儲熱技術知多少？

導讀

       顯熱儲熱、潛熱儲熱、熱化學反應儲熱，你了解嗎？

       儲熱技術包括兩個方面的要素，其一是熱能的轉化，它既包括熱能與其他形式的能之間的轉化，也包括熱能在不同物質載體之間的傳遞；其二是熱能的儲存，即熱能在物質載體上的存在狀態，理論上表現為其熱力學特征。

       儲熱技術的性能受到儲熱介質?密度等狀態量的影響，還受到介質本身在熱量交換和轉化等過程性能的影響，包括介質的換熱性能及流動性能（儲熱介質本身也可能是換熱工質）等。

備注： ?是用來衡量所儲存熱量的質（即有用功）的一個重要參數，通常用E來表示。儲熱介質的更寬的工作溫度范圍、更大的比熱容以及極高溫（低溫）區域的相變均是提高?密度的有效途徑。

       值得指出的是，儲熱技術并不單指儲存和利用高于環境溫度的熱能，還包括儲存和利用低于環境溫度的熱能，即日常所說的儲冷。

儲熱方式分類

       目前，主要有三種儲熱方式，包括顯熱儲熱、潛熱儲熱（也稱為相變儲熱）和熱化學反應儲熱。

1顯熱儲熱

       顯熱儲熱是利用材料所固有的熱容進行的熱量儲存形式。

       目前主要應用的顯熱儲熱材料有硅質、鎂質耐火磚，三氧化二鐵、鑄鋼鑄鐵、水、導熱油、沙石等熱容較大的物質，其中，水的比熱大，成本低，主要用于低溫儲熱；導熱油、硝酸鹽的沸點比較高，可用于太陽能中溫儲熱。

       這種蓄熱方式原理簡單、技術較成熟、材料來源豐富且成本低廉，因此廣泛地應用于化工、冶金、熱動等熱能儲存與轉化領域。但這類材料儲能密度低、不適宜工作在較高溫度環境中。

2熱化學反應儲熱

       熱化學反應儲熱是利用可逆化學反應，通過熱能與化學熱的轉化來進行儲能的。

       目前已經研究過70多種熱化學反應，但很理想的反應體系并不多。典型的熱化學反應儲能體系有無機氫氧化物分解，氨的分解、碳酸化合物分解、甲烷-二氧化碳催化重整、銨鹽熱分解、有機物的氫化和脫氫反應等。

       熱化學反應儲能的主要優點是蓄熱量大，使用的溫度范圍比較寬，不需要絕緣的儲熱罐，而且如果反應過程能用催化劑或反應物控制，可長期儲存熱量，特別適用于太陽能熱發電中的太陽熱能儲存。但該技術實現化學反應系統與儲熱系統的結合還處于研究階段，距離規模應用尚遠。

3相變儲熱

       相變儲熱是利用相變材料在物態變化時，吸收或放出大量潛熱而進行的。通常按照相變形式和相變溫度的不同，相變儲熱材料可進行進一步的細分。

按相變形式分類

       根據相變形式的不同，相變材料可分為固-固相變、固-液相變、固-氣相變和液-氣相變。其中固-氣相變和液-氣相變兩種形式，雖有很大的相變潛熱，但由于相變過程中大量氣體的存在，使材料體積變化較大，難以實際應用。固-固相變、固-液相變是研究和實際中采用較多的相變類型。然而，固-固相變儲能材料的開發時間相對較短，大量的研究工作還沒深入開展，因此其應用范圍沒有固-液相變材料寬廣。固-液相變儲能材料的研究起步較早，是現行研究中相對成熟的一類相變材料，本文將主要針對固-液相變儲熱進行分析與討論。

備注：過冷現象，是指物質冷凝到“冷凝點”時并不結晶，而需到“冷凝點”以下的一定溫度時才開始結晶，同事使溫度迅速上升到冷凝點，導致物質不能及時發生相變，從而影響熱量的及時釋放和利用。

       相分離現象，是指當溫度上升時，相變材料，如結晶水合鹽，所釋放出來的結晶水的數量不足以溶解所有的非晶態固體脫水鹽（或低水合物鹽），由于密度的差異，這些未溶脫水鹽沉降到容器的底部，在逆相變過程中，即溫度下降時，沉降到底部的脫水鹽無法和結晶水結合而不能重新結晶，使得相變過程不可逆，形成相分層，導致溶解的不均勻性，從而造成儲能材料的儲能能力逐漸下降。

按相變溫度分類

       按照相變溫度范圍的不同，相變材料又分為高溫、中溫、低溫相變儲熱材料。各溫度范圍間并沒有明顯清晰的界限，常發生較大范圍的重疊，但因實際應用時需要儲存的熱源有一定的溫度范圍，這種按相變溫度分類的方法更實用。一般的，把相變溫度為120℃和400℃作為低、中、高溫相變儲熱材料的溫度節點。

       低溫相變儲熱——相變溫度在120℃以下，此類材料在建筑和日常生活中的應用較為廣泛，包括空調制冷、太陽能低溫熱利用及供暖空調系統，尤其以熱水應用的最為廣泛。這類相變材料主要包括無機水合鹽、有機物和高分子等。在此應用溫度范圍內的蓄熱技術基本成熟。

       中溫相變儲熱——相變溫度范圍為120～400℃。中溫相變儲熱材料的效率相對較低，體積和質量相對龐大，適合大規模應用，主要針對地面民用領域，經常作為其他設備或應用場合的加熱源，可用于太陽能熱發電、移動蓄熱等相關領域。這類材料有硝酸鹽、硫酸鹽和堿類。另外，通過將2種或2種以上無機或有機類相變材料結合在一起進行復合也是制備中溫相變儲熱材料的一種可行途徑。

       高溫相變儲熱——相變溫度在400℃以上，主要應用于小功率電站、太陽能發電、工業余熱回收等方面，一般分為3類：鹽與復合鹽、金屬與合金和高溫復合相變材料。

 

       總體而言，熱化學反應儲熱由于系統復雜、技術難度大，可操作性不強，目前仍處于實驗研究階段。顯熱儲熱是目前應用最普遍的一種儲熱方式，市場成熟，然而它的儲熱密度小、儲熱裝置體積龐大，因此應用前景受限。相比之下，相變儲熱的儲熱密度是顯熱儲熱的5-10倍甚至更高，具有溫度恒定和蓄熱密度大的優點，目前正處于示范向商業化市場轉化的階段，也是儲熱領域研究最廣泛、應用前景最廣闊的儲熱技術。

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