分析高温纳米复合相变材料 (ZnO-NaNO?) 在不同实验测试条件下对热能释放的影响，及其在热能储存中的应用

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Analyzing the impact of a high temperature nanocomposite PCM (ZnO-NaNO 3) on thermal energy discharge under different experimental test conditions for applications in thermal energy storage

　　

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  在不同测试条件下评估 ZnO-NaNO₃ 的热能释放。
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  充分混合的 Therminol-55 和空气（强制对流）作为两种不同的传热流体（HTF）。
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  在两种测试条件下，纳米复合材料均显示出凝固时间的减少。
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  5 wt% ZnO-NaNO₃ 的总传热系数最大增加 16%。
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  固相显热回收具有较高的传热系数增强效果。

引言

全球能源需求的持续增长使得 2023 年的发电量为 29,925 TWh [1]。可再生能源对总电力生产的贡献正在增加，2022 年可再生能源的贡献为 29%，预计到 2025 年将上升到 35% [2]。2023 年，全球利用风能和太阳能产生的能量为 1362 TWh，比 2010 年高出约 6 倍 [3]。诸如舒适供暖、工业供暖和工艺供暖等热需求是电能的最终用途之一。为了减少碳足迹、可持续性以及接近净零排放，热需求必须逐步通过太阳能等可再生能源来满足。根据国际能源署的报告，2023 年利用太阳能产生的热能达 456 TWh [4]。太阳能的丰富可用性使其成为理想的能源选择，前提是必须使用适当的能量存储系统来应对其中断性的特点。热能系统用于储存热量，并在需要时用于集中式太阳能发电 [5]、太阳能蒸馏 [6]、太阳能干燥 [7] 等应用，以利用储存的热能，

潜热热能储存（LHTES）系统在固 - 液或固 - 固相变过程中储存热能。LHTES 系统使用相变材料（PCM），这些材料可以是有机、无机或共晶的（有机：有机，无机：无机，有机：无机）。无机 PCM 包括盐、水合盐和金属 [8], [9]。具有高潜热、相变期间体积变化小且热导率合理的盐类，是有机相变材料所无法覆盖的温度范围内首选的相变材料 [10]。有机相变材料在高于 230 °C 的相变温度下不可用 [11]，因此，无机相变材料如金属和金属盐单独满足了高于 250 °C 的高温高密度热能储存需求。硝酸钠是一种无机相变材料，在 306 °C 下熔化，潜热约为 200 kJ/kg。与氯化物相比，硝酸盐腐蚀性较小，且成本较低、资源丰富 [12]。

NaNO₃ 的热导率范围为 0.6–1.4 W/mK [13], [14]，低于金属。虽然潜热是能量储存能力的衡量标准，但热导率影响充放电速率。因此，需要采取措施提高 NaNO₃ 的热导率，或通过传热表面设计的干预来克服较低热导率的局限性 [15], [16]。添加纳米颗粒是提高 PCM 热导率的技术之一 [17]，这也适用于 NaNO₃ [18]。因此，研究表明，单独或结合 NaNO₃ 添加 ZnO [19]、Al₂O₃ [20]、SiO₂ [21], [22]、CuO [14]、Fe₂O₃ [23]、TiO₂ [23] 和石墨烯纳米片 [13] 可以增强热导率，同时要么增强要么降低潜热、比热和相变温度。然而，只有两项实验研究报告了掺入纳米颗粒的硝酸钠的传热性能。

Awad 和 Muayad 测试了 NaNO₃ 和 Fe₂O₃-NaNO₃ 纳米复合材料在壳管式换热器中的性能，测试材料位于壳侧，管侧装有 cartridge 加热器。在 0.75 wt% 浓度下将 Fe₂O₃ 纳米颗粒添加到 NaNO₃ 中，由于复合材料热导率的增加，熔化速率和冻结速率分别提高了 25.6% 和 23.929% [24]。

热能储存系统的性能取决于换热器的设计、用于充放电的传热流体（HTF）以及储能材料的特性。因此，储能材料性能的改善将取决于换热器的类型、HTF 的特性及其流动条件。由于换热器表面由金属或合金制成，因此热阻较低，充放电期间的总热阻依赖于储能材料和 HTF 中的热阻 [25]。虽然添加纳米颗粒到 PCM 中对热物性调节的影响已经得到充分确立，但纳米复合材料的热物性与纳米复合材料的储能性能之间的相关性需要在其在热能储存系统中的不同部署条件下进行研究。本工作试图通过关注 ZnO-NaNO₃ 纳米复合材料的系统级性能来弥补这一差距。

我们之前报告了 ZnO-NaNO₃ 纳米复合材料的热物性，即热导率、潜热和比热随 ZnO 浓度和温度的变化以及潜在的机制 [19]。此外，评估了具有最佳热物性组合的 ZnO-NaNO₃ 纳米复合材料的热循环稳定性，进行了 500 个热循环，结果显示 500 个循环后潜热仅损失 8%。ZnO 化学性质稳定且具有较高的热导率，这促使其被选为纳米材料。因此，在确定了 ZnO 添加到 NaNO₃ 中对其热物性的益处以及 ZnO-NaNO₃ 纳米复合材料的热循环稳定性后，本工作的目的是评估在液 - 固相变和固相显热移除期间，添加 ZnO 纳米颗粒到 NaNO₃ 中对热能储存系统性能的影响，包括凝固时间和传热系数，在不同的放电循环条件下。使用两种不同的 HTF，一种是空气，另一种是高温热流体（Therminol-55），代表了 HTF 侧传热系数方面的两种不同放电条件。用于评估性能的指标是凝固时间、总传热系数（O-HTC）和 PCM 侧传热系数（PCM-HTC）。本研究还评估了在使用掺入 ZnO 纳米颗粒的 PCM 时 HTF 阻力对系统性能的影响，因此为该系统提供了新数据。实验包括液 - 固相变期间的热能释放和固相显热移除，从而模拟了储存为显热（固相）和熔化焓的太阳能热能的回收。

章节摘要

纳米复合材料的制备及其表征

ZnO 纳米颗粒是通过别处报告的湿化学法合成的 [26], [27]，使用硝酸锌六水合物作为前驱体，碳酸铵作为反应伙伴。将所需质量的 ZnO 纳米颗粒与硝酸钠混合，使用固态行星式球磨机制备 ZnO-NaNO₃ 纳米复合材料，ZnO 浓度（0.5 wt% 至 5 wt%）。ZnO-NaNO₃ 纳米复合材料和 NaNO₃ 的潜热、比热和热导率等热物性

PCM 温度的时间变化

图 2 显示了 NaNO₃ 和不同浓度 ZnO 纳米颗粒的 ZnO-NaNO₃ 纳米复合材料温度随时间变化的比较。从图 2 中可以辨认出三个不同的阶段。对应于温度 >306 °C 的区域代表液相，而低于 295 °C 的区域代表固相。液 - 固过渡相在 306 °C 至 295 °C 的温度范围内观察到。从图 2 中可以观察到时间持续时间

结论

评估了含有不同浓度 ZnO 纳米颗粒的 ZnO-NaNO₃ 纳米复合材料的热能储存性能，并在两种不同的测试条件下与 NaNO₃ 进行了比较，即向充分混合的液体浴释放热能和向强制对流下的空气释放热能。可以从本工作中得出以下由数据和讨论支持的结论：

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  ZnO 纳米颗粒的存在有助于减少凝固时间，

CRediT 作者贡献声明

Hari Suthan V.: 写作 – 原稿，方法论，调查，数据整理。 Suganthi K.S.: 写作 – 审查与编辑，形式分析。 Rajan K.S.: 写作 – 审查与编辑，写作 – 原稿，可视化，验证，监督，资源，资金获取，形式分析。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这可能影响本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了 (i) TCS 基金会，孟买通过技术创新中心 资助；(ii) 资助编号：SR/PURSE/2023/165, PURSE 计划，DST，印度；(iii) CUB-CSR 清洁能源与空气项目，印度 (iv) 资助编号：EMR/2016/007091, 科学与工程学院研究委员会，DST，印度 (v) 资助编号：DST/TM/SERI/FR/152(G), DST，印度 和 (vi) PG 教学资助编号：SR/NM/PG-16/2007, SR/NM/PG-04/2015 来自 纳米任务委员会，科学与科技部 (DST)，印度。作者感谢

V. Hari Suthan|K.S. Suganthi|K.S. Rajan