摘 要

因为硝酸盐具有化学性能稳定、生产成本较低、热物理性能良好等优点，目前商用的太阳能光热发电站基本都采用硝酸盐作为传热蓄热材料。然而，硝酸盐的比热容偏低，严重地限制了硝酸盐作为传热蓄热材料的适用性，使太阳能光热发电技术的推广受到了阻碍。

本文采用在无机硝酸盐中添加纳米氧化镁颗粒的方法来提高硝酸盐的比热容，具体的工艺过程本文采用凝胶—溶液燃烧法，先将有机燃料与硝酸镁混合在溶液之中，形成干凝胶或溶胶，再加入到硝酸盐溶液当中，点燃形成最终产物。

对于使用凝胶-溶液燃烧法制备的纳米氧化镁—无机硝酸盐复合材料，本文采用XRD分析材料的物相，SEM观察材料的微观形貌，DSC测试分析材料的比热容。研究结果表明，使用柠檬酸为有机燃料得到的最终产物颗粒较小，但团聚严重，使用尿素为有机燃料得到的最终产物颗粒较大，但团聚程度很小。使用柠檬酸为有机燃料时，400℃时，颗粒最小，团聚最严重，500℃时，颗粒大小和团聚程度都适中，600℃时，颗粒最大，团聚最轻。

通过凝胶-溶液燃烧法合成的纳米氧化镁-无机硝酸盐复合材料的比热容相对无机硝酸盐样品有着明显的提升。无论使用哪种有机燃料，400℃时比热容最低，500℃时比热容最高。使用柠檬酸为有机燃料时，最终产物的比热容要更高一些。使用柠檬酸为有机燃料，点燃温度为500℃时得到的产品，是本文七组样品中比热容最高的。

关键词：比热容；纳米氧化镁；溶液燃烧法

Abstract

Because nitrates have the advantages of stable chemical properties, low production cost, and good thermal physical properties, currently commercial solar thermal power plants basically use nitrate as a heat transfer and heat storage material. However, the specific heat capacity of nitrate is relatively low, which severely limits the applicability of nitrate as a heat transfer and heat storage material, and hinders the popularization of solar thermal power generation technology.

In this paper, the method of adding nanometer magnesium oxide particles to inorganic nitrates is used to increase the specific heat capacity of nitrates. The specific process is gel-solution combustion method. First, organic fuels and magnesium nitrate are mixed in the solution to form dry coagulation. The glue or sol is added to the nitrate solution and ignited to form the final product.

For nanometer magnesia-inorganic nitrate composites prepared by gel-solution combustion method, the phase of the material was analyzed by XRD, the microscopic morphology of the material was observed by SEM, and the specific heat capacity of the material was analyzed by DSC. The results of the study showed that the final product using citric acid as an organic fuel has smaller particles, but agglomeration is serious. The final product particles obtained by using urea as an organic fuel are larger, but the degree of agglomeration is small. When citric acid was used as the organic fuel, the particles were the smallest and the agglomeration was the most severe at 400°C. At 500°C, the particle size and agglomeration degree were moderate. At 600°C, the particles were the largest and the agglomeration was the lightest.

The specific heat capacity of the nano-magnesia-inorganic nitrate composites synthesized by the gel-solution combustion method has been significantly improved compared to inorganic nitrate samples. No matter which organic fuel is used, the specific heat capacity is the lowest at 400°C and the specific heat capacity is the highest at 500°C. When citric acid is used as the organic fuel, the specific heat capacity of the final product is higher. The product with citric acid as organic fuel and the ignition temperature of 500°C is the highest specific heat capacity in the seven groups of samples.

Key words: Specific heat capacity; Nano-magnesia; Solution combustion method

目录

第一章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2显热蓄热材料概述 3

1.2.1 蓄热 3

1.2.2 显热蓄热 4

1.2.3 显热蓄热材料 5

1.2.4 高温熔盐 6

1.2.5 硝酸熔融盐 7

1.3纳米氧化镁 8

1.3.1纳米材料 8

1.3.2纳米氧化镁 8

1.3.3 纳米氧化镁的制备方法 9

1.4凝胶-溶液燃烧法 10

1.4.1 胶凝作用 10

1.4.2 溶胶-凝胶法 10

1.4.3 溶液燃烧法 11

1.5 本论文研究目的与内容 12

第二章 实验部分 13

2.1 实验原料 13

2.2 制备工艺 13

2.3 结构表征及性能测试 14

2.3.1 X射线衍射分析（XRD） 15

2.3.2 扫描电子显微镜（SEM） 15

2.3.3 差式扫描量热仪（DSC） 16

第三章 凝胶-溶液燃烧法制备纳米MgO-无机硝酸盐复合材料 17

第四章 纳米MgO-无机硝酸盐复合材料性能分析 19

4.1 样品的比热容 19

4.2 样品的物相分析 20

4.3 样品的微观形貌分析 21

第五章 总结 24

致谢 25

参考文献 26

第一章 绪论

1.1选题背景及意义

能源在人民的生活中有着无可替代的作用，能源的使用与整个地球的生态环境息息相关。然而，化石能源的可开采年限一直在减少，而且，化石能源的使用过程中，对人类的生存环境产生了不可估量的破坏，人类需要加快可再生能源的开发和利用速度。

在未来的能源供应中，太阳能可能是可再生能源中使用最多的一种。在市场方面，太阳能光伏发电和太阳能热水器已经得到了广泛的应用，除此以外，太阳能热发电技术(solar thermal power generation，STPG)也得到了广泛的关注和研究，在西班牙和美国等国，已经有不少太阳能热发电站开始使用了^[1,2]，如图1.1，图1.2，表1.1所示。

太阳能热发电技术利用太阳能来制造蒸汽，不会产生二次污染，是一种完全清洁的发电方式。太阳能光伏发电需要昂贵的硅晶材料，而太阳能热发电技术只需要相对简单的聚热装置，使太阳能发电的成本下降了很多^[3]。

此外，太阳能不持续、不稳定，这是太阳能发电所面临的困境，而太阳能热发电获得的热能的储存方式价格低廉，形式简单，在没有光照时也可以连续发电，这是其他太阳能发电方式所无法比拟的优势，使太阳能的大规模利用成为可能^[4]。

目前运行的太阳能热发电站中使用最多的传热储热材料是具有良好的热物理性能的硝酸盐，然而，硝酸盐的低比热容严重限制了太阳能热发电技术的推广，提高硝酸盐储热材料的比热容对太阳能热发电技术有着极其重要的意义。

图1.1 世界槽式太阳能热发电站列表

Fig1.1 Trough solar thermal power station list of world

图1.2 世界塔式太阳能热发电站

Fig1.2 Tower solar thermal power station of world

表1.1 世界太阳能碟式热发电站列表

Table1.1 Disc solar thermal power station list of world

1.2显热蓄热材料概述

1.2.1 蓄热

太阳能取之不尽，用之不竭，可以通过光伏，光电等方式发电，取用方便，是一种前景美好的清洁能源。但是，太阳能在地理、昼夜和季节等因素的影响下，存在不稳定，不持续，能量密度低等缺点，然而，只有稳定、连续的电能才能并网使用，这是太阳能发电技术面临的主要难题之一。最有效解决太阳能供给和需求不匹配这个难题的方法是设置蓄能装置^[5]。

蓄能技术一般要求污染偏少，维护较容易，使用价格较低，使用过程中损耗较少，储能密度相对较大等特点。蓄热是太阳能热发电系统中最佳的储能形式，有关蓄热的理论和实验研究已经是太阳能热发电技术研究的重要内容，太阳能蓄热系统现今已经商业化。

蓄热，又称储热(heat storage)，指吸收能量并转化为在自然条件下稳定的热能的过程。对于太阳能光热发电站，当供给高于需求时，可以先把多余的热能暂时储存在蓄热装置之中，当供给低于需求时，蓄热器的放热可以用于补充电能的需要。因此，蓄热可以实现供电的削峰、填平低谷，从而保证电能并网的连续性和稳定性。

根据不同的热能储存方式 ，应用于太阳能热发电技术的蓄热技术分为显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热^[6]。不同蓄热技术的优缺点如表1.2所示。

表1.2 不同蓄热方式比较

Table1.1 Comparison of different heat storage methods

1.2.2 显热蓄热

热容是每一种物质都具有的物理性质，在物质形态不改变而温度变化时，物质会放出或吸收热量，这种原有相态保持不变而温度改变时所需储存或释放的热量被称为显热。显热蓄热就是加热储蓄介质，使其温度升高，达到蓄热的目的。

显热蓄热成本低廉、原理简单。显热蓄热材料原料来源十分丰富，化学性能相对稳定，热容相对较大，热导率比较高，是相对成熟同时应用较多的蓄热材料^[7,8]。

当物质温度由T1升高到T2时，所吸收的热量Q为：

(1-1)

(1-1)式中：c_p为物体的比定压热容；m为物体的质量。

一般物体的比定压热容c_p为温度的弱函数，在较小的温度范围之内，c_p可以视为常数，则式可以转化为

(1-2)

理论上，显热蓄热介质可以使用所有的物质。由式(1-2)知，蓄热量随着蓄热物质的比热容、质量和蓄热温差的增大而增大。然而，在实际运用中，蓄热介质质量越小越好，蓄热温差也不希望超过一定的空间，因此，比热容相对较大的物质更适合作为蓄热介质。

1.2.3 显热蓄热材料

蓄热材料的性能对蓄热装置的性能有着极其重要的影响，蓄热材料的选择就显得极为重要。

表1.3 工业用热载体使用条件

Table1.3 Industrial heat carrier conditions of use

显热蓄热材料价格低廉，大部分可以直接从大自然获得，常见的显热蓄热材料有土壤、鹅卵石、岩石、高温熔盐、热空气、液态金属、有机导热油、压力蒸汽、水。

在太阳能热发电系统中，大规模显热蓄热对高温载体有以下几点要求：