沙基储热材料性能增强研究：铜添加剂对热导率与储热能力的影响分析

《Results in Engineering》：Evaluation of Sand and Sand-Copper Mixtures for Efficient Thermal Energy Storage

本研究针对可再生能源间歇性供应带来的储能挑战，以阿联酋地区沙漠沙为研究对象，通过掺入废弃铜屑/粉末提升储热介质性能。实验表明铜屑添加使沙体热导率提升85%，但比热容降低；纯沙体系在长期储热中表现更优，为低成本TES系统设计提供了关键参数平衡方案。

　　

随着全球能源转型步伐加快，太阳能等可再生能源的规模化应用面临核心瓶颈——日照间歇性导致的能量供应不稳定。聚光太阳能（CSP）和光伏系统虽能高效捕获能量，却无法满足夜间或阴雨天的用能需求。热储能（TES）技术作为破解这一难题的关键，其介质选择直接影响系统效率与成本。目前主流储热材料如熔盐虽具高导热性，但存在腐蚀性强、工作温度受限（<565°C）及封装成本高等短板；混凝土等固体介质则因热容有限难以胜任高温场景。

在此背景下，沙材料凭借其耐高温特性（可达1000°C）、全球储量丰富及近乎零成本的天然优势，成为TES领域新兴研究方向。阿联酋沙迦大学研究团队在《Results in Engineering》发表论文，系统评估了阿联酋三类沙样（沙漠沙、海滩沙、山地沙）的储热潜力，并创新性地引入废弃铜材进行性能强化。研究通过对比纯沙与沙铜混合物的热物理特性，揭示了导热增强与热容衰减的内在博弈规律，为因地制宜设计低成本、高效率储热系统提供了实验依据。

研究采用多维度技术路线：首先通过X射线荧光（XRF）分析沙样元素组成，结合筛分实验确定颗粒级配；采用KD2 Pro热物性分析仪测量热导率，差示扫描量热仪（DSC）测定比热容（C_p）；自主设计不锈钢储热罐原型（内置9圈螺旋铜管换热器），通过CARIO CD-200F加热循环器实现80°C恒温供水，利用K型热电偶监测充放热过程温度场变化；重点对比纯沙、沙+大铜屑（2wt%）、沙+小铜片（4wt%）三种填充方案的储热性能。

3.1 纯沙分析结果

沙漠沙因二氧化硅（SiO₂）含量最高（25%），比热容达1.316 J/g·K（300°C），显著高于海滩沙（1.075 J/g·K）和山地沙（0.983 J/g·K）。筛分显示沙漠沙属级配不良型，颗粒均匀导致密实度较低（自由沉降密度1.625 g/cm³），但其热导率（0.201 W/m·K）仍优于含盐量高的海滩沙（0.209 W/m·K）和含粉粒的山地沙（0.135 W/m·K）。

3.2 沙铜混合物性能

铜屑添加使热导率显著提升，30%铜屑混合物达0.414 W/m·K，但比热容普遍降低。小铜片混合物在298°C时比热容仅0.951 J/g·K，较纯沙下降28%。这种导热增强与热容减弱的负相关现象，可通过热惯性（ρ·C_p·k）理论解释：铜的高导热性加速热响应，却削弱体系储热密度。

3.4 实验运行数据

4小时充热阶段显示，铜屑混合物温度场均匀化速度比纯沙快3倍，中心点（TC-1）温度在5000秒时反超近管点（TC-2）。但12.5小时储热阶段后，纯沙体系保留热量0.235 kWh，而2%铜屑、4%铜片混合物分别仅存0.187 kWh、0.176 kWh，证实高导热介质不利于长期保热。

3.5-3.7 沙体稳定性

多次75°C循环实验后，沙粒出现轻微结块（杂质熔融所致），颜色略微变浅，但未影响基本性能，证明沙材料在中低温场景下的可靠性。

研究结论强调沙基储热材料的应用场景适配性：纯沙适用于需长时间储能的CSP电站，其高热惯性可维持夜间发电；沙铜混合物则适合快速循环的工业余热回收场景。该成果不仅为沙漠地区可再生能源储能提供了就地取材的解决方案，更通过废弃铜材的增值利用，凸显了循环经济与能源技术的交叉创新价值。未来研究可探索其他金属添加剂或表面改性技术，以平衡导热与储热性能的矛盾。