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相变储热技术的未来趋势

储能是消除能源在时间和空间上不均衡问题的有效手段。人类用

能的70%都是热能，因此，储热在储能中占有重要位置。储热可以广

泛应用在可再生能源利用、工业余热回收和清洁供暖等方面。

电能来源

220V-10kV

—冬冬风电

_火电

—事光热

储热技术主要分为显热储热、相变储热、热化学储热三种，其储

热密度依次升高，成熟度依次降低。显热储热材料应用比较多，而相

变和热化学储热系统的储热密度高，相变储热系统已经慢慢开始了一

些商业化应用，热化学储热系统由于系统的复杂性，目前没有行大

规模的应用，还处于实验室阶段。

1、相变储热的研究展

相变储热具有储热密度高、温度变化小的特点。在常见的相变储

热材料应用中，希望其具有高导热系数、合适的相变点、高比热容、

低腐蚀性和良好的循环稳定性等优点，但是同时满足这些性质的储热

材料是不存在的。

目前相变蓄热材料多为无机盐，其导热系数低，那么有没有导热

系数本身就很高的相变材料？众所周知，金属的导热系普遍较高，因

此，可以在蓄热设备中使用金属泡沫和膨胀石墨，提高其导热率，但

金属泡沫的金属骨架会受到一些盐的腐蚀，骨架会发生断裂，不适合

长期应用。

近年来，有学者从单元与系统层面行了一系列研究。在相变储

热单元方面，采用拓扑优化理论，对储热单元内部的传热结构行了

高自由度的优化，得到一种树枝状分布的肋片结构，较之前常见的肋

片，该树枝状肋片的传热性能提升很大，这种肋片可以通过电火花切

割或者3D打印的方式获得。在相变储热系统方面，则围绕梯级储热

系统，采用嫡产理论和火积耗散理论对各级相变材料的相变温度开展

理论优化，但该工作还处于研究阶段。

而中高温相变储热技术问题有三点：一是循环稳定性需要一步

的验证，二是腐蚀性问题，三是相变材料在相变过程中可能会发生体

积变化，而体积变化可能会带来接触不良，导致局部的热阻过高等问

题。

2、热化学储热的研究展

热化学储热是目前储热密度最大的储热方式，可以实现季节性长

期存储和长距离运输，并且可实现热能品位的提升。其原理是利用可

逆的热化学反应，来实现储热和放热的过程。

热化学储热材料呈现粉末状，传热性较差，研究发现，等效导热

系数是随着反应变化而变化的，期间，孔隙率的变化占据了主导作用。

此外，热化学储热材料还会存在比较严重的团聚和烧结问题。例如,

随着储热温度的提高，氧化镁和氢氧化镁体系中氧化镁颗粒变大，并

且存在团聚问题；但是氢氧化钙和氧化钙体系可通过一个放热和储热

的循环，恢复了放热性能，并且可以解决团聚和烧结的问题。

目前热化学储热技术主要存在的问题也有三点：一是化学反应与

传热的匹配问题，二是蓄热过程中系统运行参数和系统设计参数的控

制有待研究，三是稳定性有待一步的测试。

3、蓄热技术的发展趋势

蓄热技术研发未来会有四个发展趋势：

一是开发高效低价的蓄热系统是未来清洁供热的方向；

二是开发高性能的复合结构蓄热材料，有效平衡材料各性质之间

的优缺点；

三是热化学蓄热温度范围高，蓄热密度较大，但是工艺复杂并且

技术成熟度低，还需要行反应速率和传热性能的良好匹配；

四是相变蓄热和热化学蓄热的优势明显，这两种方式是未来研究

的重点方向。