當前儲熱技術主要可分為四類:顯熱儲熱、潛熱儲熱、吸附/吸收的熱化學儲熱、可逆反應的熱化學儲熱。據報告介紹,除顯熱儲熱已經使用百年以上,潛熱儲熱(相變儲熱)才剛剛開始使用,其他兩類熱化學技術還處于研發初期。在當前儲熱技術發展中,儲熱技術在從材料、單元與裝置、優化與集成等方面面臨著多項挑戰。在儲熱材料方面,當前需要追求更高能量密度、更寬溫域、更長壽命、更高經濟性的材料,為適應太空技術需求,儲熱材料需要往低溫方向拓展,在高溫區同樣也需適應更高的溫度以滿足更多應用場景需求,拓展溫區實現-200~1500℃。在單元與裝置方面,材料模塊和單元需要進一步優化設計與排列組裝,實現儲熱換熱裝置的優化設計以及材料模塊、單元、儲熱換熱裝置的規模化制造。相變儲熱具有溫度恒定和儲熱密度大的優點。河南家庭自采暖
強野科技技術(上海)有限公司的相變儲熱器走進江蘇省揚州市江都區的某養殖場。強野根據其痛點,提供了強野儲熱方案:在寒冷季節利用電鍋爐給相變儲熱器充能,然后由相變儲熱器給幼豬仔供暖。目前已竣工完成,其效果令人贊不絕口。走進幼豬仔區,強野相變儲熱器無噪音,開啟后室內溫度十分舒適。這一臺機器供暖面積約800平方米,完美解決了豬舍的溫度、用電安全等問題。強野相變儲熱器顛覆了豬場養殖業的供暖保溫舊方式,結合相變儲熱器為幼豬仔提供良好的成長環境。河南家庭自采暖系統制造商儲熱材料應具有適當的相變潛熱。
儲熱介質吸收太陽輻射或其他載體的熱量蓄存于介質內部,環境溫度低于介質溫度時熱量即釋放。熱量以顯熱、潛熱或兩者兼有的形式儲存。顯熱是靠儲熱介質的溫度升高來儲存。常溫下水和卵石均為常用的儲熱材料,水的儲熱量是同樣體積石塊的3倍。潛熱儲存是利用材料由固態熔化為液態時需要大量熔解熱的特性來吸收儲存熱量。熱量釋放后介質回到固態,相變反復循環形成貯存、釋放熱量的過程。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,而且包括儲存和利用低于環境溫度的熱能,即日常所說的儲冷。
相變材料的技術原理是利用物質的相變過程來進行儲放熱。具體來說,物質有固、液、氣三相,物質由一種狀態(相)變為另一種狀態(相)會吸收或者釋放能量,且該過程中溫度不變,吸收或者釋放的熱量,學術上定義為相變潛熱。相變材料種類很多,其分類標準也很多樣。若按物質相狀態之間的轉變變方式可以分為以下四種:固體與固體之間的相變(固-固相變)、固體與液體之間的相變(固-液相變)、氣體與固體之間的相變(氣-固相變)和氣體與液體之間的相變(氣-液相變)。固-固相變材料的儲能原理如下:當物質由一種結晶態向另一種結晶態的轉變時,會發生能量的轉換,利用該過程可以達到儲能的目的。這類相變材料特點是:1、很小的潛熱蓄熱密度;2、跟固液相變體積變化相比,固固相變的體積變化較小。固-固相變具備一項很明顯的優勢:由于對容器的要求不高,因此帶來容器設計上的靈活性。相比于固固相變材料,固氣相變和液氣相變這兩類材料的相變潛熱更大,但是這兩類相變材料具有一個很明顯的缺點:即在相變過程中,這兩類相變材料會伴隨大量氣體的產生,對容器的氣密性有很高的要求,因此使得容易設計很復雜和不切實際。雖然固液相變材料的相變焓略微小于氣液相變材料的相變焓。 儲熱可將熱量傳給循環工作的介質如水,并儲藏起來。
儲熱相變材料如何選擇?必須考慮以下幾大因素:(1)熱物理性質因素,具體來說包含相變溫度保持適中、相變焓盡可能大和傳熱特性盡可能良好。在確定合適的相變材料來填充蓄熱系統時,必須使得系統加熱和冷卻的操作溫度符合相變材料的相變點,另外需要注意挑選材料的相變焓應越高越好,尤其是單位體積的相變焓應當越高,從而可以節省容器體積。除此以外,挑選相變材料的熱導率應當越高越好,這樣可以幫助蓄熱系統儲放熱。(2)物理因素,包含良好的相平衡、高密度、很小的體積變化以及較低的蒸汽壓力。加熱融化過程中的相穩定性有助于熱量的存儲,高密度可以使得容器設計時體積更小,較低的蒸汽壓力以及較小的體積變化有助于減少容器的氣密性問題。(3)動力學因素,包含無過冷和充分的結晶。過冷是一些相變材料很大的缺點,尤其對于水合鹽來說,過冷是一個首先要解決的問題。這是因為過冷將會嚴重削弱相變材料的相變潛熱值,甚至隨著循環次數的增多。過冷度會使得蓄熱材料完全失去儲放熱的能力。(4)化學因素,該因素包含材料的化學穩定性應維持盡可能長的時間;蓄熱材料應當與容器材料具備非常好的相容性;材料應當無毒性以及不可燃性。 相變儲熱的儲熱密度是顯熱儲熱的 5~10 倍甚至更高。長春儲熱系統生產廠
低溫相變儲熱材料主要有無機和有機兩類無機相變材料主要包括結晶水合鹽、熔融鹽、金屬或合金。河南家庭自采暖
相變化材料現今已逐步應用于冷藏運輸櫥柜、保溫設備、衣物、航太等領域中。除此之外,科學家也持續努力地開發具有突破性的新儲熱材料,日本東京大學化學系S.Ohkoshi與筑波大學數理物質系HirokoTokoro教授,研究相變化儲熱陶瓷材料,發現特殊型態氧化鈦于室溫至530K之間,存在入相及β相之固態–固態相轉變,而相變化潛熱值達230KJ/L,且入相可借由外施加極小壓力即能造成相轉變為β相同時將儲存的大量潛熱釋出,而轉換β相后,亦可經由加熱、照光,甚至通電流的方式,回復到N相。因此,這個材料除了一般的儲熱模式外,尚能吸收多余電力或太陽光等能量,將不同型態能量存儲在此特殊材料中,并于適當控制外加壓力時釋出能量,達到能量存儲或釋放,該研究成果刊登在2015年《NatureCommunications》期刊中,其后續發展與應用值得關注。河南家庭自采暖