儲熱技術(shù)研究進(jìn)展

于曉琨 欒敬德（沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽110136）

在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，我國將能源列為重點領(lǐng)域之一，并且提倡積極開發(fā)利用太陽能等可再生能源。但是，由于太陽能的能流密度較低且太陽能的輻射強(qiáng)度受各種因素影響會有很大的波動，具有顯著的地域性以及季節(jié)性，導(dǎo)致太陽能供給的間歇性及其供給和需求之間不匹配的問題，大大的限制了對太陽能的有效利用[1]。因此，近年來為了改善這種情況提高能源利用率、改善環(huán)境質(zhì)量，儲熱技術(shù)受到了廣大科研人員的青睞。熱能的儲存能夠解決可再生能源供給的間歇性及其供需不同步的難題，提高了能源利用率[2]。

1 顯熱儲熱

顯熱儲熱主要是依靠溫度的升高與降低來進(jìn)行熱量儲/釋的一種儲熱形式，存儲熱量的多少與其本身的溫度變化量密切相關(guān)。經(jīng)過科研人員的努力相關(guān)技術(shù)的發(fā)展較為成熟，并且該儲熱技術(shù)在設(shè)備的運行方面具有一定的使用優(yōu)勢，便于人員對機(jī)器設(shè)備進(jìn)行操作[3]。除此之外，與其它相關(guān)的儲熱技術(shù)相比該技術(shù)所需要的基礎(chǔ)材料最為豐富，例如水和卵石是可以從自然界中直接獲得而且價格十分低廉。與此同時，顯熱儲熱的技術(shù)成本相對低廉，并且在儲熱材料進(jìn)行吸熱與放熱的過程中具有相對簡單且容易操作的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，因此顯熱儲熱技術(shù)得到了廣大科研人員的推廣。

顯熱儲熱技術(shù)的缺點在于該技術(shù)所能應(yīng)用到的儲熱材料中大多是儲熱密度較低，利用率低下的礦物類原料。比如巖石、砂石、礦石、礦物質(zhì)油約為60 kWh/m3（200-400 ℃），鑄鐵大約為150 kWh/m3（200-400 ℃），因此顯熱儲熱必須采用體積量巨大并且工序繁雜操作復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備才能滿足相關(guān)儲熱技術(shù)的使用條件。此外，用來進(jìn)行儲熱的材料與設(shè)備和周圍環(huán)境之間存在著一定的溫度差，在儲熱材料進(jìn)行熱量的存儲與釋放過程中會導(dǎo)致熱量損失嚴(yán)重。因此顯熱儲熱技術(shù)不適合用來進(jìn)行熱量的長期存儲以及大容量存儲，具有一定的限制性，阻礙了對未來儲熱技術(shù)的推廣。

2 熱化學(xué)儲熱

熱化學(xué)儲熱是依據(jù)化學(xué)反應(yīng)的可逆性原理，利用反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的反應(yīng)熱進(jìn)行熱能存儲的技術(shù)方式，實現(xiàn)了將熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并在需要時進(jìn)行逆向轉(zhuǎn)化。利用化學(xué)反應(yīng)儲熱必須滿足相應(yīng)的條件：具有良好的可逆性，化學(xué)反應(yīng)響應(yīng)快并且反應(yīng)過程中無副反應(yīng)；熱化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物必須是容易分離并且能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定儲存的物質(zhì)；在反應(yīng)體系中，反應(yīng)前與反應(yīng)后均不存在有毒、易腐蝕和可燃物；反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的熱量大，反應(yīng)原料價格低廉等。熱化學(xué)儲熱技術(shù)并沒有發(fā)生物理相變過程，是一個純化學(xué)反應(yīng)的過程，如果能夠在反應(yīng)過程中利用催化劑對儲熱材料進(jìn)行一定程度的催化，就能夠完成熱量儲存時間延長的目的，能夠在一定程度上提高熱化學(xué)儲熱在實際生活中的利用率[4]。

熱化學(xué)儲熱的優(yōu)點不勝枚舉，但是也具有十分繁雜的化學(xué)反應(yīng)過程，并且有的時候可能要使用大量的催化劑才能夠使化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行，對化學(xué)反應(yīng)過程以及裝備的運行穩(wěn)定性要求十分的嚴(yán)格。目前對熱化學(xué)儲熱的投資成本比較大，技術(shù)成熟度比較低并且對儲存、釋放熱量的過程較難控制，因此熱化學(xué)儲熱技術(shù)仍然在小規(guī)模的試驗階段，還有很多的問題亟待解決難以實現(xiàn)大規(guī)模的實際應(yīng)用。

3 潛熱儲熱

根據(jù)儲熱材料從一個相態(tài)向另一個相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時需要大量的熱量來維持反應(yīng)進(jìn)行的特點來吸收和儲存熱量是潛熱儲熱的主要理論依據(jù)[5]。這是一種具有較高的儲熱密度，并且能夠在小范圍的溫度浮動過程中進(jìn)行熱量釋放的一種儲熱方式。熱量在釋放后儲熱材料會從終止態(tài)返回到初始態(tài)，相變循環(huán)往復(fù)實現(xiàn)儲、釋熱，有關(guān)科研人員還把它稱作相變式儲熱[6]。

在相變過程中能夠產(chǎn)生氣體的相關(guān)相變材料盡管在發(fā)生相變的過程中也具有可觀的潛熱量，但是儲熱材料因為在相態(tài)發(fā)生改變的過程中會產(chǎn)生大量的氣體，因此不利于實際的生產(chǎn)應(yīng)用。與其相比，固-液相變能夠?qū)崿F(xiàn)更好的使用價值，并且在無任何影響因素的情況下，相同物質(zhì)在溫度相同、方向相反的相變過程中儲存或釋放的相變潛熱應(yīng)該是保持不變的，也是一個純物理的過程[7]。

4 相變儲熱材料

相變儲熱材料關(guān)乎相變儲熱技術(shù)的成敗，它能夠在發(fā)生相態(tài)改變的過程中實現(xiàn)能量的吸收或釋放。由于儲熱材料發(fā)生相變的過程只取決于溫度的高低，因此經(jīng)常被廣泛用于熱量的存儲以及溫度控制等相關(guān)領(lǐng)域[8]。在室溫條件下利用相變儲熱材料對太陽能進(jìn)行存儲是從80年代開始逐漸發(fā)展，主要采用高溫水蒸氣或熔融鹽為主要的儲熱材料，熔融鹽作為儲熱材料儲熱量高、適用溫度范圍廣、穩(wěn)定性好，但儲熱裝置易被熔融鹽腐蝕，使用壽命不長[9]。

目前，中低溫（＜120oC）儲熱材料多以石蠟、硬脂酸或棕櫚酸等為相變儲熱載體，但因其導(dǎo)熱系數(shù)低限制了其工程應(yīng)用[10]。水合無機(jī)鹽在中低溫?zé)崂妙I(lǐng)域憑借相對較高的導(dǎo)熱系數(shù)、廉價的原料以及較大的相變潛熱等優(yōu)勢具有很好的研究價值。但是，水合無機(jī)鹽存在過冷、相分離以及固-液相變易泄露等問題，阻礙了相變儲熱材料的發(fā)展腳步[11]。

此外，雖然相變儲熱材料的使用領(lǐng)域廣泛，種類繁多，但有許多相變儲熱材料導(dǎo)熱系數(shù)低或者材料容易被腐蝕，嚴(yán)重影響材料的使用時間與經(jīng)濟(jì)價值。近年來為了更好的解決導(dǎo)熱性和腐蝕性等問題，科研人員通常把相變儲熱材料制成微膠囊的形狀，以有機(jī)化合物及其復(fù)合材料、無機(jī)化合物或無機(jī)礦物等作為儲熱微膠囊的殼體壁材，以無機(jī)或有機(jī)相變材料為內(nèi)部芯材，解決了相變過程發(fā)生的液漏問題，解決了傳統(tǒng)相變儲熱材料所具有的腐蝕性、低導(dǎo)熱性以及相分離等一系列難題。微膠囊儲熱材料的傳熱面積有了很大的提升，并且有效的控制了儲熱芯材在發(fā)生相變時的形態(tài)變化，防止其與環(huán)境的反應(yīng)，提高芯材利用率[12]。隨著相變儲熱技術(shù)的發(fā)展，相變儲熱微膠囊材料的獨特優(yōu)勢使其在相變儲熱材料研發(fā)領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景并且逐漸成為了一個熱門的研究方向。

5 結(jié)語

潛熱儲熱的儲熱量大，有利于大規(guī)模推廣，具有可觀的應(yīng)用前景。近年來，相變儲熱材料的研發(fā)是當(dāng)前儲熱材料領(lǐng)域的熱點話題。微膠囊相變儲熱材料在解決傳統(tǒng)相變儲熱材料的腐蝕性、熱導(dǎo)性低和相分離方面具有顯著的優(yōu)勢。