CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
高潜热NaF-NaCl-KCl相变熔盐体系设计、蓄热特性及其与316不锈钢的相容性研究
汪洋
Subtype博士
Thesis Advisor黎忠
2020-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword熔盐 相变储热 热物性 不锈钢 腐蚀
Abstract风电、太阳能光伏发电和太阳能光热发电等新能源在空间、时间及强度上存在严重的供需不匹配,迫切需要高性能的储热材料和大规模的储能技术,以解决新能源不连续和时空供需矛盾的问题。熔盐相变储热材料是满足大规模热能存储的潜在储热介质,尤其是针对550~720℃范围内经济性好、潜热高的熔盐相变储热材料更是有望提高新能源的运行稳定性和发电效率,降低储能成本提高经济效益。目前关于经济性好、潜热高的熔盐相变材料的设计筛选、储蓄热特性等问题的研究鲜有报道。基于新能源发展的实际需求,本文的主要研究内容如下:1)以单位储热成本(¥/kJ)和储热密度(kJ/m~3)为依据,综合考虑原料盐的热稳定性和安全性等因素,对单组分原料盐进行了筛选,确定了Na-K-Mg-Ca的氟化盐和氯化盐是潜在的经济高潜热熔盐原料。开发了基于人工神经网络的熔盐配比设计算法,误差在1.5%以内。通过人工神经网络估算、CALPHAD热力学计算对氟氯混合熔盐体系进行了设计优化,最终确定了满足太阳能热发电等新能源需求的经济高潜热的NaF-NaCl-KCl相变熔盐体系。2)为评价熔盐的储蓄热性能,研究了NaF-NaCl-KCl熔盐体系的储蓄热特性参数,探索了储蓄热特性随熔盐组成和温度的变化规律,并依据实验结果对NaF-NaCl-KCl熔盐体系的经济性进行了分析。结果表明:NaF-NaCl-KCl体系形成的NaCl-KCl、NaF-KCl、NaF-NaCl和NaF-NaCl-KCl四种熔盐的熔点分别为660℃、649℃、679℃和604℃,基本覆盖第三代太阳能储热系统的工作温度范围,且具有合理的温度梯度。熔盐熔化焓分别为308.7、454.8、555.0和398.4 kJ/kg,具有较高的相变潜热,非常适合作为相变储热材料。该体系熔盐的比热随温度升高而增加,密度随温度升高而降低,其比热和密度均可以线性回归为组成和温度的关系式。NaF-NaCl-KCl体系的四种熔盐在720℃下基本未现失重,热失重大于3wt%的温度均在770℃以上。若仅考虑相变储能介质本身成本,不考虑净化等难以预估成本,NaF-NaCl-KCl体系熔盐相对文献报道的候选潜热熔盐和现有典型显热熔盐均具有明显的优势。NaF-NaCl-KCl熔盐体系的熔盐具有潜热高、熔融温度合适、热稳定性和经济性优异等优势,均可满足太阳能热发电等新能源发展需求。3)熔盐与结构材料相容性的优劣直接决定着太阳能热发电的安全性和经济性。为评估熔盐与结构材料的相容性,通过静态浸渍实验,研究了316不锈钢在NaF-NaCl-KCl熔盐中的腐蚀行为,探讨了腐蚀机理。研究发现:浸泡后的316不锈钢样片形成氧化物层,质量增加,腐蚀增重随着温度的升高和时间的延长而增加。从腐蚀增重和剖面微观形貌分析确定,316不锈钢腐蚀速率(含贫Cr层)约为60μm/a,316不锈钢对NaF-NaCl-KCl熔盐腐蚀的耐受能力高。其腐蚀机理主要是Cr的扩散流失和选择性腐蚀。腐蚀后,316不锈钢由表及里形成富Fe、Ni表层、富Cr、O中层、贫Cr底层的三层腐蚀结构,其形成的原因可能是腐蚀层生成及其厚度的增加抑制了Cr从合金中向外扩散的速率。NaF-NaCl-KCl体系的熔盐具有合适的相变温度,高的潜热和热稳定性,较好的经济性、良好的结构材料相容性等优势,均可满足太阳能热发电等新能源发展需求,作为潜在经济高性能高温相变储能熔盐值得进一步深入研究。
Pages148
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32489
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
汪洋. 高潜热NaF-NaCl-KCl相变熔盐体系设计、蓄热特性及其与316不锈钢的相容性研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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