储热技术研究进展

2020-01-13于晓琨栾敬德沈阳航空航天大学能源与环境学院辽宁沈阳110136

化工管理 2020年11期

于晓琨栾敬德（沈阳航空航天大学能源与环境学院，辽宁沈阳110136）

在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，我国将能源列为重点领域之一，并且提倡积极开发利用太阳能等可再生能源。但是，由于太阳能的能流密度较低且太阳能的辐射强度受各种因素影响会有很大的波动，具有显著的地域性以及季节性，导致太阳能供给的间歇性及其供给和需求之间不匹配的问题，大大的限制了对太阳能的有效利用[1]。因此，近年来为了改善这种情况提高能源利用率、改善环境质量，储热技术受到了广大科研人员的青睐。热能的储存能够解决可再生能源供给的间歇性及其供需不同步的难题，提高了能源利用率[2]。

1 显热储热

显热储热主要是依靠温度的升高与降低来进行热量储/释的一种储热形式，存储热量的多少与其本身的温度变化量密切相关。经过科研人员的努力相关技术的发展较为成熟，并且该储热技术在设备的运行方面具有一定的使用优势，便于人员对机器设备进行操作[3]。除此之外，与其它相关的储热技术相比该技术所需要的基础材料最为丰富，例如水和卵石是可以从自然界中直接获得而且价格十分低廉。与此同时，显热储热的技术成本相对低廉，并且在储热材料进行吸热与放热的过程中具有相对简单且容易操作的强化传热技术，因此显热储热技术得到了广大科研人员的推广。

显热储热技术的缺点在于该技术所能应用到的储热材料中大多是储热密度较低，利用率低下的矿物类原料。比如岩石、砂石、矿石、矿物质油约为60 kWh/m3（200-400 ℃），铸铁大约为150 kWh/m3（200-400 ℃），因此显热储热必须采用体积量巨大并且工序繁杂操作复杂的机械设备才能满足相关储热技术的使用条件。此外，用来进行储热的材料与设备和周围环境之间存在着一定的温度差，在储热材料进行热量的存储与释放过程中会导致热量损失严重。因此显热储热技术不适合用来进行热量的长期存储以及大容量存储，具有一定的限制性，阻碍了对未来储热技术的推广。

2 热化学储热

热化学储热是依据化学反应的可逆性原理，利用反应过程中所产生的反应热进行热能存储的技术方式，实现了将热能转化为化学能，并在需要时进行逆向转化。利用化学反应储热必须满足相应的条件：具有良好的可逆性，化学反应响应快并且反应过程中无副反应；热化学反应的产物必须是容易分离并且能够实现稳定储存的物质；在反应体系中，反应前与反应后均不存在有毒、易腐蚀和可燃物；反应过程中所产生的热量大，反应原料价格低廉等。热化学储热技术并没有发生物理相变过程，是一个纯化学反应的过程，如果能够在反应过程中利用催化剂对储热材料进行一定程度的催化，就能够完成热量储存时间延长的目的，能够在一定程度上提高热化学储热在实际生活中的利用率[4]。

热化学储热的优点不胜枚举，但是也具有十分繁杂的化学反应过程，并且有的时候可能要使用大量的催化剂才能够使化学反应得以进行，对化学反应过程以及装备的运行稳定性要求十分的严格。目前对热化学储热的投资成本比较大，技术成熟度比较低并且对储存、释放热量的过程较难控制，因此热化学储热技术仍然在小规模的试验阶段，还有很多的问题亟待解决难以实现大规模的实际应用。

3 潜热储热

根据储热材料从一个相态向另一个相态发生转变时需要大量的热量来维持反应进行的特点来吸收和储存热量是潜热储热的主要理论依据[5]。这是一种具有较高的储热密度，并且能够在小范围的温度浮动过程中进行热量释放的一种储热方式。热量在释放后储热材料会从终止态返回到初始态，相变循环往复实现储、释热，有关科研人员还把它称作相变式储热[6]。

在相变过程中能够产生气体的相关相变材料尽管在发生相变的过程中也具有可观的潜热量，但是储热材料因为在相态发生改变的过程中会产生大量的气体，因此不利于实际的生产应用。与其相比，固-液相变能够实现更好的使用价值，并且在无任何影响因素的情况下，相同物质在温度相同、方向相反的相变过程中储存或释放的相变潜热应该是保持不变的，也是一个纯物理的过程[7]。

4 相变储热材料

相变储热材料关乎相变储热技术的成败，它能够在发生相态改变的过程中实现能量的吸收或释放。由于储热材料发生相变的过程只取决于温度的高低，因此经常被广泛用于热量的存储以及温度控制等相关领域[8]。在室温条件下利用相变储热材料对太阳能进行存储是从80年代开始逐渐发展，主要采用高温水蒸气或熔融盐为主要的储热材料，熔融盐作为储热材料储热量高、适用温度范围广、稳定性好，但储热装置易被熔融盐腐蚀，使用寿命不长[9]。

目前，中低温（＜120oC）储热材料多以石蜡、硬脂酸或棕榈酸等为相变储热载体，但因其导热系数低限制了其工程应用[10]。水合无机盐在中低温热利用领域凭借相对较高的导热系数、廉价的原料以及较大的相变潜热等优势具有很好的研究价值。但是，水合无机盐存在过冷、相分离以及固-液相变易泄露等问题，阻碍了相变储热材料的发展脚步[11]。

此外，虽然相变储热材料的使用领域广泛，种类繁多，但有许多相变储热材料导热系数低或者材料容易被腐蚀，严重影响材料的使用时间与经济价值。近年来为了更好的解决导热性和腐蚀性等问题，科研人员通常把相变储热材料制成微胶囊的形状，以有机化合物及其复合材料、无机化合物或无机矿物等作为储热微胶囊的壳体壁材，以无机或有机相变材料为内部芯材，解决了相变过程发生的液漏问题，解决了传统相变储热材料所具有的腐蚀性、低导热性以及相分离等一系列难题。微胶囊储热材料的传热面积有了很大的提升，并且有效的控制了储热芯材在发生相变时的形态变化，防止其与环境的反应，提高芯材利用率[12]。随着相变储热技术的发展，相变储热微胶囊材料的独特优势使其在相变储热材料研发领域具有良好的发展前景并且逐渐成为了一个热门的研究方向。