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儲能是消除能源在時間和空間上不均衡問題的有效手段。人類用能的70%都是熱能，因此，儲熱在儲能中占有重要位置。儲熱可以廣泛應(yīng)用在可再生能源利用、工業(yè)余熱回收和清潔供暖等方面。儲熱技術(shù)主要分為顯熱儲熱、相變儲熱、熱化學(xué)儲熱三種，其儲熱密度依次升高，成熟度依次降低。

（來源：微信公眾號“CHPLAZA清潔供熱平臺” ID：chplaza）

“目前我們已經(jīng)知道，顯熱儲熱材料應(yīng)用比較多，而相變和熱化學(xué)儲熱系統(tǒng)的儲熱密度高，相變儲熱系統(tǒng)已經(jīng)慢慢開始了一些商業(yè)化應(yīng)用，熱化學(xué)儲熱系統(tǒng)由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前沒有進行大規(guī)模的應(yīng)用，還處于實驗室階段。”日前于北京舉辦的2019首屆中國清潔供熱蓄熱論壇上，來自上海交通大學(xué)的趙耀代上海交通大學(xué)教授、工程熱物理所所長趙長穎作了題為“相變儲熱與熱化學(xué)儲熱技術(shù)研究進展”的研究報告。

1相變儲熱的研究進展

論壇上，趙耀表示，相變儲熱有儲熱密度高、溫度變化小兩個特點。“在常見的相變儲熱材料應(yīng)用中，我們希望其具有高導(dǎo)熱系數(shù)、合適的相變點、高比熱容、低腐蝕性和良好的循環(huán)穩(wěn)定性等優(yōu)點，但是同時滿足這些性質(zhì)的儲熱材料是不存在的。

基于此，趙長穎教授實驗室研發(fā)了兩種低成本的硝酸鹽相變儲熱材料。第一種材料是硝酸鈣和硝酸鈉的二元鹽，這種鹽與SolarSalt熔鹽相比，相變點與相變潛熱是基本一致的，但成本比熔鹽要低；第二種材料是硝酸鈣、硝酸鈉和硝酸鉀組成的三元鹽，這種鹽既可以作為傳熱流體，也可以作為90℃~100℃的相變儲熱介質(zhì)。

這兩種鹽皆為硝酸鹽，而硝酸鹽的導(dǎo)熱系數(shù)低，那么有沒有導(dǎo)熱系數(shù)本身就很高的相變材料？就此，趙長穎教授實驗室研究了金屬相變材料（鋁硅合金）的儲熱性能，并對其穩(wěn)定性和腐蝕性進一步驗證。關(guān)于相變材料的傳熱強化，趙長穎教授實驗室還研究了金屬泡沫和膨脹石墨，發(fā)現(xiàn)金屬泡沫的金屬骨架會受到一些鹽的腐蝕，骨架會發(fā)生斷裂，不適合長期應(yīng)用。

除了對相變儲熱材料進行研究外，趙長穎教授實驗室還分別從單元與系統(tǒng)層面進行了一系列研究。在相變儲熱單元方面，“我們采用拓撲優(yōu)化理論，對儲熱單元內(nèi)部的傳熱結(jié)構(gòu)進行了高自由度的優(yōu)化，比如我們對肋片結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，得到一種樹枝狀分布的肋片結(jié)構(gòu)，較我們之前常見的肋片，該樹枝狀肋片的傳熱性能提升很大，這種肋片可以通過電火花切割或者3D打印的方式獲得。”在相變儲熱系統(tǒng)方面，“我們圍繞梯級儲熱系統(tǒng)，采用熵產(chǎn)理論和火積耗散理論對各級相變材料的相變溫度分布開展了理論優(yōu)化，并搭建了梯級相變儲熱實驗系統(tǒng)，開展了一系列的實驗研究工作。”

據(jù)趙耀介紹，國外對此也進行了相關(guān)研究，法國的CEA和德國的DLR搭建了相應(yīng)的儲熱系統(tǒng)。

關(guān)于相變儲熱，趙耀總結(jié)到，目前中高溫相變儲熱技術(shù)問題有三點：一是循環(huán)穩(wěn)定性需要進一步的驗證，二是腐蝕性問題，三是相變材料在相變過程中可能會發(fā)生體積變化，而體積變化可能會帶來接觸不良，導(dǎo)致局部的熱阻過高，造成一些安全問題。

2熱化學(xué)儲熱的研究進展

“熱化學(xué)儲熱是目前儲熱密度最大的儲熱方式，可以實現(xiàn)季節(jié)性長期存儲和長距離運輸，并且可實現(xiàn)熱能品位的提升。”趙耀表示，其原理是利用可逆的熱化學(xué)反應(yīng)，來實現(xiàn)儲熱和放熱的過程。

據(jù)趙耀介紹，在熱化學(xué)儲熱方面，趙長穎教授實驗室對熱化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)進行了研究。通過在氧化鈣和氫氧化鈣體系中摻入鋰原子，來改變能量勢壘和原子間贗能隙寬度，繼而改善整個熱化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)性能。此外，趙長穎教授實驗室還對碳酸鈣的反應(yīng)動力學(xué)性能進行了研究，在其中摻雜了二氧化硅顆粒，得到碳酸鈣的分解溫度降低了約50度。

熱化學(xué)儲熱材料呈現(xiàn)粉末狀，傳熱性較差，因此趙長穎教授實驗室也對如何強化傳熱性能進行了研究，“我們建立了等效導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)等效導(dǎo)熱系數(shù)是隨著反應(yīng)變化而變化的，而在這變化中，孔隙率的變化占據(jù)了主導(dǎo)作用。當然，除了傳熱過程外還有傳質(zhì)過程，基于此，實驗室基于分形理論和格子玻爾茲曼方法建立了等效擴散系數(shù)的預(yù)測模型，揭示其傳質(zhì)機理。此外，熱化學(xué)儲熱材料還會存在比較嚴重的團聚和燒結(jié)問題。”

針對氧化鎂和氫氧化鎂體系、氧化鈣和氫氧化鈣體系，趙長穎教授實驗室也進行了相關(guān)研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著儲熱溫度的提高，氧化鎂和氫氧化鎂體系中氧化鎂顆粒變大，并且存在團聚問題；但是氫氧化鈣和氧化鈣體系可通過一個放熱和儲熱的循環(huán)，恢復(fù)了放熱性能，并且可以解決團聚和燒結(jié)的問題。

氧化鎂和氫氧化鎂、氧化鈣和氫氧化鈣屬于氧化物和氫氧化物，會受到二氧化碳的影響，因此趙長穎教授實驗室對二氧化碳的影響也進行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，二氧化碳對于氧化鎂和氫氧化鎂儲熱性能的影響比較小，但是對氧化鈣和氫氧化鈣的影響比較大。此外，實驗室也搭建了熱化學(xué)儲熱實驗系統(tǒng)，探究了不同的真空度、不同溫度、材料摻雜等因素的影響。

趙耀表示，熱化學(xué)儲熱技術(shù)主要存在的問題也有三點：一是化學(xué)反應(yīng)與傳熱的匹配問題，二是蓄熱過程中系統(tǒng)運行參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的控制有待研究，三是穩(wěn)定性有待進一步的測試。

3蓄熱技術(shù)的幾個關(guān)鍵指標和發(fā)展趨勢

在會上，趙耀還羅列了蓄熱技術(shù)的幾個必要指標：對于儲熱系統(tǒng)來說，材料性能、傳熱、系統(tǒng)分析、循環(huán)穩(wěn)定性和過程控制是非常重要的因素；而關(guān)鍵性的要求主要是儲熱密度高、快速響應(yīng)、無腐蝕無污染、低成本等。

趙耀最后表示，蓄熱技術(shù)研發(fā)未來會有四個發(fā)展趨勢：

一是開發(fā)高效低價的蓄熱系統(tǒng)是未來清潔供熱的方向；

二是相變蓄熱雖然蓄熱密度大，有利于設(shè)備的緊湊化和微型化，但是材料的一些性質(zhì)仍需進一步研究，復(fù)合蓄熱材料可以有效平衡性質(zhì)之間中的優(yōu)缺點，所以開發(fā)高性能的復(fù)合結(jié)構(gòu)蓄熱材料是非常有意義的；

三是熱化學(xué)蓄熱溫度范圍高，蓄熱密度較大，但是工藝復(fù)雜并且技術(shù)成熟度低，還需要進行反應(yīng)速率和傳熱性能的良好匹配，也值得進一步研究；

四是相變蓄熱和熱化學(xué)蓄熱的優(yōu)勢明顯，這兩種方式是未來研究的重點方向。