中温用蓄热混凝土/熔盐复合材料的制备与性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

近几年来由于严峻的能源问题，人们把目光投向了清洁、廉价而且可持续利用的太阳能。太阳能不仅解决了我们的能源问题，而且也在一定程度上解决了环境问题，这符合可持续发展的策略，如今世界各地都大力发展太阳能产业。但是由于太阳到达地面的分散性，昼夜、纬度、季节等原因引起的间断性以及其他因素引起的不连续性在很大程度上限制了太阳能产业的发展，而蓄热材料可以很好的解决这一问题。

蓄热材料按照其工作方式可分为显热、潜热和化学反应热方式。现在广泛应用的蓄热方式主要是显热和潜热方式。显热蓄热是蓄热最简单的形式，它通过加热固体或者液体使其内能增加从而储存能量。显热蓄热的优点是技术成熟操作简便，制作成本较低，性能稳定；它的缺点是储热密度较低，制作出的产品体积大。潜热蓄热是利用相变材料发生相变时吸收或放出热量来实现能量储存的蓄热方式。潜热蓄热最大的优点是蓄热密度高，蓄热系统的效率高效，体积较小，而且在蓄热过程中潜热蓄热的温度波动小、化学稳定性好。潜热蓄热最常用的是固液相变材料，而熔融盐由于其使用温度范围广、热容量大、化学性质稳定等性质是潜热蓄热领域应用最广泛的固液相变材料。熔融盐中研究最多应用最广的是硝酸盐，作为高温应用的潜热蓄热可通过将不同的盐进行配比得到温度范围更大的混合盐，例如太阳能发电站所使用的熔融盐主要是solar salt熔盐（40%kno₃-60%nano₃）和hitec熔盐（53%kno₃-7%nano₃-40%nano₂）。混合盐同其它类相变材料相比，具有融熔温度可调节性的优点，与单纯盐相比，具有熔融时体积变化小、热稳定性好等优点。如今热能储存不再是纯粹的显热式或者潜热式，而是多种方式复合的形式。例如太阳能发电站中常用的是混凝土和硝酸盐相结合的形式。混凝土是目前单位蓄热量最便宜的蓄热材料，而硝酸盐的蓄热密度和蓄热效率相对较高，混凝土/硝酸盐复合蓄热材料不仅结合了显热蓄热成本低的特点，而且具有潜热蓄热效率高的优点。

目前对显热蓄热材料研究最多的是混凝土材料。蓄热混凝土的研究主要集中在通过成分添加对混凝土蓄热进行改性。如武汉理工大学的朱教群课题组进行了改性石墨对蓄热混凝土的性能的研究，将改性石墨用二氧化硅进行包覆，然后将其添加到混凝土中去，结果表明改性石墨粉不仅可以增加混凝土储热材料的导热性能，而且在一定程度上可以降低混凝土的吸湿性，提高蓄热混凝土的工作性能和强度；华南理工大学的翟德怀课题组利用聚乙二醇/二氧化硅制备出了高性能的复合相变蓄热混凝土，通过凝胶-溶胶法将聚乙二醇和二氧化硅进行结合，然后将其与混凝土直接结合得到了相变蓄热型混凝土，通过研究不同掺量的添加物对蓄热型混凝土的表观密度和抗压强度的影响，得到相变蓄热型混凝土；武汉理工大学王发洲课题组研究了太阳能光热发电系统蓄热混凝土的性能，他们将磨细矿渣粉、聚丙烯腈有机纤维以及石墨集料掺入到混凝土中，研究它们对蓄热混凝土物理力学性能、耐热性能和导热系数等的影响，实验结果表明磨细矿渣粉和石墨集料的掺入可有效提高混凝土的耐热性能，而且石墨集料还显著提高了混凝土导热能力。除了以上对混凝土的宏观研究之外，现在对混凝土的研究已经深入到了纳米尺度，例如将碳纳米球、石墨烯等新型材料进行掺杂从而改善混凝土的性能。

目前对潜热蓄热材料的研究主要集中在相变材料结构稳定化和热导率增强以及潜热蓄热数值模拟等方面。例如马来西亚大学的mohammad mehrali学者利用碳纳米球来增强相变材料的结构稳定性和热学性能，他将硬脂酸和碳纳米球进行复合制备出性能优异的复合相变材料，实验发现当碳纳米球的含量为18wt%时硬脂酸的结构最为稳定。深圳大学的shazim ali memon学者使用宏观包覆的方法将相变材料进行包覆，然后使用轻质的集料制备出性能优良的蓄热混凝土，室内的测试发现，宏观包覆制备出的轻质集料混凝土可以很有效的减少能量的消耗，并且对室温有很好的调控作用，在昼夜温差大的时候这种作用最为明显。国内对熔盐的研究主要是通过数值模拟来进行，例如山西大学的王兴老师对太阳能熔盐热罐的熔化和蓄热过程进行了数值模拟研究，结果表明相同蓄热罐不同的加热内管间距对熔化和蓄热过程有着显著影响，研究结论对蓄热罐的结构设计和优化运行具有一定的参考价值；武汉理工大学的周卫兵老师利用数值模拟的方法对熔融盐与蓄热混凝土组合式换热模型进行了研究，该组合模型以混凝土为蓄热介质，熔融盐（hitec）为传热介质，分析混凝土的导热系数、流体管道长度、热流体进口温度与进口流速等因素对蓄热单元储热规律及其特性的影响。

2. 研究的基本内容与方案

1．基本内容

（1）熔盐的制备。准确称量一定质量的硝酸钠和硝酸钾，高温熔融得到成分确定的solar salt。

（2）熔盐的吸附。将称量好的陶粒放在熔融的solar salt中高温环境下进行吸附。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－9周：按照设计方案，制备中温蓄热混凝土。

第10－12周：采用现代测试技术对中温蓄热混凝土及熔盐的物相、结构等性能进行测试。

第13－14周：总结实验数据，完成并修改毕业论文。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 朱建在, 荆汝林, 邱河梅, 成斌, 朱教群, 周卫兵, 孙正. 改性石墨对蓄热混凝土的性能影响研究[j]. 建材世界, 2014, 06: 47-50.

[2] 吕林女, 吴锡, 何永佳, 平兵, 胡曙光. 太阳能光热发电系统蓄热混凝土的制备与性能[j]. 武汉理工大学学报, 2014, 11: 1-5.

[3] 翟德怀, 高学农. peg/sio₂复合相变蓄热型混凝土的制备研究[j]. 广东化工, 2015, 09: 8-9.