介孔尺度、结构及界面对太阳盐热输运和熔化特性的影响

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在众多相变材料中,硝酸盐因热稳定性良好且成本较低在集中式太阳能发电(CSP)系统中得到了广泛的应用。工业上大多应用太阳盐(60wt%硝酸钠-40wt%硝酸钾)。太阳盐的熔点为493K左右,潜热在139.32 k J/kg左右。但是硝酸盐存在着过冷、液相泄漏、导热率低等一系列问题。为了解决这些问题,科研工作者们采用添加纳米颗粒、微胶囊封装、多孔骨架材料吸附等方法制备复合相变储能材料。近几年来,多孔复合相变储能材料的研究主要集中在多孔骨架材料的精选和优化上,多孔材料呈现出孔径尺寸越来越小、孔道结构越来越有序、比表面积越来越大的趋势。由于骨架材料的特殊介孔结构,小尺寸(纳米限域下)物质会表现出与宏观尺度不同的热力学现象,因此多孔骨架基体的孔径、孔结构和孔界面对相变材料的熔化特性存在一定的影响。本文采用分子动力学模拟和实验研究相结合的方式,探究尺度效应、结构效应、界面效应对太阳盐热输运特性和熔化特性的影响。利用Material Studio软件建立不同尺度、两种结构的太阳盐模型和太阳盐/不同组成的多孔铝硅酸盐陶瓷复合相变材料模型,使用Forcite、VAMP等模块,通过径向分布函数、相互作用能等分析手段对模型的体热膨胀系数、导热率、比热容等热物性参数进行分析,并采用差式扫描量热仪和激光导热率分析仪进行实验对比。模拟和实验结果表明:随着温度的升高,太阳盐的体热膨胀系数逐渐减小;随着介孔尺度的增大,太阳盐的体热膨胀系数逐渐减小;与纳米孔内圆球形结构太阳盐相比,相同离子数下纳米柱太阳盐的体热膨胀系数更小。随着介孔尺度的增大,太阳盐的导热率越大;多孔骨架结构的改变影响复合相变材料的导热率;随着骨架Al2O3比例的增大,复合相变材料的导热率逐渐增高,说明Al2O3对导热率的提高起积极和主要作用。太阳盐复合相变材料的定压比热容随介孔尺度的增大而升高,随骨架中Al2O3含量的增加而逐渐增大,且骨架结构的变化对复合相变材料的比热容产生一定的影响。采用Material Studio和LAMMPS软件、差式扫描量热仪对不同尺度、两种结构的太阳盐模型和不同骨架界面的太阳盐复合相变材料模型进行熔点和相变潜热的分析。模拟和实验结果表明:随着尺度的增大,太阳盐的熔点呈现先增大后减小的趋势,体现了纳米尺度下太阳盐熔化特性的尺度效应,由此也说明骨架的孔径大小有一个最佳值;介孔结构的改变影响复合相变材料的熔点;多孔铝硅酸盐陶瓷骨架的加入降低了太阳盐的熔点,且界面结合能较大的复合相变材料的熔点相对较高。复合相变材料的相变潜热与相变材料和骨架之间的结合方式、骨架结构等有关,其相变潜热随介孔尺度的增大而减小;骨架介孔结构的变化对复合相变材料的相变潜热有一定影响;界面不同时复合相变材料的相变潜热不同。
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