儲(chǔ)能是消除能源在時(shí)間和空間上不均衡問(wèn)題的有效手段。人類用能的70%都是熱能，因此，儲(chǔ)熱在儲(chǔ)能中占有重要位置。儲(chǔ)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(chǔ)熱技術(shù)主要分為顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱、熱化學(xué)儲(chǔ)熱三種，其儲(chǔ)熱密度依次升高，成熟度依次降低。

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“目前我們已經(jīng)知道，顯熱儲(chǔ)熱材料應(yīng)用比較多，而相變和熱化學(xué)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱密度高，相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)已經(jīng)慢慢開(kāi)始了一些商業(yè)化應(yīng)用，熱化學(xué)儲(chǔ)熱系統(tǒng)由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前沒(méi)有進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用，還處于實(shí)驗(yàn)室階段。”日前于北京舉辦的2019首屆中國(guó)清潔供熱蓄熱論壇上，來(lái)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(zhǎng)趙長(zhǎng)穎作了題為“相變儲(chǔ)熱與熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)研究進(jìn)展”的研究報(bào)告。

1相變儲(chǔ)熱的研究進(jìn)展

論壇上，趙耀表示，相變儲(chǔ)熱有儲(chǔ)熱密度高、溫度變化小兩個(gè)特點(diǎn)。“在常見(jiàn)的相變儲(chǔ)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(diǎn)、高比熱容、低腐蝕性和良好的循環(huán)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)滿足這些性質(zhì)的儲(chǔ)熱材料是不存在的。

基于此，趙長(zhǎng)穎教授實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了兩種低成本的硝酸鹽相變儲(chǔ)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(diǎn)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(chǔ)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(méi)有導(dǎo)熱系數(shù)本身就很高的相變材料？就此，趙長(zhǎng)穎教授實(shí)驗(yàn)室研究了金屬相變材料（鋁硅合金）的儲(chǔ)熱性能，并對(duì)其穩(wěn)定性和腐蝕性進(jìn)一步驗(yàn)證。關(guān)于相變材料的傳熱強(qiáng)化，趙長(zhǎng)穎教授實(shí)驗(yàn)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(huì)受到一些鹽的腐蝕，骨架會(huì)發(fā)生斷裂，不適合長(zhǎng)期應(yīng)用。

除了對(duì)相變儲(chǔ)熱材料進(jìn)行研究外，趙長(zhǎng)穎教授實(shí)驗(yàn)室還分別從單元與系統(tǒng)層面進(jìn)行了一系列研究。在相變儲(chǔ)熱單元方面，“我們采用拓?fù)鋬?yōu)化理論，對(duì)儲(chǔ)熱單元內(nèi)部的傳熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高自由度的優(yōu)化，比如我們對(duì)肋片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到一種樹(shù)枝狀分布的肋片結(jié)構(gòu)，較我們之前常見(jiàn)的肋片，該樹(shù)枝狀肋片的傳熱性能提升很大，這種肋片可以通過(guò)電火花切割或者3D打印的方式獲得。”在相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)方面，“我們圍繞梯級(jí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，采用熵產(chǎn)理論和火積耗散理論對(duì)各級(jí)相變材料的相變溫度分布開(kāi)展了理論優(yōu)化，并搭建了梯級(jí)相變儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展了一系列的實(shí)驗(yàn)研究工作。”

據(jù)趙耀介紹，國(guó)外對(duì)此也進(jìn)行了相關(guān)研究，法國(guó)的CEA和德國(guó)的DLR搭建了相應(yīng)的儲(chǔ)熱系統(tǒng)。

關(guān)于相變儲(chǔ)熱，趙耀總結(jié)到，目前中高溫相變儲(chǔ)熱技術(shù)問(wèn)題有三點(diǎn)：一是循環(huán)穩(wěn)定性需要進(jìn)一步的驗(yàn)證，二是腐蝕性問(wèn)題，三是相變材料在相變過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生體積變化，而體積變化可能會(huì)帶來(lái)接觸不良，導(dǎo)致局部的熱阻過(guò)高，造成一些安全問(wèn)題。

2熱化學(xué)儲(chǔ)熱的研究進(jìn)展

“熱化學(xué)儲(chǔ)熱是目前儲(chǔ)熱密度最大的儲(chǔ)熱方式，可以實(shí)現(xiàn)季節(jié)性長(zhǎng)期存儲(chǔ)和長(zhǎng)距離運(yùn)輸，并且可實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱和放熱的過(guò)程。

據(jù)趙耀介紹，在熱化學(xué)儲(chǔ)熱方面，趙長(zhǎng)穎教授實(shí)驗(yàn)室對(duì)熱化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。通過(guò)在氧化鈣和氫氧化鈣體系中摻入鋰原子，來(lái)改變能量勢(shì)壘和原子間贗能隙寬度，繼而改善整個(gè)熱化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)性能。此外，趙長(zhǎng)穎教授實(shí)驗(yàn)室還對(duì)碳酸鈣的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)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(chǔ)熱材料呈現(xiàn)粉末狀，傳熱性較差，因此趙長(zhǎng)穎教授實(shí)驗(yàn)室也對(duì)如何強(qiáng)化傳熱性能進(jìn)行了研究，“我們建立了等效導(dǎo)熱系數(shù)的預(yù)測(cè)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(dāng)然，除了傳熱過(guò)程外還有傳質(zhì)過(guò)程，基于此，實(shí)驗(yàn)室基于分形理論和格子玻爾茲曼方法建立了等效擴(kuò)散系數(shù)的預(yù)測(cè)模型，揭示其傳質(zhì)機(jī)理。此外，熱化學(xué)儲(chǔ)熱材料還會(huì)存在比較嚴(yán)重的團(tuán)聚和燒結(jié)問(wèn)題。”

針對(duì)氧化鎂和氫氧化鎂體系、氧化鈣和氫氧化鈣體系，趙長(zhǎng)穎教授實(shí)驗(yàn)室也進(jìn)行了相關(guān)研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著儲(chǔ)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(tuán)聚問(wèn)題；但是氫氧化鈣和氧化鈣體系可通過(guò)一個(gè)放熱和儲(chǔ)熱的循環(huán)，恢復(fù)了放熱性能，并且可以解決團(tuán)聚和燒結(jié)的問(wèn)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(huì)受到二氧化碳的影響，因此趙長(zhǎng)穎教授實(shí)驗(yàn)室對(duì)二氧化碳的影響也進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，二氧化碳對(duì)于氧化鎂和氫氧化鎂儲(chǔ)熱性能的影響比較小，但是對(duì)氧化鈣和氫氧化鈣的影響比較大。此外，實(shí)驗(yàn)室也搭建了熱化學(xué)儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)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(chǔ)熱技術(shù)主要存在的問(wèn)題也有三點(diǎn)：一是化學(xué)反應(yīng)與傳熱的匹配問(wèn)題，二是蓄熱過(guò)程中系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的控制有待研究，三是穩(wěn)定性有待進(jìn)一步的測(cè)試。

3蓄熱技術(shù)的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)和發(fā)展趨勢(shì)

在會(huì)上，趙耀還羅列了蓄熱技術(shù)的幾個(gè)必要指標(biāo)：對(duì)于儲(chǔ)熱系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，材料性能、傳熱、系統(tǒng)分析、循環(huán)穩(wěn)定性和過(guò)程控制是非常重要的因素；而關(guān)鍵性的要求主要是儲(chǔ)熱密度高、快速響應(yīng)、無(wú)腐蝕無(wú)污染、低成本等。

趙耀最后表示，蓄熱技術(shù)研發(fā)未來(lái)會(huì)有四個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：

一是開(kāi)發(fā)高效低價(jià)的蓄熱系統(tǒng)是未來(lái)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(jìn)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(diǎn)，所以開(kāi)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(jìn)行反應(yīng)速率和傳熱性能的良好匹配，也值得進(jìn)一步研究；

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