中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：目前，許多能源利用系統(tǒng)中都存在著能量供應(yīng)和需求不匹配的矛盾，造成能量利用不合理和大量浪費(fèi)。如太陽(yáng)能、工業(yè)余熱等能源利用效率較低，不僅浪費(fèi)資源，也對(duì)大氣環(huán)境造成不可忽視的熱污染。
為此，提高能源轉(zhuǎn)換和利用率就成為各國(guó)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略必須優(yōu)先考慮的重大課題，而發(fā)展儲(chǔ)熱技術(shù)進(jìn)行熱能的綜合有效利用至關(guān)重要。
可利用資源豐富
太陽(yáng)能是可再生能源中最重要的基本能源，它“取之不盡、用之不竭”且分布廣泛、無(wú)污染，是經(jīng)濟(jì)型的清潔能源。
太陽(yáng)每秒能夠釋放能量391×1021 kW，即使輻射到地球表面的能量只有其二十二億分之一，也相當(dāng)于全世界發(fā)電量的8萬(wàn)倍。
我國(guó)是太陽(yáng)能相對(duì)富有的國(guó)家，全國(guó)2/3以上的地區(qū)，太陽(yáng)能年輻射量超過(guò)6 GJ·m2，年日照時(shí)數(shù)2200 h以上。我國(guó)每年地球表面接收的太陽(yáng)輻射能約為50×1019 kJ，相當(dāng)于1700億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。如此豐富的太陽(yáng)能資源也為我國(guó)開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能發(fā)電提供了良好的條件。
工業(yè)余熱主要來(lái)自冶金、建材、化工等行業(yè)。2010年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，工業(yè)余熱資源最高約占其燃料總熱量的67%，其中可回收率達(dá)60%，而我國(guó)余熱資源的整體利用率較低，大型鋼鐵企業(yè)余熱利用率約在30%~50%左右。
我國(guó)工業(yè)余熱資源利用率的提升空間很大。以冶金行業(yè)為例，2010年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量為6.27億噸，產(chǎn)生煙氣蘊(yùn)涵能量相當(dāng)于3000萬(wàn)噸標(biāo)煤，鋼鐵渣產(chǎn)生量約為2.8億噸，蘊(yùn)涵的熱能相當(dāng)于1000萬(wàn)噸標(biāo)煤。目前，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)煙氣余熱利用率約為30%，鋼鐵渣余熱利用率幾乎為零。如果能將煙氣余熱利用率提高至90%，鋼鐵熔渣余熱利用率提高至60%，每年可以節(jié)省2160萬(wàn)噸標(biāo)煤，減排CO2約5000萬(wàn)噸，可發(fā)電33億kWh。
可見(jiàn)余熱回收是我國(guó)能源戰(zhàn)略的重大需求，具有不可估量的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和國(guó)家能源安全具有重要意義。但是，無(wú)論是太陽(yáng)能還是工業(yè)余熱資源，都存在間歇性和不穩(wěn)定性的問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了有關(guān)技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
急需中高溫潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)
采用儲(chǔ)熱技術(shù)可緩解熱能供求在時(shí)間上、強(qiáng)度上和空間上不匹配的矛盾，是熱能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的重要手段。儲(chǔ)熱主要包括顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱三種形式。
化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱由于系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)難度大，可操作性不強(qiáng)，目前仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段；顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)雖然得到了廣泛應(yīng)用，但由于儲(chǔ)熱材料單位體積儲(chǔ)熱密度低導(dǎo)致儲(chǔ)熱材料用量大，使得大容量?jī)?chǔ)熱系統(tǒng)體積龐大，過(guò)程復(fù)雜，成本較高。
潛熱儲(chǔ)熱是利用儲(chǔ)熱材料相變過(guò)程釋放或吸收的潛熱進(jìn)行熱量的存儲(chǔ)和釋放。相比于顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)，潛熱儲(chǔ)熱具有單位體積儲(chǔ)熱密度大的優(yōu)點(diǎn)，且在相變溫度范圍內(nèi)具有較大能量的吸收和釋放，存儲(chǔ)和釋放溫度范圍窄，有利于充熱放熱過(guò)程的溫度穩(wěn)定。
為了提高能量轉(zhuǎn)換效率和降低成本，太陽(yáng)能熱利用技術(shù)正朝著更高工作溫度發(fā)展，熱發(fā)電的工作溫度已經(jīng)超過(guò)600℃，而大量工業(yè)余熱的溫度也非常高（如轉(zhuǎn)爐煙氣溫度為1600℃左右）。
這些都迫切需要研究和開(kāi)發(fā)中高溫潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)。盡管國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者很早就從材料、過(guò)程等不同層次開(kāi)展研究，但迄今為止，仍然沒(méi)有成熟的中高溫潛熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外多家研究單位多年來(lái)在該領(lǐng)域的深入研究，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，認(rèn)為中高溫潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)主要面臨以下突出問(wèn)題。
首先，缺乏具有儲(chǔ)熱密度高、導(dǎo)熱能力強(qiáng)等綜合性能的中高溫潛熱儲(chǔ)熱材料。潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)的基礎(chǔ)是相變材料，目前關(guān)于石蠟、水合鹽為主的低溫儲(chǔ)熱材料。
其次，中高溫相變儲(chǔ)熱材料以無(wú)機(jī)鹽和合金為主。選擇候選材料一方面需要深入了解材料相變過(guò)程的熱力學(xué)規(guī)律和動(dòng)力學(xué)機(jī)理，另一方面需要從強(qiáng)化傳熱和高效儲(chǔ)熱兩個(gè)方面去揭示微結(jié)構(gòu)對(duì)材料熱性能的影響規(guī)律。
除此以外，液—固相變材料的封裝以及材料服役過(guò)程中熱性能的衰變性也是中高溫相變材料研究中不可或缺的內(nèi)容，這往往是該類材料研發(fā)中存在的瓶頸問(wèn)題。
高性能儲(chǔ)熱材料待開(kāi)發(fā)
國(guó)內(nèi)外多位科學(xué)家都對(duì)金屬作為儲(chǔ)熱材料進(jìn)行了研究。1980 年，Birchenall等測(cè)量分析了由地球上儲(chǔ)量豐富的Al、Cu、Mg、Si 和Zn 組成的二元和三元合金的熱物性，發(fā)現(xiàn)相變溫度在780～850 K 范圍內(nèi)且富含Si或Al 的合金的儲(chǔ)熱密度最高，隨后鋁、硅基合金相變儲(chǔ)熱材料得到了廣泛研究。
無(wú)機(jī)鹽材料來(lái)源廣泛、相變焓值大、價(jià)格適中，特別適合用作中高溫相變儲(chǔ)熱材料。研究人員對(duì)溫度高于450 ℃的熔鹽的熱物性進(jìn)行了研究，并將溫度范圍為220℃~290 ℃的無(wú)機(jī)共晶鹽的應(yīng)用拓展到了太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域，通過(guò)差式掃描量熱等測(cè)試方法，測(cè)定了熔鹽的熱物性。
另外，許多熔鹽體系的相變前后的體積變化率超過(guò)10%，較大的體積變化率增大了熔鹽相變材料體系內(nèi)空穴，影響了儲(chǔ)/釋熱速率，同時(shí)增加了儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)難度，降低了儲(chǔ)熱效率。為此，研究人員對(duì)熔鹽相變儲(chǔ)熱材料與不銹鋼的兼容性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明不銹鋼對(duì)大多數(shù)熔鹽有較好的防腐蝕效果。
同時(shí)，在三元鋁基合金相變材料的循環(huán)性能以及與容器的兼容性；氟化物熔鹽與鈷、鎳以及難熔金屬元素合金鋼的兼容性；氫氧化鋰與結(jié)構(gòu)合金材料的兼容性等方面，科學(xué)家也都進(jìn)行了研究。
盡管中高溫相變儲(chǔ)熱材料的研究已經(jīng)取得了部分成果，但是金屬及合金相變材料的成本較高、單位質(zhì)量?jī)?chǔ)熱密度受到限制，加上金屬合金相變材料相變后化學(xué)活性較強(qiáng)，嚴(yán)重的高溫腐蝕大大限制了其在中高溫儲(chǔ)熱領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
熔鹽作為相變儲(chǔ)熱材料，相變焓較大、儲(chǔ)熱密度高、價(jià)格適中，在中高溫儲(chǔ)熱應(yīng)用領(lǐng)域具有較大的發(fā)展?jié)摿?。但是熔鹽導(dǎo)熱性不佳且與金屬合金相變材料都存在較嚴(yán)重的高溫腐蝕等問(wèn)題，仍然是制約其規(guī)模應(yīng)用的難題。
因此，開(kāi)發(fā)高性能儲(chǔ)熱材料及其制備方法是中高溫儲(chǔ)熱材料研究的必然趨勢(shì)，也是儲(chǔ)熱技術(shù)發(fā)展的必然途徑。
太陽(yáng)能、工業(yè)余熱的分散性和大能級(jí)跨度以及可再生能源的間歇性等，都需要中高溫相變儲(chǔ)熱技術(shù)。大規(guī)模儲(chǔ)熱技術(shù)的研究涉及到材料科學(xué)、化學(xué)工程、機(jī)械工程、傳熱傳質(zhì)學(xué)與多相流動(dòng)等多個(gè)學(xué)科的交叉領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)高性能中高溫相變儲(chǔ)熱材料對(duì)中高溫儲(chǔ)熱領(lǐng)域，尤其太陽(yáng)能熱發(fā)電、工業(yè)余熱回收等領(lǐng)域有著重要意義。
（作者單位：中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所）
