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蓄热技术是一种通过储存热能并在需要时释放为热能或其他形式能量的储能技术。其显著特点在于能够实现用能错峰,从而解决能源供需之间的时间差问题,进而提升能源利用率。蓄热技术可以与多种可再生能源系统集成,以实现热与热、热与电、电与热、电与电的能量转换。预计2030年,全球蓄热市场规模估计为423.7亿美元,全球蓄热系统的装机容量将超过800 GWh。中国的蓄热市场近年来迅速增长,已经成为全球蓄热技术发展最快的国家。本文将以《中国热储能产业发展报告(2024)》为基础,同时结合其他示范项目,进一步探讨中国现有的热技术和蓄热行业发展现状,并重点介绍在建筑、区域供热/供暖、电力和工业部门的示范项目。
1 蓄热技术
1.1 显热蓄热
显热蓄热材料包括液体和固体蓄热材料两种。其中液体蓄热材料包括水、导热油、熔盐等。油类具有相对较高的导热性,且在高温条件下不易分解。Abedigamba等发现植物油中的Roki油(葵花籽油和棕榈油的混合油)在显热储能性能上优于葵花籽油,具有更高的热导率和更广泛的热利用温度范围(冷却过程:67~76 ℃,加热过程:170~233 ℃),适合用作家用中温应用的显热蓄热材料。熔盐是高温应用中最常用的材料,因为其具有高体积热容、高沸点、高温稳定性及接近于零的蒸气压。Wang等提出的低熔点宽液体温域混合熔盐(多元硝酸盐/亚硝酸盐混合熔盐)具有低熔点、高分解温度、高稳定性和宽液体温度范围的特点,适用于高效太阳能热发电和高温传热系统。
固体蓄热材料中的天然岩石无毒、不易燃,涵盖低温至高温的应用。Liu等发现玄武岩玻璃在高温应用中表现出优异的储热能力和热稳定性,可承受1000 ℃的高温,相比天然矿石更适用作太阳能蓄热材料。
Zhang等研发了一种高蓄热密度、宽温范围且热循环稳定性强的钢渣储热材料,通过优化高温预处理和烧结工艺,解决了钢渣在成型过程中的不稳定性问题并使其在50~1000 ℃区间内的储热密度达到1222.2 J/g。
混凝土蓄热系统由于具有易于设计的特点,成为了太阳能聚光应用中较有前景的蓄热固体材料。耐火砖可以在1000~1700 ℃的温度范围内有效地储存热量。
胡自锋等研究发现新型MgO砖蓄热体结构在目标蓄热时间内表现出较小的整体温差值和更均匀的温度分布,实际蓄热容量达到理论值的96%。显热蓄热装置分为罐式蓄热、填充床蓄热及地下蓄热。
罐式蓄热装置以流体(水和熔盐为普遍介质)作为蓄热介质,通常运用在空间供热、热电联产、太阳能和电力系统。压力水蓄热也是蓄热式压缩空气储能的关键技术,通过回收压缩热进一步提升膨胀机组运行效率,在电力调节系统中较为常见。
而熔盐双罐系统在大型工业工厂、核电站和太阳能发电厂中具有显著的应用潜力。填充床储热装置是利用颗粒储存热能的技术,多用于建筑领域。地下蓄热中的热能来自太阳能、工业工艺以及冬季空气中的冷能,长期储存用于供暖或制冷。
1.2 潜热蓄热
根据相变材料的化学成分和性质,分为无机、有机以及复合相变材料。无机相变材料包括熔盐、水合盐和金属等。水合盐潜热约为240KJ/Kg,热导率约为0.5W/(m·K)(约是有机相变材料的两倍)适用于中低温蓄热,但过冷以及相分离问题常发生在相变过程。
刘云汉等发现通过提升储热温度和流量,能有效缩短三水合乙酸钠填充床相变储热装置的储热时间并使热效率达到94.73%。金属具有较高的热导率、高体积储热能力,因此适合低、中、高温蓄热。
Wang等揭示了液态金属镓在固-液相变过程中电导率随温度升高而降低,但热导率显著增加的特性。有机相变材料在固态状态下成型性较好、性能稳定、毒性低,且不易出现过冷和相分离现象。
Geng等总结了有机相变材料在共价键修饰方面的研究进展,重点讨论了通过分子水平的结构调控提升其热物理性能和功能特性的策略。
复合相变材料在提高蓄热密度、改善热导率和增强稳定性方面作出了贡献。例如田曦等以固碳废弃混凝土作为骨架材料,制备了不同质量配比的复合相变储热材料,发现固碳处理显著提升了材料熔化潜热,并改善了材料的化学相容性;许荣玉等采用冷压-热烧结方法制备的共晶四元硝酸盐基复合相变材料具有低熔点、宽温域、优异的热导率和热循环稳定性,适用于中低温热能储存。
1.3 热化学蓄热
热化学蓄热方式适用于长期甚至是季节性的热储存,储存时间长,热损失小。吸收/吸附蓄热材料除了常见的硅胶、活性炭、沸石及其衍生物外,还出现了许多新型多孔材料,例如AlPOs(磷酸铝)、SAPO(硅铝磷酸盐)、FAPO(磷酸铁)和MOFs(金属有机框架)等基于磷酸铝的分子筛。吸收/吸附蓄热适用于储存低品位热量(<100℃)和中品位热量(100~400℃)。Wu等开发了一种新型MOF-氨工作对,通过CaCl2@ZIF-8(Zn)复合材料的原位生长,提高了太阳能驱动的季节性热能储存器在极端低温条件下的热能储存效率和容量。
在化学反应中,金属碳酸盐的分解反应通常在100~950℃下进行,具有高体积密度、低工作压力且价格低廉等特点。徐云轩等通过分子动力学模拟了MNO₃-MgO-CO₂系统在反应前的三相界面,阐明了储热的碳酸化反应中熔融碱金属硝酸盐的催化机制。盐水合物在低温储热和建筑环境中的季节性储热应用中的潜力来源于其较高的能量密度和适宜的解吸温度。Gao等研究了CMK-₃/CaCl₂水合盐复合材料在低品位热能储存中的动力学特性、盐负载能力和热储存容量。
大多数金属氢氧化物的脱水反应温度范围集中在低温区。Wang等研究了传热流体的入口温度、流速和反应床孔隙率对Ca(OH)₂/CaO₂在管壳式间接反应器中反应时间、传热效率和蓄热效率的影响。金属氧化物的氧还原反应避免了对高温热交换器的需求,且工作温度与集中太阳能发电厂的操作温度范围相匹配。Han等的研究表明,掺杂Al和Cr的钴基金属氧化物能够有效减小Co₃O₄/CoO系统的热滞后现象,并且Al的加入抑制了材料的烧结。

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