamPleAlfiredatl060oC after30timesthermalresistance(介 om800oCtoroomtemPerature)图2一13为Al配方在1060’C的温度下烧成的样品经过30次热震后的SEM图。从图2一13(a)放大倍数200倍和图2一13(b)放大倍数2000倍的显微结构图中可以看出闭气孔直径增大，连通气孔数量增多，闭气孔直径为2一15林m。构成骨架的晶体被较厚的玻璃相所包裹，玻璃相表面分布着大量颗粒状的晶体。

武汉理l二大学硕士学位论文当样品显微结构放大至图2一 13(c)5000倍和图2一 13(d)10000倍时，可以观察到大量颗粒状晶体，直径在0.1林m左右，这些颗粒状晶体大量零散的分布在样品内部以及玻璃相表面，还观察到极少数直径0.5林m左右的晶体。结合XRD图2一n分析可知，构成骨架的晶体为钙长石晶体，颗粒状晶体为鳞石英晶体，粒径较大的晶体为硅酸钙晶体或者鳞石英晶体。对比热震前后的样品显微结构图可以看到闭气孔直径增加，连通气孔数量增多，鳞石英晶体粒径减小且更为分散的分布在样品内部。样品内部纵横交错的钙长石骨架提供了样品的强度。热震前后样品内部都有大量的鳞石英晶体，鳞石英晶体在加热和冷却的过程中的体积变化都较方石英要小
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本文编号：2873331