文 献 综 述

1 引言

太阳能热发电通过镜面反射将太阳能聚集起来并产生高温流体，高温流体通过管道传递到位于地面的蒸汽发生器，产生高压过热蒸汽，推动传统汽轮机发电，包括塔式、碟式、槽式及菲涅尔式。作为可再生能源发电的主要途径之一，太阳能热发电技术是缓解当前能源、环境危机的重要途径之一。

受气候、日照影响，太阳能热发电稳定性较差，同时，发电周期和用电周期不匹配，需要引入太阳能热发电储热系统来保证发电连续、稳定。储热系统按照工作方式可分为显热、潜热、化学反应热三种。显热储热发展较早，技术成熟，储热装置运行和管理较为方便；潜热储热密度较高，储热、放热过程近似恒温；化学储热密度大，但技术复杂，使用不便，对系统和设备要求较高，仅用于少数特殊领域。

用于太阳能热发电的储热材料需满足以下标准：1）高能密度；2）良好的热传导性；3）良好的力学、化学稳定性；4）与热交换器、热交换液间的化学相容性；5）储热、放热过程完全可逆；6）低成本。混凝土储热材料化学性能稳定，成本低，储热能力好，热膨胀系数与钢相近，每kWh造价仅为1美元^[1]，相当于硝酸盐的27%，铸铁的3%，铸钢的1.7%，是所有储热材料中最低的，是太阳能热发电的理想储热材料之一。

2 水泥基储热材料的研究概况

高温混凝土储热系统的概念是1988~1992年被提出来的，直到1994年德国宇航中心（DLR）在ZSW(Center for solar energy and hydrogen research)才完成了2个小型实验系统的测试。2001~2003年DLR获得WESPE项目的支持^[1]，2003~2004年完成第一代高温混凝土储能系统的测试^[2]，研究开发了以水泥为粘结剂、氧化铁为骨料的耐高温混凝土，2008~2009年完成了第二代高温混凝土储能系统的测试^[3]

除DLR外，中国科学院电工研究所、武汉理工大学等国内外研究机构均已开展高温混凝土的储热技术研究。葛州坝股份有限公司水泥厂郭成州^[4]研究了在材料中添加热容、热导率大的物质来改善材料整体性能的方法。研究结果表明:当铝酸盐水泥含量为10%时,材料的抗压、抗折强度能满足工业需求;材料的比热容在350℃时达到4.5kJ/ (kg#183;K) ,接近甚至超过某些相变储热材料的比热容;随着石墨粉含量的增加,材料的热导率几乎成直线上升,当石墨含量为5%时材料的热导率大于1.7W/ (m#183;K)。

武汉理工大学朱教群^{[5 6 7]}教授采用铝酸盐水泥作为胶凝材料，添加比热容较大的天然玄武岩、工业废铜矿渣等作为集料以提高混凝土储热材料的比热容，添加工业石墨粉以提高其导热系数，添加高效减水剂以降低用水量和提高混凝土的强度，获得了热导率较高的储热材料，但耐高温混凝土制备所用的胶结材料水泥水化生成的浆体，在升温过程自由水和结合水的脱去会造成整体体积在高温环境下的不稳定，后期工程应用中存在隐患。南京工业大学袁慧雯博士^[8]研究了铝酸盐水泥在不同水灰比下，水化浆体热处理前后力学性能和热学性能的变化，研究表明水灰比增加会使浆体抗压强度、热导率及体积热容都呈下降趋势；水化产物的热分解是导致浆体抗压强度、热导率和热容降低的主要原因。

高温混凝土导热系数不高，除添加高导热性的组分如石墨等，还可以通过优化储热系统的结构设计来增强导热性能，武汉理工大学朱教群教授^[9]通过设计储热结构单元，将钢管由平行排列改为三角错排，使传热性能有所提高；混凝土中加入5%石墨片相比于石墨粉，等效热导率提高了一倍。