利用可见-近红外吸收光谱技术对高温熔融盐蓄热特性研究

Concentrating Solar Power (CSP) is one of most promising power generation by renewable energy, in which thermal storage by molten salts directly absorbing solar energy is one of key techniques. Molten salts become the important heat-transfer and thermal storage media in the CSP system due to their excellent heat-transfer performance, low work pressure, wide work temperature range etc. Previously, many reports indicate that small amount of additives into molten salts can enormously enhance thermal storage performance. In this project, the visible-near-infrared absorption spectra of HTS (40%NaNO2-7%NaNO3-53%KNO3) that is widely used in CSP system is measured to construct the correlation with molten salts thermal storage characteristic, simultaneously, density functional theory (DFT) is employed to predict absorption spectra of additives in molten salts; in addition, the relation of heat-storage characteristic with species and quality of additives is explored by combination of absorption spectra of new molten salts system and key thermo-physical properties. The experimental platform of high-temperature molten salts absorption spectra is established on the basis of standard instrument, of which a method is developed to appraise molten salts thermal storage characteristics by use. It has essential implications for this project, the determination of heat-storage characteristic can supply essential parameters for CSP design, enhancement of thermal storage characteristic by additives into molten salts can tremendously reduce the cost of CSP construction.

太阳能热发电是非常有发展前景的可再生能源发电方式，熔盐直接吸收太阳能蓄热是关键技术之一。熔融盐由于具有传热性能好、液态工作温度范围宽等优点，成为太阳能热发电系统中重要的传蓄热介质。已有研究表明，熔融盐中添加少量添加剂可以显著提高其蓄热性能。本项目以传统太阳能传蓄热介质HTS（40%NaNO2-7%NaNO3-53%KNO3）为研究对象，测定其在可见-近红外波段的吸收光谱，构建吸收光谱与熔融盐蓄热特性的相关性；同时采用密度泛函理论计算方法预测多种添加剂在熔融盐中的增色吸收光谱；结合新体系熔盐吸收光谱和关键热物性参数（比热、导热系数等）测定，探索添加剂种类、添加量等与熔盐蓄热特性变化的关系。本研究利用在标准仪器基础上构建的高温熔融盐吸收光谱实验平台，建立了一种评价熔盐蓄热特性的方法，可以为太阳能热发电站设计提供必要的参数，通过添加剂的方式提高熔盐蓄热特性，可以为降低太阳能热发电成本提供依据。

聚焦太阳能热发电技术（CSP）已经成为世界各国竞相发展的新能源技术。其中，熔盐直接作为“集热器”吸收并储存太阳光热是太阳能热发电中重要技术之一。熔盐体积吸收热（volumetric absorption of solar radiation，VASR）是决定熔盐作为“集热器”蓄热性能好坏的重要因素。.混合硝酸熔盐因其良好的热物性能成为了CSP系统中首选的传蓄热材料，其中以HTS（KNO3-NaNO3-NaNO2，53-7-40 wt.%）使用最为广泛。因此，本项目选择HTS作为研究对象，对其VASR进行了系统研究。在研究过程发现，熔盐的分解对系统效率也有很大影响，因此，本项目还对熔盐的分解机理进行了初步探索。.本项目中，以自主设计的高温原位紫外可见（UV-Vis）和红外（IR）吸收光谱仪为主要研究手段，结合多种其它分析手段对HTS熔盐的吸光率（VASR）和分解机理进行了研究。研究内容主要以下几点：.1）测量400-4000 nm波段内HTS熔盐的吸收光谱，对光谱中的吸收峰进行了归属；并计算其吸光率。.2）研究了水、温度和添加物NaOH对吸光率的影响。.3）研究了熔盐分解机理。.主要研究结果包括以下几点：.1）熔盐中的水分是难以避免的。水在熔盐中形成微纳米气泡可造成光的散射，这会使得熔盐的透过率变低；.2）200-550℃之间，HTS熔盐的透过率随温度先升高然后降低。在350℃时，透过率最高，吸光率最低。 .3）测量NaOH添加物浓度为0%、1%、3%、5%和10%的HTS的吸收光谱、熔点和比热并计算它们的吸光率。.4）我们使用UV-Vis吸收光谱和EPR验证了高温HTS熔盐熔融以后就会生成O2-，O2-在HTS熔盐中会与K+和Na+相互作用并发生电荷转移跃迁，从250℃至600℃，该跃迁吸收峰由423 nm红移至了439 nm。.对HTS熔盐分解机理的研究有助于更加深入地探索熔盐分解发生的过程。除此之外，三元硝酸/亚硝酸熔盐HTS是CSP系统中广泛运用的传蓄热介质之一，从降低系统复杂性和减少建设成本的角度出发，一种使用熔盐进行直接吸热的CSP系统被设计出来，熔盐的吸光率和稳定性对于该系统的设计非常重要。