太陽能熱發電相變儲能材料的腐蝕與防護.pdf

1、金屬相變儲能材料具有儲能密度大、熱穩定性好、導熱系數高、相變時過冷度小和相偏析少等優點,在中高溫儲能技術應用方面起著重要的作用。Al-Si二元共晶合金作為相變儲能材料已在中高溫儲熱方面獲得廣泛的開發和利用。在太陽能熱發電領域,鋁硅合金是一種較為理想的中高溫相變儲能材料。但在使用過程中,熔融的鋁硅金屬液會對金屬容器以沖刷、形成金屬間化學物等形式的腐蝕,使金屬容器變薄強度下降而最終失效,嚴重阻礙了相變儲能的應用。因此,了解鋁硅合金對金屬容器

2、的腐蝕特性,對于預測容器的失效時間,為儲能發電的穩定性和安全性提供保證,從而為金屬相變儲能的應用打下堅實的基礎。
　　 本文選用含硅量12.07％(質量分數)的鋁硅合金作為相變儲能材料。討論與熔融鋁硅合金腐蝕介質接觸的金屬材料,在長時間處于495～620℃高溫反復循環條件下的抗腐蝕性。為了減緩腐蝕,自配了6種高溫涂料,研究其抵抗熔融鋁硅介質的侵蝕。具體內容如下:
　　 選用310S不銹鋼、20G高壓鍋爐鋼、Y17進口低碳

3、鋼為容器及換熱器材料,研究三種材料在495～620℃高溫反復循環條件下的的抗熔融鋁硅合金液腐蝕的特性。利用掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射等分析手段,對經近1080小時腐蝕后的樣品表面及截面的形貌、成分、組織與結構等進行了分析研究。研究結果表明:1)3種材料的腐蝕速率隨著腐蝕時間的延長,逐漸降低。通過對單位面積失重進行擬合,得出3種材料的動力學生長指數均接近2,說明腐蝕的發生受鐵鋁合金腐蝕層的擴散生長控制,遵循拋物線規律。即:擴散腐蝕層厚度

4、隨時間的延長逐漸趨于穩定。2)在經過1080小時的熔化-凝固循環腐蝕后,310S在三種材料中的抗腐蝕性最好,具有良好的抗鋁硅熔融液腐蝕的能力。20G鋼與Y17低碳鋼相當。這是由于在不銹鋼中含有合金元素如Cr、Ni,這些合金元素會偏聚在晶界上阻礙鋁原子的擴散,使腐蝕層的生長速度減緩。
　　 為了進一步減緩鋁硅液對容器基體的腐蝕,在3種基體上分別涂敷了6種涂料,通過各種儀器檢測涂層性能,檢測結果顯示:1)利用劃格法測試各涂層與基體結

5、合力,T1、T4涂層方案附著力達到0級。T2、T3、T5、T6涂層方案附著力達到1級,均達到較好的結合強度。通過熱震實驗測得,6種方案的抗熱震性均較好。2)對6種涂層方案進行熱導率的檢測,各涂層方案熱導率值與基體接近,涂層材料不影響實驗裝置的傳熱。3)對比各涂層方案的熱導率值,結果分析表明,在涂料中加入SiO2降低了涂層的導熱系數,TiB2和石墨提高了涂層的導熱系數。
　　 將制備的涂料涂層試樣進行熱循環實驗,研究探討了高溫涂料

6、防止容器材料受熔融鋁硅介質腐蝕的特性。實驗結果表明:1)在金屬材料表面涂敷涂料涂層之后,涂層可以有效地抑制儲能材料中的成分在金屬材料中的擴散。2)通過對比涂敷涂層前后試樣的截面掃描圖,觀察發現涂敷涂料后腐蝕層厚度明顯減薄,通過計算腐蝕速率均有下降,說明在金屬材料表面涂敷6種涂層之后,可以有效減緩熔融鋁硅介質對金屬材料的浸蝕,明顯地提高了材料的耐腐蝕性能。3)在本文中研究的6種涂料配方,通過對比截面腐蝕層厚度及各時間段腐蝕速率得出:含有T

7、iB2涂層的方案耐腐蝕性最好。
　　 本文研究了涂料對鋁硅合金熱穩定性的影響。研究結果表明,共晶系鋁硅合金在600℃左右是一種理想的金屬相變儲能材料,涂料成分對鋁硅合金熱穩定性影響不大。經過長達1080小時的熔化.凝固循環后,鋁硅合金的熔化起始溫度隨熱循環次數的增加而略有上升,相變起始溫度從579℃升高到581.4℃；熔化潛熱略有下降,潛熱值從537J/g下降到488.6J/g,熱性能基本保持穩定。在鋁硅介質中放置涂有涂層的試樣

8、進行熱循環1080小時后,通過DSC測試鋁硅合金的潛熱值,由T3～T6分別為486.7J/g、487.3J/g、487.9 J/g、488.2J/g。與未放置涂層試樣循環1080小時后的潛熱值相差不大。涂料成分對儲熱性能的影響是非常有限的。
　　 本課題的研究對于推動鋁硅相變材料在太陽能熱發電領域的發展具有重要而現實的意義。研究結果表明,將鋁硅合金作為儲能介質,使用涂料涂層對金屬材料表面進行防護,可以有效的抵抗熔融鋁硅介質的長時