相變儲能技術(shù)的研究進(jìn)展與應(yīng)用

摘 要

摘要：介紹了儲能技術(shù)、相變材料的分類，論述了相變儲能技術(shù)在太陽能利用、建筑節(jié)能、電力調(diào)峰等領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：儲能技術(shù)；相變材料；相變儲能Research and Application of Phas
摘要：介紹了儲能技術(shù)、相變材料的分類，論述了相變儲能技術(shù)在太陽能利用、建筑節(jié)能、電力調(diào)峰等領(lǐng)域的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：儲能技術(shù)；相變材料；相變儲能
Research and Application of Phase-change Energy Storage Technologies
WANG Yuan，LIU Xiao-guang，YANG Jun-jie，LIA0 Xiong，AN Xiao-ke，WANG Hal-fang
Abstract：The classification of energy storage technologies and phase-change materials is introduced. The applications of phase-change energy storage technologies in solar energy utilization，building energy saving，electric peak shaving and other fields are described.
Key words：energy storage technology；phase-change material；phase-change energy storage
   相變儲能技術(shù)是利用材料在相變時吸收或放出熱量來實(shí)現(xiàn)儲能和釋能的目的，它屬于潛熱儲能，儲能密度很高[1～6]。該技術(shù)在解決能量供給與需求不匹配矛盾、提高能源利用率、保護(hù)環(huán)境等方面有著重要的應(yīng)用價值。
1 儲能技術(shù)概述
    能量儲存是提高能源利用率的重要手段之一，它利用物理熱或化學(xué)熱的形式將暫時不用的余熱或多余的熱量儲存于適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)中，在需要使用時再通過一定的方法將其釋放出來，從而解決了由于時間或地點(diǎn)供熱與用熱的不匹配、不均勻性所導(dǎo)致的能源利用率低的問題[7]。
    儲能技術(shù)主要分為顯熱儲能、潛熱儲能(即相變儲能)和化學(xué)反應(yīng)儲能3種。顯熱儲能是利用物質(zhì)的顯熱即依靠物質(zhì)的溫度升高來實(shí)現(xiàn)熱量的存儲。這種儲能方式在使用上雖然比較簡單，但是由于材料自身的溫度在不斷變化，無法達(dá)到控制溫度的目的。此外，該類材料儲能密度低，相應(yīng)的裝置體積龐大，因此它的應(yīng)用價值不是很高。化學(xué)反應(yīng)儲能是利用可逆化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱來進(jìn)行儲能，這種儲能方式雖然儲能密度大，但技術(shù)復(fù)雜、使用不便，還不能大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。
    相變儲能是利用材料在相變時吸熱或放熱來儲能。這種儲能方式不僅能量密度高，且所用裝置簡單、體積小、設(shè)計靈活、使用方便且易于管理。此外，由于相變儲能過程中，材料近似恒溫，可以很好地控制體系的溫度。因此，相變儲能技術(shù)在多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
2 相變儲能技術(shù)的應(yīng)用
    相變材料(英文縮寫PCM)是指隨溫度變化而改變形態(tài)并能提供潛熱的物質(zhì)。根據(jù)材料相變溫度的高低，儲能材料可分為低溫儲能材料(相變溫度低于90℃)、中溫儲能材料(相變溫度為90～550℃)和高溫儲能材料(相變溫度高于550℃)。其中，中低溫相變儲能材料主要為水合鹽類、石蠟類、脂酸類、醇類及其他高分子類物質(zhì)，高溫相變儲能材料則多以熔融鹽、金屬氧化物、金屬及其合金為主。依據(jù)相變溫度差別，相變儲能技術(shù)應(yīng)用在不同的領(lǐng)域。
2.1 高溫相變儲能技術(shù)應(yīng)用
    高溫相變儲能技術(shù)由于其適用溫度高、儲能能力強(qiáng)而被廣泛應(yīng)用在鋼鐵、陶瓷、冶金等行業(yè)，應(yīng)用形式主要為熱管換熱器、儲能室式相變儲能系統(tǒng)和潛熱、顯熱復(fù)合儲能系統(tǒng)3類。
   ① 熱管換熱器
   熱管換熱器是一種儲能和換熱合二為一的相變儲能換熱裝置。該裝置由管芯、管殼和工作物質(zhì)(相變材料)組成，通過工作物質(zhì)相變過程中的吸放熱實(shí)現(xiàn)能量的儲存與轉(zhuǎn)移。在澳大利亞的面包行業(yè)，通過熱管換熱器將工藝中產(chǎn)生的余熱成功應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)烤箱中，充分地利用了余熱，起到了很好的節(jié)能效果。此外，在鋼鐵、冶金等行業(yè)，熱管換熱器也被廣泛應(yīng)用在工藝生產(chǎn)過程的余熱回收上。
   ② 儲能室式相變儲能系統(tǒng)
   儲能室式相變儲能系統(tǒng)是利用相變儲能材料替代傳統(tǒng)的顯熱儲能材料。在制作工藝上多由圓柱形、方形或球形的儲能單元構(gòu)成，每個儲能單元內(nèi)填充相變儲能材料。由于儲能室式相變儲能系統(tǒng)采用高溫相變儲能材料作為基材，它不僅克服了顯熱儲能材料儲能密度低、設(shè)備體積龐大、恒溫難以控制的問題，而且提高了儲能效率，擴(kuò)大了相變儲能技術(shù)在工業(yè)余熱利用方面的應(yīng)用范圍。
   ③ 潛熱、顯熱復(fù)合儲能系統(tǒng)
   潛熱、顯熱復(fù)合儲能系統(tǒng)是近年開發(fā)出的一種新型的儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由2部分構(gòu)成：一是工作物質(zhì)(相變材料)，一般選擇潛熱大、蒸氣壓低的堿金屬和堿土金屬的碳酸鹽、硫酸鹽、硝酸鹽及它們的混合物，利用它們的相變潛熱進(jìn)行儲放熱；二是基質(zhì)(載體)，用來保持材料的不流動性和可加工性，主要有MgO、Al2O3、SiC、SiO2等陶瓷類材料。新型潛熱、顯熱復(fù)合儲能系統(tǒng)已成功應(yīng)用在工業(yè)窯爐儲能室中。潛熱、顯熱復(fù)合儲能系統(tǒng)用在煉鐵工業(yè)的熱風(fēng)爐中，可以降低儲能換熱器的體積、高度、熱惰性，并提高換熱效率，更好地達(dá)到工業(yè)窯爐節(jié)能降耗的目的[8]。
2.2 中低溫相變儲能技術(shù)應(yīng)用
   ① 在太陽能利用領(lǐng)域
   太陽能作為一種清潔的可再生能源，一直以來受到人們的青睞。世界各國都在大力開發(fā)太陽能利用技術(shù)，如太陽能發(fā)電、太陽能制冷、太陽能房等。由于太陽能的能流密度較低，且受晝夜、氣象等因素的影響較大，太陽能不能保持穩(wěn)定的能量供應(yīng)，因此高效的能量儲存技術(shù)成為太陽能利用的關(guān)鍵。德國某研究機(jī)構(gòu)成功開發(fā)了一套太陽能儲能裝置，可以儲存大量熱能，該裝置已經(jīng)在西班牙的太陽能測試基地投入使用。作為太陽能利用的另一個方面，儲能型太陽能熱水器在國內(nèi)外也已研究成功，并被廣泛應(yīng)用。該種熱水器與傳統(tǒng)的熱水器相比，沒有儲水箱，因此體積更小。此外，由于填充了儲能材料，使得熱水器的儲能量更大、出水溫度更穩(wěn)定。由于相變儲能技術(shù)在太陽能熱水器方面的良好性能，國內(nèi)外的研究人員正在嘗試將該技術(shù)應(yīng)用在集中供熱領(lǐng)域，相信隨著研究的不斷深入，相變儲能技術(shù)在太陽能利用領(lǐng)域會有更為廣泛的應(yīng)用。
   ② 在建筑節(jié)能領(lǐng)域
   a. 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫
   借助相變材料的儲能性能，將材料摻混到建筑材料中，制成相變儲能圍護(hù)結(jié)構(gòu)，能大大增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的儲能功能。用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫的儲能材料的相變溫度大多為20～22℃的無機(jī)、有機(jī)相變儲能材料。由于相變儲能材料的儲能作用，建筑物室內(nèi)和室外之間的熱流波動幅度被減弱，作用時間被延遲，從而改善了房間的熱性能[9]，提高了室內(nèi)的舒適度，降低空調(diào)或空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計負(fù)荷和運(yùn)行能耗，達(dá)到節(jié)能的效果。
   b. 建筑供暖儲能
   建筑供暖方式主要分為2種：集中供暖和分散供暖。集中供暖系統(tǒng)中，熱能的生產(chǎn)隨需求的變化要隨時調(diào)整，因此儲能的作用就顯得更加重要。借助相變儲能系統(tǒng)可以降低能量轉(zhuǎn)換裝置和區(qū)域熱力管網(wǎng)的設(shè)計負(fù)荷。在供暖過程中，通過調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行時間，使整體的運(yùn)行時間安排在非高峰時期，這在一定程度上緩解了能量需求的緊張情況。此外，由于采用了相變儲能裝置，系統(tǒng)設(shè)備基本在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，一方面提高了能量的轉(zhuǎn)換率，另一方面降低了整體的運(yùn)行成本。
    對于分散式供暖，目前市場上已有的儲能式供暖設(shè)備多為顯熱式供暖，該類產(chǎn)品儲能能力低、供暖溫度不易控制。針對上述問題，研制出一種新型的儲能式電暖器，該儲能式電暖器以高潛熱的相變材料為基材，通過電加熱方式進(jìn)行能量儲存，能量存儲效率達(dá)到70%左右。與傳統(tǒng)的電暖器相比，該儲能式電暖器在滿足相同的取暖要求下，電量消耗更少，設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用更低[10]。
   c. 建筑空調(diào)儲冷
   相變儲能技術(shù)在建筑空調(diào)儲冷方面應(yīng)用的原理是利用儲能材料在相變過程中的相變潛熱來儲存和放出冷量，該技術(shù)目前主要的應(yīng)用方式是相變儲冷式空調(diào)。相變儲冷式空調(diào)主要是利用固液相變溫度較低的相變材料，在夏季夜間利用戶外的空氣對相變儲能材料進(jìn)行降溫，使其凝固、儲存冷量；白天氣溫升高時，相變材料利用通風(fēng)系統(tǒng)的循環(huán)空氣吸收室內(nèi)的熱量直至全部融化。這一過程是利用相變材料自然冷卻的方法在通風(fēng)的同時達(dá)到制冷的作用，能耗相對較低。
    ③ 在電力調(diào)峰領(lǐng)域
    隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力資源的需求越來越迫切，電力資源短缺問題也日益突出，隨之而來的電力資源浪費(fèi)也日顯嚴(yán)重。如我國葛洲壩水利樞紐工程，高峰與低谷的發(fā)電輸出功率分別為220×104kW和80×104kW，用電低谷發(fā)不出的電能只能通過放水解決。若把多余的能源回收，則能在很大程度上緩解能源緊張的情況。相變儲能技術(shù)由于其良好的儲能特性，在小水力、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。電廠中采用相變儲能裝置可以經(jīng)濟(jì)地削減高峰負(fù)荷、填平需求低谷，使機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)更為方便。此外，采用相變儲能裝置可以節(jié)約燃料、降低電廠造價和燃料費(fèi)用，提高機(jī)組的運(yùn)行效率，從而降低排放污染，改善環(huán)境。
3 相變儲能技術(shù)展望
    隨著科學(xué)研究不斷深入，近幾年來，有關(guān)相變材料的研究進(jìn)一步趨于成熟。基于儲能材料的相變儲能技術(shù)也被廣泛應(yīng)用在太陽能、建筑節(jié)能、工業(yè)余熱回收及電力調(diào)峰等多個領(lǐng)域。我們相信，隨著人類社會對環(huán)境保護(hù)、節(jié)能降耗、減少污染要求的提高，相變儲能技術(shù)會有更為廣泛的應(yīng)用前景。
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(本文作者：王元1 劉曉光2 楊俊杰1 廖雄1 安曉科3 王海芳1 1.新奧燃?xì)饧夹g(shù)研究發(fā)展有限公司 河北廊坊 065001；2.威海市煤氣總公司 山東威海 264200；3.中國石油天然氣管道局第四工程公司 河北廊坊 065000)