太阳能热发电中Al基合金高温储热材料制备与性能研究

摘要

金属相变材料具有储能密度大、热稳定性和导热性好、相变时过冷度和偏析小等优点,在中高温储能技术应用方面起着重要的作用。但目前在太阳能热发电领域,成熟的可供选择的Al基合金储热材料不多且系统研究其热物性参数的相关人员相对较少。
　　 本文从制备储热材料的工艺出发,利用自制的熔化-凝固实验装置进行480℃～640℃温度之间的热循环,借助差示扫描量热仪(DSC)、光学显微镜(OM)、扫描电镜/能谱仪(SEM/EDS)、电导仪、热膨胀仪对Al基合金储热材料的热稳定性和显微组织进行了系统研究。
　　 经DSC测试分析:Al-Si二元合金储热材料的相变潜热随着合金中Si含量的增加而增加,Al-13％Si-5％Mg三元合金由于Mg加入对提高相变潜热有负效应,同时也降低了起始熔化温度。Al-13％Si、Al-17％Si、Al-21％Si合金的熔化潜热随热循环次数的增加而略有下降,熔化起始温度略有上升,经过1200次热循环后,相变潜热相对循环前试样分别下降了4.5％、4.1％、3.2％；熔化起始温度相对循环前试样分别上升了0.47％、0.30％、0.21％。热循环前后Al基合金储热材料具备良好热稳定性。
　　 通过OM、SEM/EDS检测分析:针对亚、过共晶Al-Si合金分别采取钠盐和磷盐变质剂,制备的储热材料试样在热循环前晶粒组织细小且分布均匀,但热循环后过共晶合金随着热循环次数的增加,组织中晶粒长大变粗,共晶组织的数量增多且在一个方向相对循环前迅速长大,Al和Si在晶界存在不同程度的富集现象,且a相基体存在疏孔和不同程度的氧化。随着含Si量增加,合金中富硅粒子、初晶Si相数量增多、尺寸也变大。
　　 相同的热循环次数,三种过共晶Al-Si合金储热材料随Si含量从13％到17％、21％的增加,导热率呈下降趋势,而且下降的幅度会随Si含量增加而加大:热循环前的试样依次降低了6.0％和10.2％；热循环400次的试样依次降低了5.5％和10.1％；热循环800次的试样依次降低了5.8％和12.5％,热循环1200次的试样依次降低了8.0％和15.0％；线膨胀系数随Si含量的提高而降低,热循环400次的试样依次降低了7.7％和13.9％；热循环800次的试样依次降低了6.5％和13.0％,热循环1200次的试样依次降低了6.8％和13.3％。对于同一种材料,当热循环次数从0增加到400、800、1200次,导热率均有不同程度的降低。Al-13％Si合金降低了3.2％、6.1％和12.1％；Al-17％Si合金降低了2.7％、5.9％和14.5％:Al-21％Si合金降低了3.2％、8.5％和17.3％:线膨胀系数随循环次数的增加略有降低,Al-13％Si合金降低了0.9％、0.6％和1.6％；Al-17％Si合金降低了1.1％、1.1％和1.5％；Al-21％Si合金降低了0.9％、1.1％和1.5％。
　　 研究结果表明:Al-13％Si(近共晶区域Al-Si合金)具备最佳的综合热物性。对比高硅Al-Si合金,该储热材料热循环前相变潜热虽然有所偏低为512J/g,相变温度范围在575℃～591℃之间,但在在长期的热循环过程中具备稳定的储热性能、低膨胀系数和良好的导热性,将其作为储热材料用于太阳能热发电系统中,具有广阔的应用前景和潜在的开发经济价值。