蓄能技术

1相变蓄能技术及其应用摘要:相变蓄能技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术,本文对相变蓄能技术中的相变材料进行了简要的介绍，介绍了几种常用的蓄能技术：显热蓄能技术、潜热蓄能技术和热化学蓄能技术。蓄能技术在建筑节能和电力调峰中应用较多，并在其他节能领域也会具有很广阔的应用前景。关键词：相变材料；相变蓄能技术；建筑节能；电力调峰1.前言储能技术可用于解决热能供给和需求失配的矛盾，是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，在太阳能利用、电力调峰、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑采暖与空调的节能等领域具有广泛的应用前景，已成为世界范围的研究热点。利用相变材料的相变潜热来实现能量的储存和利用，提高能效和开发可再生能源，是近年来能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。相变储能材料是指在其物相变化过程中，可以与外界环境进行能量交换（从外界环境吸收热量或者向外界环境放出热量），从而达到控制环境温度和能量利用目的材料。与显热储能相比，相变储能具有储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制等优点，在航空航天、太阳能利用、采暖和空调、供电系统优化、医学工程、军事工程、蓄热建筑等众多领域具有重要的应用价值和广阔的前景。相变蓄能在暖通空调领域的应用主要分为两大类：一是把相变材料与建筑围护结构相结合，如相变墙板、相变天棚和相变地板；二是相变供暖空调系统的应用。2.相变材料简介相变储能材料（PCM）是一种具有特定功能的物质。它能在特定温度或温度范围（相变温度）下发生物质相态的变化，并且伴随着相变过程吸收或放出大量的相变潜热，所以可用来储热或蓄冷。相变储能与显热储能相比具有储能密度高、储能放能近似等温、过程易控制等特点，非常适于解决能量供给与需求失衡的难题。相变储能材料应符合如下要求：（1）在热性能方面，要有合适的相变温度、较大的相变潜热、合适的导热性能（导热系数一般宜大)；（2）在化学性能方面，要求性能稳定、相变可逆性好、过冷度小、无毒、不易燃、具有较快的结晶速度和晶体生长速度，并要求在相变过程中不应发生熔析现象，以免导致相变介质化学成分的变化；（3）在物理性能方面，要求体积膨胀率小、蒸汽压低而密度较大；（4）在经济性能方面，应当原料易购、价格便宜。相变材料的种类很多，存在的形式也各种各样。迄今为止，人们研究过的天然和合成的相变材料已超过4300多种。美国Dow化学公司对近两万种的相变材料进行了测试，发现只有1%的相变材料可以进一步研究。从材料的化学组成来看，可分为无机相变材料、有机相变材料和混合相变材2料三类。无机相变材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属合金等无机物；有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯、多元醇等有机物；混合相变材料主要是有机和无机共融相变材料的混合物。从相变材料相态的变化方式来看，又可分为固液相变、固固相变、固气相变和液气相变四类。目前，固液相变材料和固固相变材料两大类研究较多、发展较快。由于气体占有的体积大，固气相变和液气相变体系体积变化大，设备复杂，经济实用性差，所以尽管其相变潜热较大，实际上很少用于储能。在实际应用过程中，按照使用要求，相变材料又可以分为相变储能材料、相变控温材料、相变结构材料等。相变蓄能材料的开发已逐步进入实用阶段，主要用于控制反应温度、利用太阳能、储存工业反应中的余热和废热。低温蓄热主要用于废热回收、太阳能储存及供暖和空调系统。高温蓄热用于热机、太阳能电站、磁流体发电及人造卫星等方面。相变材料的发展方向如下：（1）多元相变组合材料。在同一蓄热系统中采用相变温度不同的相变材料合理组合，可以显著提高系统效率，并能维持相变过程中相变速率的均匀性。这对于蓄热和放热有严格要求的蓄能系统具有重要意义。（2）高温蓄热。美国NASALewis研究中心利用高温相变材料成功的实现了世界上第一套空间太阳能热动力发电系统2kw电力输出，标志这一重要的空间电力技术进入了新的阶段。太阳能热动力发电技术是一项新技术，是最有前途的能源解决方案之一，必将极大地推动高温相变蓄热技术的发展。（3）空调蓄冷。温蓄热技术是当前空调行业研究开发的热点，并将成为重要的节能手段。（4）纳米复合相变材料。利用纳米技术，将有机相变蓄热材料与导热系数高的无机物进行复合，制备新型、高效多孔纳米复合材料（5）多功能相变材料。如导电相变材料、可微波加热的相变材料、防水相变材料、可杀菌防虫蛀相变材料、形状记忆相变材料等。3.蓄能技术介绍目前已采用和正在研究的蓄能技术主要是利用工作介质状态变化过程所具有的显热、潜热效应或化学反应过程的反应热来进行能量储存，它们是热蓄能技术，潜热蓄能技术和热化学蓄能技术3.1显热蓄能技术每一种物质均具有一定的热容，在物质态不变的情况下随着温度的变化，它会吸收或放出热量。显热蓄能技术就是利用物质的这一特性，从理论上说，所有物质均可以被应用于显热蓄能技术，但实际应用的是比热容较大的物质。在蓄能技术发展的初期，显热蓄能首先被提出并得到应用，应用最广泛的就是冷、热水蓄能技术。冷、热水蓄能是利用价格低廉、使用方便，比热容大的水作为蓄能介质，利用水的显热进行能量储存，它具有投资少、系统简单、维修方便、技术要求低、可以使用常规蓄能空调、供热系统，曾被广泛采用冷、热水蓄能技术的缺点是：蓄能温差小，密度低，小能储存很大的能量。3.2潜热蓄能技术潜热潜能储存技术潜热蓄冷技术是利用物质相变时需要吸收或放出热量的特性来储存或释放能量，包括冰蓄冷技术和共晶盐蓄能技术。33.3热化学蓄能技术在一定的温度范围内某些物质吸热或放热时，会产生某种热化学反应。利用这一原理构成的蓄冷技术称之为热化学蓄能技术。目前正常研究、开发的气体水台物蓄冷技术可以算作热化学蓄冷技术中的一种。气体水合物蓄冷技术从物质状态变化形式上可以划入潜热蓄冷技术。但从蓄冷原理上是由化学反应所产的化学反应热来蓄冷。制冷／制热潜能储存技术有独特的优点：(1)制冷潜能储存系统不需要采用绝热保温措施，能量可以在常温下无限期地储存。(2)能量以溶液化学势能形式储存，储存设备只是结构非常简单的储液罐而已。(3)单位质量工作溶液的储能密度大于目前已使用或正在研究的蓄冷介质的储能密度，可使能量储存系统的体积减小。(4)制冷／制热潜能储存系统的制冷温度范围非常广，理论上可以在70～60℃之间工作。(5)制冷／制热潜能储存系统可以将多种能量转换成溶液的化学势能并被储存起来，在需要时可较容易地转换成冷或热能。(6)制冷／制热潜能储存系统所采用的物质均是自然物质，不影响环境。(7)储存的潜能不仅可以转换成冷能，而且还可以转换热能，或同时转换成冷、热能。(8)制冷／制热潜能储存系统的基本设备与常规压缩式和吸收式制冷系统相同，相关技术比较成熟。(9)储存的潜能是以制冷的方式转换成冷能，因此很容易将普通的制冷空调系统改造成为蓄能制冷空调系统。4.蓄能技术的应用4.1相变蓄热技术用于被动式太阳房我国幅员辽阔，西北和西南地区太阳辐射能十分丰富，大力发展被动式太阳房是我国节能建筑发展的重要方面。相变蓄热技术能有效解决太阳能的贮存问题，因而将相变蓄热与被动式太阳房结合将能达到更好的建筑节能效果。在被动式太阳房的具体设计中，可选择相变温度在18℃一20℃(室内适宜温度)的PCM蓄热结构，应用在阳光可以照射到的墙体和地板上。在冬季白天，太阳光照射在装有PCM的地板和墙体上时，PCM可以吸收热量产生固一液相变，从而储存热量：到了夜间，室内温度降低，PCM再一次产生液一固相变，将白天储存的热量释放出来，从而达到提高室内空气温度的作用。在夏季的夜晚，在引入室外冷风对房间进行冷却降温的同时，PCM发生液一固相变将热量进一步释放出来；到了白天，室内温度升高，PCM再次发生固一液相变吸收室内热量，以达到降低室内温度，减少常规能耗的作用。相变蓄热围护结构(图5)因其安装方便，成本相对较低，其适用性强，有望被广泛使用。此外，PCM石膏板材、相变蓄热地板和天花板等材料都是很有发展前景的节能措施。4.2相变蓄冷空调技术用于节能建筑自然冷却(free-cooling)系统是利用环境温度的昼夜变化为楼宇制冷的空调通风技术，而相变蓄冷换热器将成为自然冷却(free—cooling)系统的关键设备。由于我国北方大部分地区夏季昼夜温差明显，自然通风冷却技术具有广阔的应用前景。研究表明旧1相变温度在20-22℃间的PCM适宜用于该技术，且可使室内温度保持在25℃～26℃，可以达到很好的室内热舒适度。在办公楼等大空4间中使用该系统，需要在夜间增加强制通风，在大通风量下使PCM相变蓄冷换热器贮存冷量，因此需要消耗一定的通风能量。尽管如此。由于风机的耗能与传统制冷系统中的压缩机相比要小得多，因此，总体节能效果还是十分明显的。从理论上讲，在各类建筑中，无论是公共建筑、城市住宅还是新农村住宅中均可采用相变蓄能技术，该技术有助于充分利用自然热源和冷源调节室内温度，从而在提高建筑室内热舒适度的同时，减少对常规能源的消耗。4.3相变储能技术在电力调峰中的应用电力调峰随着经济的发展和人民生活水平的提高，我国在用电高峰期供电形势的紧张程度日趋严重，同时电力供应高峰不足而低谷过剩的矛盾也日益突出，各大电网的峰谷差均已超过最大负荷的30%，个别甚至达到50%，给电网的安全性和经济性带来很大的影响。据统计资料显示，在高温季节，高层写字楼、商厦及其它民用空调用电负荷可达总供电量的30%以上。由于空调装置运行的间断性，导致峰谷差和供电缺口越来越大。为了解决电网峰谷差问题，通常采用火电机组、燃气机组、抽水蓄能和蓄能空调、种调峰方式，其中火电燃煤机组的投资约为6000元/KW,燃气机组和抽水蓄能调峰的投资约为4000元/KW，而冰蓄冷空调系统投资约为1200元/KW，即移峰1KW电力的投资费用仅仅为1200元，远远小于其它3种调峰方式。所以蓄能空调技术成为国际普遍使用的调峰填谷的技术。蓄能空调普遍使用冰为相变蓄冷材料，也有使用相变点在5℃以上的蓄冷材料的，以便提高制冷机的效率。此外，相变储冷技术还可用来提高燃气机组的出力。电力公司往往把燃气轮机用于夏季的调峰，而电网高峰时间常为夏季午后到傍晚的短短4h内，此时因气温高，空调制冷用电功率加大，电力负荷加大，因此要求燃气轮机输出最大功率，但这时因环境气温高，空气密度小，燃气轮机吸入的空气质量少，输出功率反而最小，构成了一对突出的矛盾。冰蓄冷技术可以很好地解决这一矛盾，即利用冰蓄冷系统降低燃气轮机进口空气温度来提高燃气机组的出力。5.结论相变蓄能技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术。在能源日益紧张的时代，随着人们日益关注节约能源、开发新能源以及环境保护意识的普遍增强，相变蓄能技术备受世界各国的重视，相变蓄能材料的应用日趋广泛，必将促进该技术持续快速的发展。相变储能技术的节能性、环保性及经济性越来越受到人们的广泛重视，它的实际应用领域和范围在不断扩展，不仅在航空航天、工农业生产、能源电力、纺织材料、公路交通、发动机技术等方面有着重要的应用，而且在改善人们的日常生活方面也有着广泛的应用%随着科技的进步与发展。相变储能技术会给人们带来更为广阔的应用空间和巨大的经济利益。6.参考文献[1]尚燕,张雄.相变储能材料应用研究[J].西华大学学报(自然科学版),2005,24(2):87.[2]王永川,陈光明,张海峰,等.相变储能材料及其实际应用[J].热力发电,2004,11(11).5[3]梁辰,闫全英.相变储能技术的研究和发展[J].建筑节能,2007,35(12):41-44.[4]廉京哲.相变储能建筑材料的应用研究进展[J].延边大学学报(自然科学版),2007,33(3).[5]韩晓娟,谭宏博,刘煜.相变蓄能技术及其在节能建筑中的应用[J].华中建筑,2008,26(10):133-136.[6]谢晓峰,陈爱英.新型蓄能技术-相变蓄能[J].株洲师范高等专科学校学报,2003,8(5):13-17.[7]孙亚洲.储能技术在电力系统中的应用[J].电源技术应用,2013,4:037.[8]孙亚洲.储能技术