熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)(chu)(chu)冷技術(shu)(shu)具有規模(mo)大、成本(ben)低、壽(shou)命長等(deng)優(you)點,在電力、建筑、工業(ye)等(deng)領域得(de)到廣泛(fan)應用。根據存儲(chu)(chu)(chu)方式不同,儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)(chu)(chu)冷技術(shu)(shu)可分為顯熱(re)(re)(re)(re)、潛熱(re)(re)(re)(re)和熱(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)三類。2021年,我國學者在儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)料物(wu)性(xing)調控機理、儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)換(huan)熱(re)(re)(re)(re)特(te)性(xing)與強化(hua)(hua)、儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)材(cai)(cai)料制備技術(shu)(shu)、系統控制與優(you)化(hua)(hua)技術(shu)(shu)、系統集(ji)成示范等(deng)方面,取得(de)了重要進展(zhan)。
1、基礎研究
在儲熱(re)材(cai)料物性調控及其機理(li)(li)方(fang)面(mian),形成(cheng)從量子(zi)(zi)力學(xue)到牛頓力學(xue),從納米尺(chi)(chi)度到宏觀的(de)多(duo)尺(chi)(chi)度研(yan)究手段。基于第(di)一性原(yuan)(yuan)理(li)(li)對(dui)物質電子(zi)(zi)和晶格的(de)熱(re)運(yun)動規律進(jin)行(xing)研(yan)究,得到材(cai)料物性的(de)調控方(fang)法;采用分(fen)(fen)子(zi)(zi)動力學(xue)對(dui)物質原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)體系行(xing)為進(jin)行(xing)研(yan)究,得到物質的(de)微觀熱(re)物性機理(li)(li),尤其是揭(jie)示了熱(re)化學(xue)儲熱(re)的(de)核殼結構(gou)。在溫度對(dui)能(neng)壘的(de)作用,材(cai)料原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)間(jian)相互作用,熱(re)作用下(xia)晶格振(zhen)動和電子(zi)(zi)運(yun)動規律等的(de)研(yan)究方(fang)面(mian)取得了較大(da)進(jin)展(zhan)。研(yan)究了新工質和維持多(duo)孔物理(li)(li)吸附材(cai)料反應活性和吸附循環(huan)熱(re)穩定性的(de)方(fang)法;利(li)用相圖理(li)(li)論發展(zhan)了低熔點(dian)高分(fen)(fen)解溫度混合(he)熔鹽(yan)的(de)設(she)計方(fang)法。
儲(chu)熱(re)(re)換熱(re)(re)特(te)性與機理(li)方(fang)面(mian),在(zai)相(xiang)變(bian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)中添加(jia)(jia)一(yi)維(wei)到三維(wei)的納(na)米(mi)尺度高導熱(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料(liao),形成熱(re)(re)輸運通道和(he)增加(jia)(jia)聲子傳(chuan)(chuan)輸能(neng)力。Tian等(deng)開展了(le)利用莫(mo)里定律的仿生儲(chu)熱(re)(re)換熱(re)(re)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu);Yao等(deng)基于拓(tuo)撲優化(hua)(hua)方(fang)法(fa)獲得儲(chu)熱(re)(re)換熱(re)(re)器新結構;Yu等(deng)研(yan)發了(le)熔(rong)鹽納(na)米(mi)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)的比熱(re)(re)容(rong)(rong)提升和(he)對(dui)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)強(qiang)化(hua)(hua)特(te)性,熔(rong)鹽納(na)米(mi)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)體(ti)的比熱(re)(re)容(rong)(rong)提升和(he)對(dui)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)強(qiang)化(hua)(hua)機理(li)等(deng);Lin等(deng)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)了(le)新型噴(pen)淋(lin)式(shi)(shi)填充床內滲流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)動及儲(chu)熱(re)(re)特(te)性;文獻(xian)[64-66]研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)了(le)多(duo)(duo)種水合鹽類、糖醇類和(he)石蠟類儲(chu)釋熱(re)(re)性能(neng),并且開展多(duo)(duo)種復合強(qiang)化(hua)(hua)、微膠(jiao)囊化(hua)(hua)、翅片增強(qiang)等(deng)方(fang)法(fa)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu);Chen等(deng)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)了(le)相(xiang)變(bian)材(cai)(cai)(cai)料(liao)儲(chu)釋熱(re)(re)過程(cheng)體(ti)積(ji)變(bian)化(hua)(hua)產生的縮孔(kong)縮松特(te)征及其影(ying)響。Feng等(deng)在(zai)吸附式(shi)(shi)儲(chu)熱(re)(re)儲(chu)冷方(fang)面(mian)、新工質(zhi)和(he)維(wei)持(chi)多(duo)(duo)孔(kong)物理(li)吸附材(cai)(cai)(cai)料(liao)反應活(huo)性、吸附循環熱(re)(re)穩定性等(deng)方(fang)面(mian)有較多(duo)(duo)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)。
2、關鍵技術
在(zai)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)(chu)冷材(cai)料(liao)制(zhi)備技術方(fang)面,基(ji)于碳化(hua)硅、黑剛玉與高(gao)嶺土(tu)等材(cai)料(liao)研制(zhi)出可(ke)在(zai)1100℃條件下安(an)全使用(yong)的儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)陶瓷顆粒(li)材(cai)料(liao);在(zai)熔(rong)(rong)鹽儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)材(cai)料(liao)方(fang)面,重點(dian)開(kai)(kai)展(zhan)了低熔(rong)(rong)點(dian)二(er)元熔(rong)(rong)鹽、低熔(rong)(rong)點(dian)高(gao)溫三元熔(rong)(rong)鹽體(ti)系(xi)研究(jiu)。Guo等研發了堿金(jin)屬(shu)(shu)和堿土(tu)金(jin)屬(shu)(shu)的氯(lv)化(hua)物(wu)熔(rong)(rong)鹽體(ti)系(xi),實現了700℃下氯(lv)化(hua)物(wu)熔(rong)(rong)鹽對316不銹鋼的腐蝕速率低于205.37μm/年;還開(kai)(kai)展(zhan)了復合相(xiang)變、定形相(xiang)變和仿生相(xiang)變儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)材(cai)料(liao)研究(jiu),提出了基(ji)于納米顆粒(li)、多孔(kong)仿生陶瓷、共晶鹽體(ti)系(xi)的比(bi)熱(re)(re)(re)(re)容和熱(re)(re)(re)(re)導率協(xie)同提升方(fang)法(fa),導熱(re)(re)(re)(re)系(xi)數(shu)可(ke)達116 W/(mK)[71];在(zai)太陽能熱(re)(re)(re)(re)化(hua)學(xue)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)方(fang)面,韓翔宇(yu)等開(kai)(kai)展(zhan)了Co3O4/CoO等金(jin)屬(shu)(shu)氧化(hua)物(wu)反(fan)應物(wu)體(ti)系(xi)和鈣基(ji)熱(re)(re)(re)(re)化(hua)學(xue)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)的動力學(xue)研究(jiu);Liu等實現了太陽能直(zhi)接(jie)驅(qu)動光熱(re)(re)(re)(re)轉換與熱(re)(re)(re)(re)化(hua)學(xue)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)一(yi)體(ti)化(hua)。
在儲熱(re)(re)儲冷(leng)裝置設計技術(shu)方面,賀明飛(fei)等(deng)研究(jiu)(jiu)了(le)大容量長周(zhou)期跨(kua)季節儲熱(re)(re),進行(xing)了(le)蓄熱(re)(re)水體承重浮頂熱(re)(re)力耦合特性(xing)和逆斜溫層(ceng)控制(zhi)技術(shu)研究(jiu)(jiu);Guo等(deng)研究(jiu)(jiu)了(le)土壤(rang)跨(kua)季節儲熱(re)(re)的傳蓄熱(re)(re)機(ji)理和結構參數;Zhu等(deng)和Liu等(deng)研究(jiu)(jiu)了(le)換(huan)熱(re)(re)器、熱(re)(re)管等(deng)相變儲冷(leng)儲熱(re)(re)強化技術(shu),Chen等(deng)開展了(le)高效動態冰漿蓄冷(leng)換(huan)熱(re)(re)性(xing)能研究(jiu)(jiu)與性(xing)能優化等(deng)。
在系統(tong)控(kong)制與優化(hua)方(fang)(fang)(fang)面(mian)(mian),研究人員(yuan)開展了儲熱儲冷應用于太陽能(neng)熱發電(dian)、火電(dian)調(diao)峰(feng)、風電(dian)消納、分(fen)(fen)布式(shi)能(neng)源(yuan)系統(tong)等(deng)(deng)領域的(de)(de)能(neng)源(yuan)系統(tong)設計、參數(shu)優化(hua)和(he)運行調(diao)控(kong)策略等(deng)(deng)方(fang)(fang)(fang)面(mian)(mian)研究;張涵等(deng)(deng)研究了熱泵儲電(dian)、卡(ka)諾電(dian)池(chi)等(deng)(deng)以熱能(neng)和(he)冷能(neng)存儲電(dian)能(neng)的(de)(de)新型儲能(neng)系統(tong);林釀志(zhi)等(deng)(deng)和(he)徐德厚(hou)等(deng)(deng)開展了基于水體和(he)土壤等(deng)(deng)方(fang)(fang)(fang)式(shi)的(de)(de)大容量長周期跨季節儲熱研究,建立了考慮技術經濟性(xing)的(de)(de)儲熱供熱系統(tong)性(xing)能(neng)分(fen)(fen)析方(fang)(fang)(fang)法。
3、集成示范
在儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)集成(cheng)示范(fan)方面,2021年度(du)在敦(dun)煌建(jian)成(cheng)了采用熔鹽(yan)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)的50 MW線性(xing)菲涅爾式太(tai)陽能熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)發電站,熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)熔鹽(yan)溫度(du)550℃,冷熔鹽(yan)溫度(du)290℃,熔鹽(yan)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)可發電750 MW·h;在新疆哈密建(jian)成(cheng)了50 MW熔鹽(yan)塔式光熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)發電,采用熔鹽(yan)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)可實(shi)現12 h連續發電;在河北(bei)黃帝城(cheng)建(jian)成(cheng)1.06萬m3水體儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)的太(tai)陽能儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)采暖項目,在北(bei)京建(jian)立了50 kW/500 kW·h中低溫熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)化學儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)中試系統;在張家(jia)口建(jian)成(cheng)100 MW亞臨(lin)界水蓄熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)子系統應(ying)用于100 MW先進壓縮(suo)空氣(qi)儲(chu)能系統;在張家(jia)口應(ying)用水合(he)鹽(yan)相(xiang)變材料實(shi)現為冬奧會轉播(bo)中心供暖。江蘇金合(he)公司己實(shi)現中高溫復合(he)相(xiang)變材料及其系統技術(450~750℃)的規模(mo)化應(ying)用。
在(zai)儲(chu)冷(leng)(leng)集成(cheng)示范方面,在(zai)北京環球影城建成(cheng)三聯供系(xi)統(tong)耦合冰蓄(xu)冷(leng)(leng)系(xi)統(tong),每年冰蓄(xu)冷(leng)(leng)系(xi)統(tong)“移峰填谷”的電量(liang)可達630萬kW·h;北京用(yong)友(you)軟件園采用(yong)冰儲(chu)冷(leng)(leng)技(ji)術,為(wei)18.5萬m2建筑供熱供冷(leng)(leng);相(xiang)變儲(chu)冷(leng)(leng)材(cai)料、裝備和系(xi)統(tong)研究進(jin)展迅速,基(ji)于(yu)相(xiang)變材(cai)料的冷(leng)(leng)鏈運(yun)輸技(ji)術已獲得(de)應用(yong)。
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。