面向太阳能热发电系统的石墨泡沫/共晶盐相变储能机理研究

相变储能系统性能及效率对太阳能热发电、高温工业余热回收等系统中能源利用率的提高起着关键的作用。相变材料共晶盐具有潜热高、相变温度和热机循环的最高温度相适应等优点，但其低导热性是其应用的瓶颈。本课题率先采用真空熔罐法，把高导热性能的石墨泡沫与共晶盐进行复合，制备出熔点为200-350℃的高温复合相变储能材料。实验中采用热导仪、差示扫描仪、扫描电镜等对其热物性进行表征，揭示石墨泡沫结构特性对复合相变材料物性的影响。对提出的高温相变储能系统的传热流体和PCM分别建立质量、动量方程及传热流体-管壁-石墨泡沫/相变材料建立耦合的能量方程，其中相变材料和石墨泡沫之间的相界面传热系数应用准稳态热传导方程估算，相变材料渗透率K和CE系数由实验回归得到。控制方程组采用有限容积法离散，编程求解后得到相变材料相变过程，影响储能效率的关键因素，提示其储能机理，为共晶盐相变材料强化传热及储能系统优化奠定理论基础

太阳能热发电已成为国际上可再生能源的发展热点,在我国新能源发展中也具有战略地位。而储能系统是太阳能热发电系统中的关键环节，对于提高系统发电效率、发电的稳定性和可靠性都具有非常重要的意义。为了提高应用于太阳能热发电的高温相变储能系统的传热和储能效率，本课题以高导热材料石墨泡沫/共晶盐复合相变材料为研究对象，重点探索了石墨泡沫/共晶盐复合材料的储能机理。实验首先通过研究不同配比的KNO3和NaNO3对共晶盐相变温度及潜热的影响，进而采用熔融浸渗法制备了石墨泡沫/共晶盐复合相变材料，并分析了主要制备参数（熔融浸渗温度、熔融浸渗时间）对储能密度的影响。对复合相变材料的结构和热物性进行了表征与测定，包括宏观与微观形貌、相变特性、稳定性、导热系数、浸渗率、储能密度等。实验结果表明，熔融浸渗工艺可以用于多孔基复合材料的制备，且制备样品的性能稳定，复合相变材料的导热性能大大提高，但相变温度和相变潜热与纯共晶盐的相近。在此基础上，结合相关的导热理论和模型，建立了适用于复合相变材料的导热模型，并采用数值模拟方法得到了稳态及瞬态条件下的复合相变材料的等效导热系数，同时研究了石墨泡沫结构与物性、PCM物性以及特征温度等因素对等效导热系数的影响。本课题建立了采用石墨泡沫/共晶盐复合相变材料的高温相变储能系统的数学物理模型，研究了复合相变材料储能过程及其影响因素（自然对流、石墨泡沫孔隙度、相变储热器几何尺寸），提出了以总平均热流密度和总熔化（凝固）时间作为储能单元性能的评价指标，并得到了相变储能单元最佳储能特性时的石墨泡沫孔隙度。本项目研究成果丰富了复合相变材料强化传热的理论与实践，为提高高温相变储热装置的储热效率的研究提供了技术指导和理论依据。