上海交通大学:相变储热与热化学储热技术的研究进展和未来趋势

上海交通⼤学：相变储热与热化学储热技术的研究进展和未来趋势

储能是消除能源在时间和空间上不均衡问题的有效⼿段。⼈类⽤能的70%都是热能，因此，储热在储能中占有重要位置。储热可以⼴泛应⽤在可再⽣能源利⽤、⼯业余热回收和清洁供暖等⽅⾯。储热技术主要分为显热储热、相变储热、热化学储热三种，其储热密度依次升⾼，成熟度依次降低。“⽬前我们已经知道，显热储热材料应⽤⽐较多，⽽相变和热化学储热系统的储热密度⾼，相变储热系统已经慢慢开始了⼀些商业化应⽤，热化学储热系统由于系统的复杂性，⽬前没有进⾏⼤规模的应⽤，还处于实验室阶段。”近⽇，上海交通⼤学教授、⼯程热物理所所长赵长颖作了题为“相变储热与热化学储热技术研究进展”的研究报告。报告的主要内容如下：

1　相变储热的研究进展

相变储热有储热密度⾼、温度变化⼩两个特点。在常见的相变储热材料应⽤中，希望其具有⾼导热系数、合适的相变点、⾼⽐热容、低腐蚀性和良好的循环稳定性等优点，但是同时满⾜这些性质的储热材料是不存在的。

毛岸成基于此，赵长颖教授实验室研发了两种低成本的硝酸盐相变储热材料。第⼀种材料是硝酸钙和硝酸钠的⼆元盐，这种盐与SolarSalt熔盐相⽐，相变点与相变潜热是基本⼀致的，但成本⽐熔盐要低；第⼆种材料是硝酸钙、硝酸钠和硝酸钾组成的三元盐，这种盐既可以作为传热流体，也可以作为90℃~100℃的相

变储热介质。

这两种盐皆为硝酸盐，⽽硝酸盐的导热系数低，那么有没有导热系数本⾝就很⾼的相变材料？就此，赵长颖教授实验室研究了⾦属相变材料（铝硅合⾦）的储热性能，并对其稳定性和腐蚀性进⼀步验证。关于相变材料的传热强化，赵长颖教授实验室还研究了⾦属泡沫和膨胀⽯墨，发现⾦属泡沫的⾦属⾻架会受到⼀些盐的腐蚀，⾻架会发⽣断裂，不适合长期应⽤。

除了对相变储热材料进⾏研究外，赵长颖教授实验室还分别从单元与系统层⾯进⾏了⼀系列研究。在相变储热单元⽅⾯，采⽤拓扑优化理论，对储热单元内部的传热结构进⾏了⾼⾃由度的优化，⽐如实验室对肋⽚结构进⾏优化，得到⼀种树枝状分布的肋⽚结构，较之前常见的肋⽚，该树枝状肋⽚的传热性能提升很⼤，这种肋⽚可以通过电⽕花切割或者3D打印的⽅式获得。在相变储热系统⽅⾯，则围绕梯级储热系统，采⽤熵产理论和⽕积耗散理论对各级相变材料的相变温度分布开展了理论优化，并搭建了梯级相变储热实验系统，开展了⼀系列的实验研究⼯作。

杂货店里的老师据介绍，国外对此也进⾏了相关研究，法国的CEA和德国的DLR搭建了相应的储热系统。

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⽬前中⾼温相变储热技术问题有三点：⼀是循环稳定性需要进⼀步的验证，⼆是腐蚀性问题，三是相变材料在相变过程中可能会发⽣体积变化，⽽体积变化可能会带来接触不良，导致局部的热阻过⾼，造成⼀些安全问题。

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2　热化学储热的研究进展

热化学储热是⽬前储热密度最⼤的储热⽅式，可以实现季节性长期存储和长距离运输，并且可实现热能品位的提升。其原理是利⽤可逆的热化学反应，来实现储热和放热的过程。

据介绍，在热化学储热⽅⾯，赵长颖教授实验室对热化学反应动⼒学进⾏了研究。通过在氧化钙和氢氧化钙体系中掺⼊锂原⼦，来改变能量势垒和原⼦间赝能隙宽度，继⽽改善整个热化学反应的动⼒学性能。此外，赵长颖教授实验室还对碳酸钙的反应动⼒学性能进⾏了研究，在其中掺杂了⼆氧化硅颗粒，得到碳酸钙的分解温度降低了约50度。

热化学储热材料呈现粉末状，传热性较差，因此赵长颖教授实验室也对如何强化传热性能进⾏了研究，“我们建⽴了等效导热系数的预测模型，发现等效导热系数是随着反应变化⽽变化的，⽽在这变化中，孔隙率的变化占据了主导作⽤。当然，除了传热过程外还有传质过程，基于此，实验室基于分形理论和格⼦玻尔兹曼⽅法建⽴了等效扩散系数的预测模型，揭⽰其传质机理。此外，热化学储热材料还会存在⽐较严重的团聚和烧结问题。”

鹿鼎记2攻略针对氧化镁和氢氧化镁体系、氧化钙和氢氧化钙体系，赵长颖教授实验室也进⾏了相关研究。研究发现，随着储热温度的提⾼，氧化镁和氢氧化镁体系中氧化镁颗粒变⼤，并且存在团聚问题；但是氢氧化钙和氧化钙体系可通过⼀个放热和储热的循环，恢复了放热性能，并且可以解决团聚和烧结的问题。

氧化镁和氢氧化镁、氧化钙和氢氧化钙属于氧化物和氢氧化物，会受到⼆氧化碳的影响，因此赵长颖教授实验室对⼆氧化碳的影响也进⾏了深⼊研究。研究发现，⼆氧化碳对于氧化镁和氢氧化镁储热性能的影响⽐较⼩，但是对氧化钙和氢氧化钙的影响⽐较⼤。此外，赵长颖教授实验室也搭建了热化学储热实验系统，探究了不同的真空度、不同温度、材料掺杂等因素的影响。

⽬前热化学储热技术主要存在的问题也有三点：⼀是化学反应与传热的匹配问题，⼆是蓄热过程中系统运⾏参数和系统

⽬前热化学储热技术主要存在的问题也有三点：⼀是化学反应与传热的匹配问题，⼆是蓄热过程中系统运⾏参数和系统设计参数的控制有待研究，三是稳定性有待进⼀步的测试。

3　蓄热技术的⼏个关键指标和发展趋势

蓄热技术的⼏个必要指标是：对于储热系统来说，材料性能、传热、系统分析、循环稳定性和过程控制是⾮常重要的因素；⽽关键性的要求主要是储热密度⾼、快速响应、⽆腐蚀⽆污染、低成本等。

蓄热技术研发未来会有四个发展趋势：

⼀是开发⾼效低价的蓄热系统是未来清洁供热的⽅向；

⼆是相变蓄热虽然蓄热密度⼤，有利于设备的紧凑化和微型化，但是材料的⼀些性质仍需进⼀步研究，复合蓄热材料可以有效平衡性质之间中的优缺点，所以开发⾼性能的复合结构蓄热材料是⾮常有意义的；

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三是热化学蓄热温度范围⾼，蓄热密度较⼤，但是⼯艺复杂并且技术成熟度低，还需要进⾏反应速率和传热性能的良好匹配，也值得进⼀步研究；

四是相变蓄热和热化学蓄热的优势明显，这两种⽅式是未来研究的重点⽅向。

本文发布于:2024-09-21 10:37:17，感谢您对本站的认可！

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