潜热型熔盐储能材料的制备及其多尺度热质传递特性

With the advantages such as high energy density and low cost, molten salt which based on latent heat for energy storage presents broad prospect in thermal energy application. Aimed at revealing the thermal energy storage mechanisms during the phase change energy storage process of molten salt, the main contents of this project in contains: (1) Preparation and characterization of potassium, magnesium and chlorine based molten salt energy storage materials, (2) Testing the thermal properties and optimizing the structure of the molten salt materials with capsule structure, (3) Phase transition properties and thermal stability of the molten salt on micro and mesoscopic scales, (4) Heat storage and release characteristics, heat and mass enhancement of the molten salt. The expected objectives are described as following: (1) To reveal the effects of different process parameters on particle size capsules of molten salt capsules, (2) To establish the internal relations between structure parameters and thermal properties of molten salt, (3) To reveal the effects of shell encapsulated structure on subcooling, phase separation and thermal stability of molten salt as core material, (4) To build the multiscale heat and mass transfer model of the molten salt capsule within thermal energy storage system. The research results can be used as reference for the design of molten salt based energy storage phase change materials and thus contributing to large-scale application of molten salt.

潜热型熔盐储能具有储能密度高、成本低等优点，在热能利用领域具有广阔前景。本项目针对熔盐相变储能过程中的基础问题，拟开展的研究内容如下：（1）基于钾、镁、氯等熔盐体系的潜热型储能材料的制备与表征；（2）胶囊结构熔盐相变储能材料的热物性测试与结构优化；（3）微介观尺度下熔盐胶囊的固液相变特性与热稳定性；（4）熔盐胶囊相变材料储热/释热特性及传热传质过程强化。预期实现如下目标：（1）揭示不同工艺参数对胶囊粒径的影响规律；（2）建立熔盐结构参数和热物性参数之间的内在联系；（3）揭示壁材封装对熔盐芯材过冷度和相分离以及热稳定性的影响；（4）建立熔盐胶囊相变储能多尺度传热传质理论模型。研究成果为熔盐储能材料的合理设计提供理论指导，进而促进熔盐的大规模应用。

潜热型熔盐储能材料具有储能密度大、成本低等优点，在热能存储领域具有广阔的应用前景。但是熔盐在热能存储过程中过冷度大、稳定性差、导热系数低和多尺度传热传质规律等问题需亟待解决和探索。本项目通过对熔盐储能材料进行胶囊封装，对胶囊材料的粒径分布、形貌特性、热物性以及材料的传热与流动特性进行研究，得到调控材料结构和提升储热性能的有效方法。本项目的主要研究内容如下：(1)基于钠、镁熔盐体系的潜热型储能材料的制备与表征；(2) 潜热型胶囊结构相变储能材料的热物性测试与结构优化；(3)潜热型胶囊结构相变储能材料的固液相变特性与热稳定性研究；(4)潜热型胶囊相变材料储热/释热特性及传热传质过程强化研究。本项目所达成的研究目标如下：(1)通过溶胶凝胶法和乳液聚合法分别制备出了五水合硫代硫酸钠/二氧化硅、七水合硫酸镁/脲醛树脂胶囊相变储能材料，揭示了芯壁比、乳化剂添加量、搅拌速率等工艺参数对胶囊粒径和形貌的影响规律；(2)通过测试不同芯壁比、乳化剂添加量等工艺下制备的潜热型胶囊相变材料的热物性，揭示芯壁比等参数与胶囊相变材料热物性之间的内在联系，并结合分子动力学模拟的方法，得到制备胶囊最佳的材料配比和工艺条件；(3)通过搭建过冷度测试实验台对潜热型胶囊相变材料的过冷度进行测试，得到了胶囊结构与过冷度之间的关系，并通过热重法和冷热循环法揭示了胶囊结构对其热稳定性的影响规律；(4) 通过实验与Boltzmann等方法对潜热型相变材料的多尺度传热与流动特性进行研究，并通过添加碳材料、金属颗粒以及泡沫金属等高导热材料对储能材料的储热过程进行传热强化，提出有效的传热强化方法。本项目公开发表SCI论文14篇，申请发明专利2项，项目成果培养中国矿业大学优秀博士论文1篇、获第九届“侯德榜化工科技青年奖”1项。本项目研究成果揭示了潜热型熔盐储能材料微观结构及其热质传递规律之间的内在联系，为熔盐储能材料的合理设计提供理论指导，进而促进熔盐的大规模应用。