纳米SiO2-熔盐复合储热材料的制备与热物性研究

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能源是人类赖以生存和发展的重要资源,在全球资源与环境问题日趋严峻的今天,开发和利用太阳能是实现可持续发展、促进能源供应多元化、保证能源安全的重要途径之一。太阳能热发电因其输出的电力品质高,电网易于消纳,被认为是可再生能源发电中最有前途的发电方式之一。高温传热蓄热技术是太阳能热发电系统的关键技术,在众多传热蓄热介质中,熔盐在使用温度范围、热稳定性、储热密度及流动传热特性方面具有优势明显。本文对具有较低熔点的四元硝酸盐(Ca(NO3)2-KNO3-NaNO3-LiNO3,简称LMPS盐)进行改良,以期提高其比热。  本文以LMPS盐为基液,粒径为20nm的SiO2纳米粒子作为添加剂,采用超声波分散法和高温熔融法两种方法使其均匀混合,以制备性能良好的复合纳米熔盐-纳米LMPS盐。采用同步热分析仪(DSC)测量纳米LMPS盐的比热,采用扫描电镜(SEM)观察纳米粒子在熔盐中的分布情况。本文分析了超声波频率及振荡时间对复合纳米熔盐比热的影响,优选出一种稳定高效的超声振荡条件;研究了高温熔融法对纳米粒子的分散性和提高熔盐比热的影响,并将两种方法进行对比。  在以上制备方法研究的基础上,本文采用高温熔融法,将LMPS盐和SiO2纳米粒子按照不同的质量比例进行复合制备了一系列复合纳米熔盐。研究结果表明,SiO2纳米粒子添加比例为0.5 wt%时,纳米LMPS盐的比热值最高,约为1.950J/(g·K),相对于纯LMPS盐的比热提高率为24.5%。本文通过差示扫描量热法和热重分析法测量了该纳米LMPS盐的熔点、熔化潜热和分解温度;通过震荡杯法测量了熔盐的粘度并拟合了其与温度的关联式;利用阿基米德原理测量了熔盐的密度;通过比热比较法,采用蓝宝石作为标样,测量了熔盐的比热并拟合了其与温度的关联式;利用激光闪射法测量了熔盐的热扩散系数,并利用密度、热扩散系数和导热系数的关系分析得到了熔盐的导热系数。结果表明,新型纳米LMPS盐的熔点为106.8℃,分解温度高达612.0℃,有较宽的使用温度范围,熔化潜热为100.6 J/g。在200~350℃范围内,新型纳米LMPS盐的热扩散率约为0.098~0.141 mm2/s,导热系数为0.528 W/(m·K)。此外,新型纳米LMPS盐的密度随温度升高而降低,在1.795~1.985 g/cm3范围内变化;添加纳米粒子后,熔盐粘度明显降低,粘度值约为0.72~2.20 mPa ·s。
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