太阳能发电中的液态金属技术基础和应用外文翻译资料

 2022-08-08 09:08

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太阳能发电中的液态金属技术基础和应用

Yueguang Denga,*,Yi Jianga ,Jing Liub,**

aSchool of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, PR China

bTechnical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, PR China

关键词：液态金属、太阳能、热能管理、高级冷却

摘要：在太阳能发电中，传热不仅对光电材料的能量转换效率有重要影响，而且决定了光电材料的稳定性和耐久性。因此，特别关注发展先进的传热材料和方法，以实现更有效的能量转换。近年来，低熔点液态金属材料以其独特的低熔点、高热导率、高潜热、不可燃、无毒等特性，成为一种极具吸引力的传热介质。各种基于液态金属的传热系统已经得到了研究，从而在液态金属材料性能、工业热管理和太阳能发电方面取得了重大进展。本文对液态金属技术在太阳能发电中的基础和应用进行了全面的回顾。具体来说，介绍了三种典型的液态金属材料，包括液态金属流体、液态金属热界面材料和液态金属相变材料。介绍了液态金属基太阳能发电的几种典型应用，包括液态金属冷却增强型光伏发电、液态金属基太阳能热发电、液态金属基太阳热磁流体动力发电、液态金属热界面材料增强型太阳能系统传热和液态金属基太阳能蓄热系统。阐述了这些基本问题及其最新应用研究，并讨论了关键问题。最后，论文总结了这些领域的未来发展和挑战。

简介

在过去的三十年里，由于能源节约和环境保护，替代能源，如太阳能，正受到相当多的关注[1-5]。一般来说，太阳能发电技术可以分为太阳能光伏发电和太阳能热发电。对于这两种发电技术，热管理在这些能量转换过程中扮演着非常重要的角色。对于光伏发电而言，传热不仅对光电材料的能量转换效率有重要影响，而且决定了光电材料的稳定性和耐久性[6-10]。对于太阳能热发电而言，涉及吸热、传热和蓄热过程的热管理对发电系统的效率、可靠性和经济性起着决定性的影响[11-15]。因此，先进的传热材料和有效的热管理方法在太阳能领域。

迄今为止，在先进材料[16-20]、机理研究[21-25]、理论优化[26-30]以及系统在太阳能发电领域的应用[31-35]等方面进行了大量的研究。从热学的角度来看，太阳能的研究主题一般可以分为吸热[36-40]、传热[41-45]和蓄热[46-50]三个方面。首先，为了提高太阳能发电效率，高效的吸热是非常重要的，集热器需要耐高温材料。因此，已经研究和报道了复合增强材料，高吸收涂层和创新的集热器结构[51-55]。其次，对于传热问题，一方面太阳能光伏发电需要控制太阳能电池板的温度，从而提高太阳能电池的发电效率和耐久性。另一方面，太阳能热发电需要在高温下输送高热流，以提高太阳能热发电的热效率发电系统的效率和经济性。最后，利用蓄热系统保证发电系统在多云的日夜连续运行，提高发电系统的输出稳定性和能源利用效率。由此可见，在太阳能发电系统中，吸热、传热和蓄热对光电效率和系统安全性起着重要作用。

从本质上讲，太阳能发电面临的热挑战归因于不断增长的热流密度和伴随而来的高温。如图1所示，一系列传热材料，如水、传热油、熔盐和液态金属，被用来在高温下传输热流，以提高能量转换效率。同时，许多基于这些材料的先进传热技术已经被提出来解决高热流密度的问题。目前，传统的传热技术和传热材料可以满足1000 W/cm2以下热流密度和600 ℃以下工作温度的要求。然而，能源工业对更先进的材料的需求越来越大，以实现更高的温度和更高的热流密度能量输送。在这种情况下，新出现的低熔点液态金属材料是突破传统传热技术限制的潜在候选者。

液态金属是指熔点低于200 °C、不易燃、无毒的低熔点合金(主要是镓基和铋基合金)。近年来，这些液态金属作为新兴的热管理功能材料越来越受到人们的关注[56]。它们具有优异的热物理性质，如低熔点、高沸点、高热导率、高潜热、不可燃性和无毒特性[57-59]。因此，它们不同于太阳能领域常用的传热合金(锂、钠、熔锡、铅铋合金)和储热合金(硅铝合金) ，后者存在熔点高(gt;200 °C)、易燃、毒性大等缺点[60-63].这些低熔点液态金属的对流传热系数可比水高10倍[64-67]。此外，由于液态金属沸点高，物理性质稳定，在高温下可以承受较高的热流密度，有望突破传统水或油系统的传热极限。此外，电磁驱动特性是液态金属的另一个重要优点，它使液态金属能够由无声和节能的电磁泵驱动，而无需机械运动部件[68]。自从Liu等人首次提出使用低熔点液态金属作为计算机芯片热管理的理想冷却剂以来，世界各国对液态金属的传热性能和典型应用进行了大量的基础研究，如热驱动液态金属冷却装置[70]、纳米液态金属流体[71]、太阳能电池的液态金属冷却[72]、液态金属磁流体发电机[73]、液态金属微通道[74,75]和液态金属相变蓄热系统[76]。所有这些应用都基于三种液态金属材料，即液态金属流体、液态金属热界面材料和液态金属相变材料。图2给出了液态金属材料，液态金属传热技术和典型液态金属热应用领域的系统知识图。在这幅图中，液态金属材料的基本发展带来了先进的传热技术，从而促进了太阳能领域的一系列工业实践。

目前，这些低熔点液态金属已迅速成为工业热管理的重要研究课题，其在学术界和工业界在能源领域的重要性也逐渐增加。然而，据我们所知，到目前为止，太阳能领域还没有对这些金属及其应用进行系统的描述。因此，本文对这些新兴的功能材料及其在太阳能领域的应用进行了全面的阐述和讨论。详细阐述了基本的材料问题。

图1. 随着太阳能发电的热流密度和运行温度的不断提高，材料的发展和技术的发展。

图2. 液态金属材料，液态金属传热技术和液态金属热应用领域的系统知识图。

最后讨论了应用研究面临的科学技术挑战，得出了一些重要结论。

液态金属的基本性质

由于液态金属具有优越的热物理性质，可以在工业热管理和太阳能发电中实现高效的传热。多年的系统研究已经开发了一系列液态金属材料[77-81]。通过改变成分和物理或化学处理，可以合成一系列不同熔点、导热系数和导电系数的低熔点合金。根据不同的应用方向，液态金属材料可分为三类，即液态金属流体、液态金属热界面材料和液态金属相变材料。

2.1液态金属流体

液态金属流体是指能在低温下保持液态的低熔点合金。它们具有优异的导热性和导电性，以及稳定的物理性能。此外，它们安全、不挥发、无毒，在室温下不与空气或水发生反应。目前，镓基合金和铋基合金是液态金属传热应用的主要选择，因为它们的低熔点和优异的热性能图3展示了典型的液态金属(Ga66In20.5 Sn13.5，下标表示成分质量分数)、水、热并对其典型的热物性进行了比较。可以看出，液态金属具有较高的导热系数和较好的耐温性，但热容较低。因此，当有足够的体积流量时，液态金属在处理高热流时可以提供更好的对流性能。

图3. 典型的冷却剂及其性能.液态金属(Ga66In20.5 Sn13.5).(b)水.(c)热转换油.分别比较液态金属、水和传热油的典型.(d)导热系数、(e)热容和(f)最高工作温度。

下面介绍了热管理领域中液态金属流体的更详细的热物理性质。

2.1.1熔点

纯镓的熔点是29.8 °C，与其他金属合金化可以降低其熔点。作者的实验室对不同成分的镓基和铋基合金进行了一系列的实验研究。表1列出了基于镓和基于铋的合金的一些典型熔点。

表1

镓基和铋基铝合金的典型熔点(下标表示成分质量分数)。

从表1可以看出，目前已知的基于镓的合金的最低熔点是8 °C。一般来说，熔点越高，成本就越低。因此，在操作温度较高的太阳能领域，熔点较高的液态金属是首选，因为它们可以有效地降低系统成本。镓基合金通常具有过冷效应，这意味着即使温度低于它们的熔点，液态金属也能保持液态。因此，液态金属冷却系统具有一定的抗冻能力。

2.1.2密度、热导率和热容

液态金属流体的对流传热性能主要取决于其密度、热导率和热容。Ma已经通过实验研究了典型的镓基液态金属的热导率和热容量[70]。表2列出了典型的基于镓的合金，基于铋的合金，纯镓和水的热物理性质[74]。可以发现，液态金属流体最显着的优点是其导热系数比传统冷却剂高几十倍。

2.1.3饱和蒸汽压和表面张力

镓基合金和铋基合金的饱和蒸汽压比水低得多，使它们难以蒸发[82]。在 30 °C时，镓的表面张力系数为707 mN/m，约为水的10倍[83]。因此，基于镓的系统更难发生泄漏，这确保了更安全的操作。

2.1.4化学性质

镓基合金和铋基合金在空气中容易形成一层薄薄的氧化层，在室温下不溶于水且与水不发生反应。典型的塑料，如聚乙烯和聚氯乙烯，不与镓基合金或铋基合金反应[82]。镓在高温下会与铜发生弱腐蚀，而且镓与铝的反应更为明显，因此在某些高温应用中需要涂层保护[67]。总之，镓基合金和铋基合金不太可能与低于100 °C的结构材料(如不锈钢和铜)发生反应，但当温度高于100 °C时，需要采取适当的保护方法。

2.2液态金属热界面材料

目前，传统的硅油基热界面材料由于其导热系数低，逐渐缺乏应对高热流的能力。对于高热流密度的应用。

表2

镓基合金，铋基合金，纯镓和水的典型热物理性质。

接触热阻甚至可以占系统总热阻的50%以上，成为整个散热系统的瓶颈[84-88]。以液态金属和无机粉末为主的液态金属热界面材料是热管理领域的突破性创新[89]。它们的热导率比传统的硅油基热界面材料高5-10倍，因此可以获得更好的界面传热性能。图4介绍了典型的液态金属热界面材料(Ga61In25Sn13Zn1 加入1%的氧化镓以提高粘度)、碳增强热润滑脂、碳增强热垫及其典型热物理性能的比较。可以看出，液态金属热界面材料具有更高的热导率和更好的耐温性。

这种典型的液态金属热界面材料的更详细的物理性质如表3所示，其中的数据是通过实验获得的。可以看出，高热导率是最重要的优势。同时，由于液态金属热界面材料的粘度可以通过不同的成分灵活调节，可以方便地用于填补工业上的传热缺口。最后，由于没有有机成分存在，液态金属热界面材料可以承受高温，没有有机物挥发。这确保了更好的可靠性和更长的使用寿命，这在太阳能发电应用中非常重要。

2.3液态金属相变材料

固液相变材料可以通过固液相变过程储存或释放热量。石蜡是当今工业中使用最广泛的相变材料[90-92]。液态金属相变材料是具有高热导率和高潜热的纯金属固-液相变材料[93-95]。与石蜡相比，液态金属相变材料可以更有效地传递热量，并在相同的储热体积下吸收更多的热量。图5给出了典型的液态金属相变材料(Ga80Sn20)，石蜡，熔盐以及它们典型热物理性质的比较。结果表明，液态金属相变材料具有较高的热导率、较高的体积潜热和较好的耐温性。

表4显示了更详细的镓基和铋基液态金属相变材料的热物理性质。这些数据是通过实验获得的。可以看出，与石蜡相比，它们的高导热系数是最重要的优势。此外，虽然液态金属的质量潜热相对较低，但由于其密度较高，体积潜热可能高于传统材料。最后，液态金属相变材料具有稳定的物理和化学特性，从而确保了太阳能热储存系统的稳定和可靠运行。

图4. 典型的热界面材料及其性能.(a)液态金属热界面材料.(b)碳增强热润滑脂.(c)碳增强保温垫.比较液态金属、碳增强热润滑脂和碳增强热垫的典型(d)导热系数和.(e)最高工作温度。

表3

典型液态金属热界面材料(含1 wt%氧化镓的Ga61In25Sn13Zn1)的热物理性质(a25 °C)。

表4

液态金属相变材料的典型热物理性能。

图5. 典型的相变材料及其性能.(a)液态金属相变材料.(b)石蜡.(c)熔盐、液态金属、石蜡和熔盐的典型(d)导热系数.(e)潜热和(f)最高操作温度的比较。

基于液态金属的典型太阳能应用

3.1液态金属冷却增强光伏发电

光浓缩技术被认为是提高光伏发电系统发电能力的有效途径。这是因为它可以大大降低系统成本，用低成本的聚光镜或透镜取代昂贵的光伏电池。然而，光伏电池的效率和可靠性很大程度上受电池温度的影响。此外，浓度下的高热通量可能会对光伏电池造成致命的损害。因此，散热对于先进的高聚焦比光伏发电系统来说仍然是一个巨大的挑战。为了解决这一问题，人们提出了各种被动和主动冷却方法。主动冷却通常比被动冷却具有更好的散热性能，因为泵和风扇被利用并消耗电力[96-98]。随着浓度水平的不断提高，一系列先进的方法，如热管法、射流冲击冷却法和微通道冷却法逐渐出现[99-102]

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