熱(re)(re)(re)儲冷技(ji)術(shu)(shu)具(ju)有規模大、成本低、壽命長等(deng)(deng)優點,在電力、建筑、工業(ye)等(deng)(deng)領域得(de)到廣泛應(ying)用。根據存儲方(fang)式不同,儲熱(re)(re)(re)儲冷技(ji)術(shu)(shu)可分為顯熱(re)(re)(re)、潛熱(re)(re)(re)和熱(re)(re)(re)化(hua)學(xue)儲熱(re)(re)(re)三類。2021年,我國學(xue)者在儲熱(re)(re)(re)材料物性調控機理、儲熱(re)(re)(re)換熱(re)(re)(re)特性與(yu)強化(hua)、儲熱(re)(re)(re)材料制備技(ji)術(shu)(shu)、系統控制與(yu)優化(hua)技(ji)術(shu)(shu)、系統集(ji)成示范(fan)等(deng)(deng)方(fang)面,取得(de)了重(zhong)要進展(zhan)。
1、基礎研究
在儲熱(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)物(wu)(wu)性(xing)調控及其機理(li)方(fang)面,形成從量子(zi)(zi)力(li)(li)學到(dao)(dao)牛(niu)頓力(li)(li)學,從納米(mi)尺(chi)度(du)到(dao)(dao)宏(hong)觀的(de)(de)多尺(chi)度(du)研(yan)究手段。基(ji)于(yu)第一性(xing)原(yuan)理(li)對物(wu)(wu)質電(dian)子(zi)(zi)和晶格的(de)(de)熱(re)(re)運動(dong)規律進行研(yan)究,得(de)(de)到(dao)(dao)材(cai)(cai)料(liao)(liao)物(wu)(wu)性(xing)的(de)(de)調控方(fang)法;采用(yong)分(fen)子(zi)(zi)動(dong)力(li)(li)學對物(wu)(wu)質原(yuan)子(zi)(zi)體系行為(wei)進行研(yan)究,得(de)(de)到(dao)(dao)物(wu)(wu)質的(de)(de)微觀熱(re)(re)物(wu)(wu)性(xing)機理(li),尤(you)其是揭示了熱(re)(re)化學儲熱(re)(re)的(de)(de)核殼結(jie)構。在溫度(du)對能壘的(de)(de)作用(yong),材(cai)(cai)料(liao)(liao)原(yuan)子(zi)(zi)間相互(hu)作用(yong),熱(re)(re)作用(yong)下晶格振動(dong)和電(dian)子(zi)(zi)運動(dong)規律等(deng)的(de)(de)研(yan)究方(fang)面取得(de)(de)了較大進展(zhan)(zhan)。研(yan)究了新工(gong)質和維持多孔物(wu)(wu)理(li)吸(xi)附材(cai)(cai)料(liao)(liao)反應活性(xing)和吸(xi)附循環熱(re)(re)穩定性(xing)的(de)(de)方(fang)法;利用(yong)相圖理(li)論發展(zhan)(zhan)了低(di)熔點高分(fen)解溫度(du)混合(he)熔鹽的(de)(de)設計方(fang)法。
儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)換熱(re)(re)(re)特(te)性(xing)與機(ji)理(li)方面,在相變(bian)(bian)材(cai)料(liao)中添加(jia)一維到三維的(de)納米尺度高導熱(re)(re)(re)材(cai)料(liao),形(xing)成熱(re)(re)(re)輸運通道(dao)和增(zeng)加(jia)聲子(zi)傳輸能力。Tian等(deng)(deng)(deng)開展(zhan)了(le)利用莫里定(ding)律的(de)仿(fang)生(sheng)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)換熱(re)(re)(re)研究(jiu);Yao等(deng)(deng)(deng)基于拓撲優化(hua)方法獲得儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)換熱(re)(re)(re)器新結構;Yu等(deng)(deng)(deng)研發了(le)熔(rong)鹽納米流(liu)(liu)體的(de)比熱(re)(re)(re)容提(ti)升和對流(liu)(liu)傳熱(re)(re)(re)強化(hua)特(te)性(xing),熔(rong)鹽納米流(liu)(liu)體的(de)比熱(re)(re)(re)容提(ti)升和對流(liu)(liu)傳熱(re)(re)(re)強化(hua)機(ji)理(li)等(deng)(deng)(deng);Lin等(deng)(deng)(deng)研究(jiu)了(le)新型噴淋式(shi)填(tian)充(chong)床(chuang)內滲流(liu)(liu)流(liu)(liu)動及儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)特(te)性(xing);文獻(xian)[64-66]研究(jiu)了(le)多種(zhong)水(shui)合鹽類(lei)、糖醇類(lei)和石蠟類(lei)儲(chu)(chu)釋(shi)熱(re)(re)(re)性(xing)能,并且開展(zhan)多種(zhong)復合強化(hua)、微膠囊化(hua)、翅(chi)片增(zeng)強等(deng)(deng)(deng)方法研究(jiu);Chen等(deng)(deng)(deng)研究(jiu)了(le)相變(bian)(bian)材(cai)料(liao)儲(chu)(chu)釋(shi)熱(re)(re)(re)過程體積變(bian)(bian)化(hua)產生(sheng)的(de)縮孔(kong)(kong)縮松(song)特(te)征(zheng)及其影響。Feng等(deng)(deng)(deng)在吸附(fu)式(shi)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)儲(chu)(chu)冷(leng)方面、新工質和維持多孔(kong)(kong)物(wu)理(li)吸附(fu)材(cai)料(liao)反應活性(xing)、吸附(fu)循(xun)環熱(re)(re)(re)穩定(ding)性(xing)等(deng)(deng)(deng)方面有較多研究(jiu)。
2、關鍵技術
在(zai)(zai)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)冷材(cai)料制備技(ji)術(shu)方(fang)面(mian),基(ji)于碳化(hua)(hua)硅(gui)、黑剛玉與(yu)高嶺土等(deng)(deng)材(cai)料研制出可(ke)在(zai)(zai)1100℃條件下安全使用的(de)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)陶(tao)瓷顆粒材(cai)料;在(zai)(zai)熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)材(cai)料方(fang)面(mian),重點(dian)開(kai)展(zhan)(zhan)了(le)低(di)(di)熔(rong)(rong)(rong)點(dian)二元(yuan)熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)、低(di)(di)熔(rong)(rong)(rong)點(dian)高溫三(san)元(yuan)熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)體系(xi)研究。Guo等(deng)(deng)研發了(le)堿(jian)(jian)金(jin)屬(shu)和堿(jian)(jian)土金(jin)屬(shu)的(de)氯化(hua)(hua)物熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)體系(xi),實現了(le)700℃下氯化(hua)(hua)物熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)對316不銹鋼的(de)腐蝕速率(lv)低(di)(di)于205.37μm/年;還開(kai)展(zhan)(zhan)了(le)復合(he)相變、定形相變和仿(fang)生相變儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)材(cai)料研究,提出了(le)基(ji)于納米顆粒、多孔仿(fang)生陶(tao)瓷、共(gong)晶鹽(yan)(yan)體系(xi)的(de)比熱(re)(re)(re)(re)容和熱(re)(re)(re)(re)導率(lv)協(xie)同提升(sheng)方(fang)法(fa),導熱(re)(re)(re)(re)系(xi)數可(ke)達116 W/(mK)[71];在(zai)(zai)太陽(yang)能(neng)熱(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學(xue)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)方(fang)面(mian),韓翔宇等(deng)(deng)開(kai)展(zhan)(zhan)了(le)Co3O4/CoO等(deng)(deng)金(jin)屬(shu)氧化(hua)(hua)物反(fan)應(ying)物體系(xi)和鈣基(ji)熱(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學(xue)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)的(de)動力學(xue)研究;Liu等(deng)(deng)實現了(le)太陽(yang)能(neng)直接驅動光熱(re)(re)(re)(re)轉換(huan)與(yu)熱(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學(xue)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)一體化(hua)(hua)。
在儲熱(re)(re)儲冷(leng)裝置設計技(ji)術(shu)方面,賀明(ming)飛等(deng)(deng)研究(jiu)(jiu)(jiu)了(le)(le)(le)大容量長周期跨季(ji)節儲熱(re)(re),進行了(le)(le)(le)蓄熱(re)(re)水(shui)體承重(zhong)浮頂熱(re)(re)力(li)耦合特性(xing)和(he)(he)逆斜溫層控制(zhi)技(ji)術(shu)研究(jiu)(jiu)(jiu);Guo等(deng)(deng)研究(jiu)(jiu)(jiu)了(le)(le)(le)土壤跨季(ji)節儲熱(re)(re)的傳(chuan)蓄熱(re)(re)機理(li)和(he)(he)結構參(can)數;Zhu等(deng)(deng)和(he)(he)Liu等(deng)(deng)研究(jiu)(jiu)(jiu)了(le)(le)(le)換熱(re)(re)器、熱(re)(re)管(guan)等(deng)(deng)相變儲冷(leng)儲熱(re)(re)強(qiang)化(hua)技(ji)術(shu),Chen等(deng)(deng)開展了(le)(le)(le)高效動(dong)態冰漿蓄冷(leng)換熱(re)(re)性(xing)能研究(jiu)(jiu)(jiu)與(yu)性(xing)能優化(hua)等(deng)(deng)。
在系(xi)統(tong)控制(zhi)與(yu)優化(hua)方(fang)(fang)面,研究(jiu)人(ren)員開展了儲(chu)(chu)熱(re)(re)儲(chu)(chu)冷(leng)應用于太(tai)陽能(neng)(neng)熱(re)(re)發電、火電調(diao)峰、風電消納、分(fen)(fen)布式能(neng)(neng)源系(xi)統(tong)等(deng)(deng)(deng)領域的(de)能(neng)(neng)源系(xi)統(tong)設計、參數優化(hua)和運行調(diao)控策略等(deng)(deng)(deng)方(fang)(fang)面研究(jiu);張涵(han)等(deng)(deng)(deng)研究(jiu)了熱(re)(re)泵(beng)儲(chu)(chu)電、卡(ka)諾電池等(deng)(deng)(deng)以熱(re)(re)能(neng)(neng)和冷(leng)能(neng)(neng)存儲(chu)(chu)電能(neng)(neng)的(de)新型儲(chu)(chu)能(neng)(neng)系(xi)統(tong);林釀志(zhi)等(deng)(deng)(deng)和徐德厚(hou)等(deng)(deng)(deng)開展了基于水(shui)體和土壤等(deng)(deng)(deng)方(fang)(fang)式的(de)大容量(liang)長周(zhou)期(qi)跨季節儲(chu)(chu)熱(re)(re)研究(jiu),建立了考慮技術經濟性的(de)儲(chu)(chu)熱(re)(re)供熱(re)(re)系(xi)統(tong)性能(neng)(neng)分(fen)(fen)析方(fang)(fang)法。
3、集成示范
在(zai)儲(chu)熱(re)集成(cheng)示范方面,2021年度(du)在(zai)敦煌建成(cheng)了采用(yong)熔(rong)鹽(yan)(yan)儲(chu)熱(re)的50 MW線性菲涅爾式太陽能熱(re)發(fa)電站(zhan),熱(re)熔(rong)鹽(yan)(yan)溫(wen)度(du)550℃,冷熔(rong)鹽(yan)(yan)溫(wen)度(du)290℃,熔(rong)鹽(yan)(yan)儲(chu)熱(re)可發(fa)電750 MW·h;在(zai)新(xin)疆哈密建成(cheng)了50 MW熔(rong)鹽(yan)(yan)塔式光熱(re)發(fa)電,采用(yong)熔(rong)鹽(yan)(yan)儲(chu)熱(re)可實現12 h連續發(fa)電;在(zai)河北黃帝城(cheng)建成(cheng)1.06萬m3水體儲(chu)熱(re)的太陽能儲(chu)熱(re)采暖項(xiang)目,在(zai)北京建立了50 kW/500 kW·h中低(di)溫(wen)熱(re)化學儲(chu)熱(re)中試(shi)系(xi)(xi)統(tong);在(zai)張家口建成(cheng)100 MW亞臨界水蓄熱(re)子系(xi)(xi)統(tong)應用(yong)于100 MW先(xian)進(jin)壓縮空氣(qi)儲(chu)能系(xi)(xi)統(tong);在(zai)張家口應用(yong)水合鹽(yan)(yan)相變材(cai)(cai)料(liao)實現為冬奧會(hui)轉播中心供暖。江蘇金合公司(si)己實現中高溫(wen)復合相變材(cai)(cai)料(liao)及其(qi)系(xi)(xi)統(tong)技術(450~750℃)的規(gui)模(mo)化應用(yong)。
在儲(chu)冷(leng)集成示范方面,在北(bei)京(jing)環球(qiu)影城建成三聯供(gong)系(xi)統耦合冰蓄冷(leng)系(xi)統,每年冰蓄冷(leng)系(xi)統“移峰填谷”的電量可達630萬(wan)kW·h;北(bei)京(jing)用友軟件園采用冰儲(chu)冷(leng)技(ji)術(shu),為18.5萬(wan)m2建筑供(gong)熱供(gong)冷(leng);相(xiang)變儲(chu)冷(leng)材(cai)料、裝(zhuang)備和系(xi)統研究進(jin)展迅速,基于相(xiang)變材(cai)料的冷(leng)鏈(lian)運輸技(ji)術(shu)已獲得(de)應用。
注:本文摘自《儲能科學與技術》期刊,由王志峰、王亮、張雪松撰寫。