儲熱技術(shù)：提升熱能綜合利用效率

       目前，許多能源利用系統(tǒng)中都存在著能量供應(yīng)和需求不匹配的矛盾，造成能量利用不合理和大量浪費。如太陽能、工業(yè)余熱等能源利用效率較低，不僅浪費資源，也對大氣環(huán)境造成不可忽視的熱污染。

       為此，提高能源轉(zhuǎn)換和利用率就成為各國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略必須優(yōu)先考慮的重大課題，而發(fā)展儲熱技術(shù)進行熱能的綜合有效利用至關(guān)重要。

可利用資源豐富 

       太陽能是可再生能源中最重要的基本能源，它“取之不盡、用之不竭”且分布廣泛、無污染，是經(jīng)濟型的清潔能源。 

       太陽每秒能夠釋放能量391×1021 kW，即使輻射到地球表面的能量只有其二十二億分之一，也相當(dāng)于全世界發(fā)電量的8萬倍。

       我國是太陽能相對富有的國家，全國2/3以上的地區(qū)，太陽能年輻射量超過6 GJ·m2，年日照時數(shù)2200 h以上。我國每年地球表面接收的太陽輻射能約為50×1019 kJ，相當(dāng)于1700億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。如此豐富的太陽能資源也為我國開發(fā)利用太陽能發(fā)電提供了良好的條件。 

       工業(yè)余熱主要來自冶金、建材、化工等行業(yè)。2010年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，工業(yè)余熱資源最高約占其燃料總熱量的67%，其中可回收率達60%，而我國余熱資源的整體利用率較低，大型鋼鐵企業(yè)余熱利用率約在30%~50%左右。

       我國工業(yè)余熱資源利用率的提升空間很大。以冶金行業(yè)為例，2010年我國粗鋼產(chǎn)量為6.27億噸，產(chǎn)生煙氣蘊涵能量相當(dāng)于3000萬噸標(biāo)煤，鋼鐵渣產(chǎn)生量約為2.8億噸，蘊涵的熱能相當(dāng)于1000萬噸標(biāo)煤。目前，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)煙氣余熱利用率約為30%，鋼鐵渣余熱利用率幾乎為零。如果能將煙氣余熱利用率提高至90%，鋼鐵熔渣余熱利用率提高至60%，每年可以節(jié)省2160萬噸標(biāo)煤，減排CO2約5000萬噸，可發(fā)電33億kWh。

       可見余熱回收是我國能源戰(zhàn)略的重大需求，具有不可估量的經(jīng)濟效益，對我國的經(jīng)濟發(fā)展、社會進步和國家能源安全具有重要意義。但是，無論是太陽能還是工業(yè)余熱資源，都存在間歇性和不穩(wěn)定性的問題，嚴(yán)重阻礙了有關(guān)技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

急需中高溫潛熱儲熱技術(shù)

       采用儲熱技術(shù)可緩解熱能供求在時間上、強度上和空間上不匹配的矛盾，是熱能系統(tǒng)優(yōu)化運行的重要手段。儲熱主要包括顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學(xué)反應(yīng)儲熱三種形式。

       化學(xué)反應(yīng)儲熱由于系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)難度大，可操作性不強，目前仍處于實驗研究階段；顯熱儲熱技術(shù)雖然得到了廣泛應(yīng)用，但由于儲熱材料單位體積儲熱密度低導(dǎo)致儲熱材料用量大，使得大容量儲熱系統(tǒng)體積龐大，過程復(fù)雜，成本較高。

       潛熱儲熱是利用儲熱材料相變過程釋放或吸收的潛熱進行熱量的存儲和釋放。相比于顯熱儲熱技術(shù)，潛熱儲熱具有單位體積儲熱密度大的優(yōu)點，且在相變溫度范圍內(nèi)具有較大能量的吸收和釋放，存儲和釋放溫度范圍窄，有利于充熱放熱過程的溫度穩(wěn)定。

       為了提高能量轉(zhuǎn)換效率和降低成本，太陽能熱利用技術(shù)正朝著更高工作溫度發(fā)展，熱發(fā)電的工作溫度已經(jīng)超過600℃，而大量工業(yè)余熱的溫度也非常高（如轉(zhuǎn)爐煙氣溫度為1600℃左右）。

       這些都迫切需要研究和開發(fā)中高溫潛熱儲熱技術(shù)。盡管國內(nèi)外眾多學(xué)者很早就從材料、過程等不同層次開展研究，但迄今為止，仍然沒有成熟的中高溫潛熱儲熱系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

       經(jīng)過國內(nèi)外多家研究單位多年來在該領(lǐng)域的深入研究，并結(jié)合國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，認(rèn)為中高溫潛熱儲熱技術(shù)主要面臨以下突出問題。

       首先，缺乏具有儲熱密度高、導(dǎo)熱能力強等綜合性能的中高溫潛熱儲熱材料。潛熱儲熱技術(shù)的基礎(chǔ)是相變材料，目前關(guān)于石蠟、水合鹽為主的低溫儲熱材料（<100℃）研究已經(jīng)比較廣泛，在建筑、服裝等領(lǐng)域也已得到應(yīng)用。但是中高溫儲熱材料，尤其是熔點＞600℃的高溫相變儲熱材料還比較缺乏。

       其次，中高溫相變儲熱材料以無機鹽和合金為主。選擇候選材料一方面需要深入了解材料相變過程的熱力學(xué)規(guī)律和動力學(xué)機理，另一方面需要從強化傳熱和高效儲熱兩個方面去揭示微結(jié)構(gòu)對材料熱性能的影響規(guī)律。

       除此以外，液—固相變材料的封裝以及材料服役過程中熱性能的衰變性也是中高溫相變材料研究中不可或缺的內(nèi)容，這往往是該類材料研發(fā)中存在的瓶頸問題。

高性能儲熱材料待開發(fā) 

       國內(nèi)外多位科學(xué)家都對金屬作為儲熱材料進行了研究。1980 年，Birchenall等測量分析了由地球上儲量豐富的Al、Cu、Mg、Si 和Zn 組成的二元和三元合金的熱物性，發(fā)現(xiàn)相變溫度在780～850 K 范圍內(nèi)且富含Si或Al 的合金的儲熱密度最高，隨后鋁、硅基合金相變儲熱材料得到了廣泛研究。

       無機鹽材料來源廣泛、相變焓值大、價格適中，特別適合用作中高溫相變儲熱材料。研究人員對溫度高于450 ℃的熔鹽的熱物性進行了研究，并將溫度范圍為220℃~290 ℃的無機共晶鹽的應(yīng)用拓展到了太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域，通過差式掃描量熱等測試方法，測定了熔鹽的熱物性。

       另外，許多熔鹽體系的相變前后的體積變化率超過10%，較大的體積變化率增大了熔鹽相變材料體系內(nèi)空穴，影響了儲/釋熱速率，同時增加了儲熱系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計難度，降低了儲熱效率。為此，研究人員對熔鹽相變儲熱材料與不銹鋼的兼容性進行了研究，結(jié)果表明不銹鋼對大多數(shù)熔鹽有較好的防腐蝕效果。

       同時，在三元鋁基合金相變材料的循環(huán)性能以及與容器的兼容性；氟化物熔鹽與鈷、鎳以及難熔金屬元素合金鋼的兼容性；氫氧化鋰與結(jié)構(gòu)合金材料的兼容性等方面，科學(xué)家也都進行了研究。

       盡管中高溫相變儲熱材料的研究已經(jīng)取得了部分成果，但是金屬及合金相變材料的成本較高、單位質(zhì)量儲熱密度受到限制，加上金屬合金相變材料相變后化學(xué)活性較強，嚴(yán)重的高溫腐蝕大大限制了其在中高溫儲熱領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

       熔鹽作為相變儲熱材料，相變焓較大、儲熱密度高、價格適中，在中高溫儲熱應(yīng)用領(lǐng)域具有較大的發(fā)展?jié)摿Α５侨埯}導(dǎo)熱性不佳且與金屬合金相變材料都存在較嚴(yán)重的高溫腐蝕等問題，仍然是制約其規(guī)模應(yīng)用的難題。

       因此，開發(fā)高性能儲熱材料及其制備方法是中高溫儲熱材料研究的必然趨勢，也是儲熱技術(shù)發(fā)展的必然途徑。

      太陽能、工業(yè)余熱的分散性和大能級跨度以及可再生能源的間歇性等，都需要中高溫相變儲熱技術(shù)。大規(guī)模儲熱技術(shù)的研究涉及到材料科學(xué)、化學(xué)工程、機械工程、傳熱傳質(zhì)學(xué)與多相流動等多個學(xué)科的交叉領(lǐng)域。開發(fā)高性能中高溫相變儲熱材料對中高溫儲熱領(lǐng)域，尤其太陽能熱發(fā)電、工業(yè)余熱回收等領(lǐng)域有著重要意義。

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