太陽能潛-顯熱儲熱復相陶瓷的研究.pdf

1、太陽能具有資源豐富、取之不盡、用之不竭、不會污染環(huán)境和破壞生態(tài)平衡等優(yōu)點。太陽能熱發(fā)電是最可能引起能源革命、實現(xiàn)大功率發(fā)電、替代常規(guī)能源的最經(jīng)濟手段之一。但是太陽能具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點,必須使用蓄熱材料來提高太陽能的利用率及降低使用成本。而顯熱儲熱材料存在儲熱密度和儲熱效率低等不足之處,單一的相變材料在使用時會發(fā)生固態(tài)-液態(tài)間的相互轉(zhuǎn)化,必須使用專門的容器加以封裝,這不但會增加傳熱介質(zhì)與相變材料之間的熱阻,提高熱損耗降低傳熱效率,

2、而且易發(fā)生過冷、相分離、老化和容器腐蝕等問題,特別是高溫相變材料,熱損耗和容器腐蝕問題極其嚴重,大大增加了固-液相變材料的使用成本。
　　 基于單一的顯熱或潛熱儲熱材料的不足,本文研究制備了太陽能潛熱-顯熱復合儲熱陶瓷材料,研究了不同的配方組成和燒成溫度對Al2O3-ZrO2(AZ系)和Al2O3-SiC-ZrO2(ASZ系)兩個系列復合陶瓷材料的結(jié)構(gòu)、性能的影響,研究了相變材料的性能,研究了封裝劑的配方組成、成型方式、燒成制度

3、及其與基體材料的結(jié)合機理,設計了相變材料在蜂窩陶瓷基體中不同的填充方式和填充量,計算了材料相應的潛.顯熱儲熱密度。
　　 以α-Al2O3、部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)(Y2O35.2％)、紅柱石、高嶺土、堇青石、桂廣滑石為主要原料,設計了AZ系列配方組成,干法球磨、半干壓成型,采用無壓燒結(jié)法制備AZ系復合陶瓷材料。利用XRD、SEM等測試手段對AZ系配方樣品進行了性能和微觀結(jié)構(gòu)測試。結(jié)果表明,微米級部分穩(wěn)定氧化鋯的加入會顯著提高樣

4、品的機械強度,堇青石的加入會顯著提高樣品的抗熱震性能,加入20wt％的微米級氧化鋯比加入10wt％的微米級氧化鋯更有利于提高樣品的機械強度,加入20wt％的堇青石比加入10wt％的堇青石更有利于提高樣品的抗熱震性能。當微米氧化鋯和堇青石添加量各為10wt％時,在1340℃燒成溫度下保溫2h可制備出性能優(yōu)良的AZ系蓄熱陶瓷基體材料(B4配方),這種材料的氣孔率為31.48％、吸水率為12.59％、體積密度為2.50g·cm-3、抗折強度為

5、60.83MPa、熱震(室溫～800℃,氣冷)30次不開裂,且熱震后抗折強度為68.83MPa(強度增長率為13.15％),樣品的熱膨脹系數(shù)為5.26×10-6℃-1,且在600℃時,比熱容為0.28kJ·(kg·K)-1、導溫系數(shù)為0.01cm2·s-1、導熱系數(shù)為0.45W·(m·K)-1、蓄熱密度為240.42kJ.·kg-1。相組成分析表明樣品主晶相為剛玉、四方氧化鋯、紅柱石、莫來石、堇青石。SEM研究結(jié)果表明,B4配方樣品熱震

6、前后均較致密,少量連通氣孔,氣孔尺寸為零點幾μm～501μm,晶粒之間生長發(fā)育良好,晶粒尺寸為10μm～80μm,被少量玻璃相包裹緊密連接,球狀的氧化鋯晶體與氧化鋁晶體呈晶間型緊密連接,賦予了樣品較高的強度和抗熱震性?？勺鳛樘柲軣岚l(fā)電用蓄熱材料的基體材料。
　　 以α-Al2O3、PSZ(Y2O35.2％)、碳化硅、紅柱石、堇青石、桂廣滑石為主要原料,設計了ASZ系列配方組成,干法球磨、半干壓成型,采用無壓燒結(jié)法制備ASZ系復

7、合陶瓷材料。利用XRD、SEM等測試手段對ASZ系配方樣品進行了性能和微觀結(jié)構(gòu)測試。結(jié)果表明,隨著碳化硅含量的增加,樣品的機械強度逐漸增加,抗熱震性能也有所改善;當碳化硅添加量為50wt％時,在1280℃燒成溫度下保溫2h可制備出性能優(yōu)良的.ASZ系蓄熱陶瓷基體材料(C5配方),這種材料的氣孔率為24.88％、吸水率為10.44％、體積密度為2.38g·cm-3、抗折強度為66.20MPa、熱震(室溫～800℃,氣冷)30次不開裂,且熱

8、震后抗折強度為76.99MPa(強度增長率為27.89％),樣品的熱膨脹系數(shù)為5.85×10-6℃-1,且在600℃時,比熱容為1.05kJ·(kg·K)-1、導溫系數(shù)為0.01cm2·s-1、導熱系數(shù)為2.26W·(m·K)-1、蓄熱密度為916.91kj·kg-1。相組成分析表明樣品主晶相為剛玉、碳化硅、硅酸鋯、莫來石、堇青石。SEM研究結(jié)果表明,C5配方樣品熱震前后均較致密,少量連通氣孔,氣孔尺寸為零點幾μm～50μm,晶粒之間生

9、長發(fā)育良好,晶粒尺寸為10μm～80μm,被少量玻璃相包裹緊密連接,球狀的氧化鋯晶體與氧化鋁晶體呈晶間型緊密連接,賦予了樣品較高的強度和抗熱震性。滿足太陽能熱發(fā)電用蓄熱材料的基體材料要求。
　　 以C5配方為主要原料,加入不同量的高溫粘結(jié)劑A,設計了封裝劑配方組成,采用塑壓成型和兩段式燒成技術(shù)制備樣品。利用測試樣品抗熱震性和SEM顯微結(jié)構(gòu)研究分析了封裝劑與基體材料的結(jié)合性。結(jié)果表明:加入30wt％高溫粘結(jié)劑A的封裝劑與基體材料結(jié)

10、合性良好,其它5組配方樣品均出現(xiàn)不同程度的開裂或分層現(xiàn)象。計算了相變材料在蜂窩陶瓷中填充在不同位置和不同含量后的材料的儲熱密度,結(jié)果表明,隨著相變材料封裝量的增加,潛熱-顯熱復合陶瓷的儲熱密度增加;隨著溫度的升高,儲熱密度也隨著提高。當相變材料填充了蜂窩陶瓷的2/3孔洞及每個孔洞填充2/3容積時,溫度為600℃時,最佳配方C5樣品的儲熱密度為1132.16kJ·kg-1,溫度升至1000℃時,最佳配方C5樣品的儲熱密度為1590.80