中國儲能網訊：2017年4月24-26日，第七屆中國國際儲能大會在蘇州香格里拉大酒店圓滿召開，來自中、美、英、德、澳、日、韓等國家的1400余位嘉賓到場參會。大會共邀請140余位行業(yè)專家與企業(yè)代表，圍繞產業(yè)熱點話題，發(fā)表了一系列精彩演講，中國儲能網將向讀者傳遞本次大會最具價值的聲音。
大會期間，上海交通大學工程熱物理所所長趙長穎，在“先進儲能技術專場”，以《高效儲熱技術及進展》為題發(fā)表演講，現(xiàn)將演講主要內容發(fā)布，以饗讀者。
上海交通大學工程熱物理所所長趙長穎
趙長穎：大家下午好，我是來自上海交通大學的趙長穎。首先看一下這個研究背景，我們知道儲熱具有廣泛的應用，其中在低溫下，也就是在100度以下我們一般作為低溫儲熱，中溫是100到300度之間，高溫一般是300到1千度左右，這是一個具有廣泛應用前景的技術。主要是由于這個功能的不連續(xù)性，能量在應用過程中必須是連續(xù)的，所以就多出一個功能與用能之間的一個不匹配的問題，所以需要一個儲能的裝置，以這個典型的太陽能熱發(fā)電為例，左邊是一個太陽能集熱裝置，中間是儲熱裝置。儲熱在這里面占了三大核心之一，研究來說也是技術相對不成熟的階段，現(xiàn)在也是研究的熱點。實際上現(xiàn)在太陽能熱發(fā)電，像這種大規(guī)模的儲熱系統(tǒng)里面用的基本上還是顯熱儲熱系統(tǒng)，而顯熱儲熱系統(tǒng)需要很大的體積，所以它的成本貴，占整個熱發(fā)電系統(tǒng)的大概五分之一到四分之一。如果這個儲熱技術成熟的話，因為它的儲熱密度高，需要的空間也就小很多，成本也會明顯的降低?，F(xiàn)在因為技術還有很多方面不太成熟，所以增加了一些成本。
我簡要談一下相變儲熱，這個相對顯熱儲熱我們能看到。我們需要考慮到很多方面，其中相變材料主要有這種有機相變材料和無機相變材料，在中高溫間主要是這種無機相變材料。下面我簡要的談一談我們在這方面做的一點工作，我們主要是低成本相變材料的制備方面，我們看到這種硝酸鈣、硝酸鈉這種價格低廉的儲熱，可以看到它的儲熱密度是在164.9。這是一些循環(huán)的穩(wěn)定性問題，我們能看出它的循環(huán)穩(wěn)定性包括它的熱性都是非常好的。當然另外一點，如果相變儲熱應用的話必須要考慮到它的腐蝕性問題，所以我們進行了一些腐蝕性的測試。可以看到這種硝酸鹽類跟腐蝕性應該還是非常低的，所以這個問題不大。這個三元的混合硝酸鹽，這個不是主要用來儲熱的，它是作為傳熱介質，所以我們開發(fā)了這種三元的鹽類配比，熔點越低越好，因為它凝固之后我們用一些熱水就可以把它融化開，而且它的工作穩(wěn)定區(qū)間能夠達到400度左右。
另外一點，作為相變儲熱還有一點就是它的傳熱能力的問題，導熱能力強化的問題。就是說在短時間內迅速的傳進來和迅速的放出去這個熱量，功率決定了這個傳熱能力。不管是有機還是無機，這種材料的導熱性都是比較熱的，所以必須采取一些強化傳熱的方式來提高它的功率。我們在這里做了一些測試，包括在不同的區(qū)間內這種多種介質在不同區(qū)域的作用是不一樣的，這里細節(jié)的我們就不展開了。另外我們在這種中高溫里面相變儲熱的腐蝕性我們也進行了一些測試，我們發(fā)現(xiàn)這個腐蝕性有一點，但是也是相對比較弱的。剛才談的是儲熱方面的一些比較重要的方面，包括材料、腐蝕性、傳熱等等，當然現(xiàn)在由于針對余熱的溫度不一樣，像鋼鐵行業(yè)的余熱溫度是比較高的，我們考慮到采用梯級相變材料。如何確定每一級的相變溫度呢？這個就根據用戶的需求，到底是用來發(fā)電還是用來取暖，所以我們進行了一些系統(tǒng)的優(yōu)化，我們也搭建了一個三級的梯級儲熱的實驗系統(tǒng)。在這個優(yōu)化的過程中，我們根據熱力學跟傳熱學，包括用戶的用途，根據這些進行了一些系統(tǒng)的優(yōu)化，來確定中間最佳相變點。然后根據相變點來確定每一級到底選用什么樣的材料，達到最佳的效果。
下面簡單談一些相變儲熱應用的實例，這個是法國和西班牙的實驗臺，這個是德國宇航中心的儲熱的實驗室。這個是啟能，也是我們江蘇啟能儲熱的產品，他們應該說在這個方面是最權威的，也是市場做的最好的。650MJ的儲熱的應用，包括移動熱度，當然他們也廣泛的應用到了最大的幾個商城里面，還有北方很多省份都有他們廣泛的應用，這是相變儲熱典型的應用系統(tǒng)，包括移動車，發(fā)展是非常迅速的。天津大悅城他們應用這個冬季取暖之后，用這個谷電，因為谷電是非常便宜的，充起來之后白天就不用額外的取暖了，就經過這個來加熱，每個冬天他們節(jié)省的城市供熱的成本能夠節(jié)省60%。當然中高溫相變儲熱技術還存在一些問題，比如說相變材料及儲熱系統(tǒng)的循環(huán)穩(wěn)定性需進一步驗證與提升，我這里講的主要是針對中高溫的。下面我快速的過一遍這個熱化學儲熱方面的一些研究進展，我們知道熱化學儲熱相對相變儲熱來說它的儲熱密度就更大了，另外它可以實現(xiàn)長期的季節(jié)性儲熱，另外還可以提高能量的的品質，儲熱密度比較大。它的儲熱密度明顯的高過相變儲熱，這個應該是未來更加有潛力的儲熱方式。這個原理也很簡單，這個循環(huán)過程是一個典型的儲放熱系統(tǒng)，你用來儲放熱的過程中就沒有這么簡單了，因為它是一個熱化學的動力系統(tǒng)加上一個傳熱的匹配問題。首先這里面是化學反應動力學的問題，東京大學對這個方面做了一些實驗和研究，細節(jié)就不展開了。還有國外的這個人也通過加入一些催化劑，加快化學反應的反應速率。這是我們的一些實驗，剛才是一個理論，這是一些實驗的測試，如何增加它的化學反應速率，增加了元素之后它的分解過程就發(fā)生了變化，從這個過程就改變了熱化學儲放熱的結果。我們在這里也加入了一些金屬泡沫什么的，可以看到反應床的均勻性大大提高了，對熱化學儲放熱是非常有利的。這個是我們在合成比例下可以微觀的看到一些穩(wěn)定性的問題，我們進行了實驗系統(tǒng)的測試。還有一個問題是有可能存在的二氧化碳的阻礙作用，我們知道氧化鎂表面有可能會形成二氧化碳的一個膜，這樣就阻礙進一步的反應，就影響了它的儲放熱的問題。我們對二氧化碳的腐蝕性問題進行了一個測試，最后得出結論是很小的，可以忽略不計，不用考慮。放熱階段，二氧化碳對氧化鎂這個過程，放熱的過程也是影響不大的，不用考慮。但是對氫氧化鈣的放熱過程影響是比較明顯的，所以在這個過程中最好是縮短它的反應時間，盡可能的排除二氧化碳的影響。
我們用這個系統(tǒng)也進行了不同參數(shù)下的儲放熱過程的一些實驗的測試，包括不同的儲放熱溫度以及摻雜的元素和不同的初始溫度等等，對整個儲放熱性能以及整個儲放熱功率的影響。熱化學儲熱系統(tǒng)也存在一些問題，首先化學反應速率與傳熱功率的控制和匹配問題，防止化學反應失效。對于儲熱系統(tǒng)的運行模式、運行參數(shù)、系統(tǒng)設計及參數(shù)的控制方面還有待儲熱系統(tǒng)長時間的測試。另外化學儲熱的穩(wěn)定性在實驗系統(tǒng)的測試上也是不足的。儲熱系統(tǒng)是一個綜合的系統(tǒng)，需要考慮的方面大體上有十個比較需要關注的，我在這里列了一下，它的前景應該是具有好的一種儲熱方式。我在這里列一下中高溫的還有相變儲熱跟熱化學儲熱存在的未來一些方面的研發(fā)跟技術開發(fā)。謝謝大家。
（本文根據現(xiàn)場錄音整理，未經本人審核）
