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摘要：储热质料研究是当今天下研究的热门。本文先容了近几年显热储热质料、相变储热质料以及化学储热质料的质料系统及性能特点。对种种储热质料的组成、特点、制备工艺和保存的问题举行了讨论。剖析批注相变储热具有循环温度恒定、相对较高的储能密度、易控且清静等优点，别的，还针对相变质料的分类及应用研究举行了综述。
小序
能源是人类社会赖以生涯的主要物质基础和社会生长动力。英国石油公司在《BP天下能源展望2019》与《BP天下能源展望2020》中指出：一次能源消耗量的年平均增添率为1.9%，展望中国2050年能源消耗将占全球能源消耗的20%以上。中国作为能源消耗大国，能源已逐渐成为制约国家经济生长的要害，因此，生长可再生能源与新能源是我国经济可一连生长的要害。
与燃煤等化石能源相比，大大都清洁能源具有波动性、间歇性等特征，保存供能和用能时空不匹配问题。储能手艺能够有用缓解清洁能源的间歇性和不一连性问题，是有用提高清洁能源使用率、生长清洁供暖的方法之一。据统计，全球90%的能源预算是围绕热能的转换、转达与贮存睁开。在以太阳能热发电和低温余热使用为代表的可再生能源使用手艺中，主要转换能量为热能，并且现在储热手艺的成熟度较高，本钱较低，适合大规模储能应用。
综上所述，储热手艺是现在应用较为普遍、性价较量高的储能手艺，对提高能源综合使用率、开发可再生能源和使用余热资源具有主要意义。本文主要以相变质料为主，先容了差别类型储热质料的组成、制备手艺、特征及应用，为后续深入研究提供参考。
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储热手艺概述
1.1储热手艺分类
凭证热能贮存和释放方法，可将储热手艺分为化学储热与物理储热，其中物理储热又可分为显热储热、相变储热。种种储能方法的特点如表1所示。
表1种种储热手艺的特点
1.1.1化学储热
化学储热是将化学反应热贮保存化学物质中，通过吸热反应贮存能量，其逆反应放出能量，化学储热的储热密度约为显热储热的10倍�；Т⑷染哂懈叽⑷让芏扔诺�，可以缩小单位热化学储热单位的体积，从而提高系统的总储热能力。可是，化学储热保存反应历程重大、装备性能要求高、性价比低等弱点，在现实应用历程中容易泛起装备严密性差、质料侵蚀的问题，现在该项手艺仍处于早期研究阶段。
1.1.2显热储热
显热储热是通过物质自身温度改变，依赖储热质料的热物理性能来举行热量的存储和释放。显热储热应用通常只需控制温度，操作与管理简朴、手艺成熟，具有热容大和本钱低的特点，是现在应用较为普遍的储热方法。其中水是100℃以内性价比z高的液态显热储热质料，但这类质料储热密度较低，温度转变大，系统占用空间大，难以在紧凑空间内使用，保存一定的应用局限性。
1.1.3相变储热
相变储热通过质料在爆发相变历程时吸收或放出潜热。相变储热质料可分为有机类、熔融盐类、合金类及复合类等。相变质料主要在固、液、气三相状态中转变，其中固—液相变质料的储能密度较大，相变历程中体积和温度转变小，是现在的主要研究工具。相变质料在太阳能热使用、废热余热接纳、修建节能等领域具有优异的应用远景。
1.2相变储热手艺的优势
相变储热通常是指固—液相变。相变储热的储热密度是显热储热的5～10倍，可大幅减小装备体积，缩小系统占地面积；相变质料在相变历程中温度和体积转变较小，操作控制简朴，并提高了储热控制的清静性；同时，相变储热的本钱低于显热储热、化学储热和大大都的储电手艺。因此，相变储热是各方面性能较量平衡的储热手艺，普遍应用于能源、电子电气装备、打扮纺织和防火阻燃、航天航空的动力支持与热防护等领域，应用远景辽阔。
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相变储热质料概述
相变质料是相变储热手艺的焦点，是相变储热系统中要害的组成部分之一。
凭证相变温度，相变质料可分为低温相变质料（＜100℃）、中温相变质料（100～300℃）和高温相变质料（＞300℃）。低温相变质料主要是由有机相变质料组成，如石蜡、脂肪酸及其衍生物类、多元醇、聚乙烯类等。现在，低温相变质料在修建物温度调控领域较为普遍的应用。中高温相变质料主要由无机相变质料组成，大致分为无机盐类和合金类，其中无机盐相变质料具有更大的储热温区和更自制的价钱，因而在中高温储热领域具有更大的优势。
凭证应用研究，相变质料应具备以下性子：1）较高的相变储热；2）合适的相变温度；3）较高的比热容；4）较高的导热系数；5）较高的循环稳固性；6）较弱的侵蚀性；7）较高的热稳固性；8）较小的体积膨胀率；9）无相疏散和过冷征象；10）清静性高；11）低本钱。然而，在现真相形下，这些性子往往无法同时知足，差别种类的相变质料有差别的特点和局限性，因此对差别的相变质料性能举行比照剖析，通过质料复合手艺，从多个角度对基材举行优化，改善其在储热传热、清静稳固、投资本钱等方面的综合性能，获得性能更为优越的复合相变质料，进一步拓展相变储能的应用远景。
2.1有机相变储热质料
有机相变质料大多为中低温储热质料，主要有醇类、石蜡、脂肪酸、芳香烃类及高分子聚合质料等，相变储热约150～240J/g。
有机类储热质料具有单位质量储热密度高、循环稳固性好、固态成型好、化学性子稳固、过冷度小、侵蚀性低、热稳固性较好、不保存相疏散与过冷、本钱较低等优点；可是其单位体积贮热密度低、相变点较低、导热系数小、密度较小且部分质料保存一定的毒性，不适于高温场合使用。部分有机相变质料的热物性参数见表2。
表2部分有机相变质料的热物性参数
2.2无机相变储热质料
无机相变质料具有体积贮热密度大、导热系数较高、价钱低等优点，但在使用时保存过冷和相疏散征象。过冷是指质料需要到冷凝点以下才最先结晶，质料不可实时爆发相变，导致不可实时的释放和使用热量� ？赏ü韵乱旖饩觯�1）成核剂法，通过成核剂形成适合晶体成核与生长的情形条件，阻止过冷征象，但怎样选择合适的成核剂较量难题；2）冷指法，将部分固态结晶水合物预留下来，作为用于引发质料爆发相变的凝聚焦点，但相变历程无法自觉举行，需要人工操作，使用不利便。相疏散是指非晶态固体脱水盐在升温度时无法完全消融于释放的结晶水中，在降温时，脱水盐未完全消融并下沉至容器底部，导致无法与结晶水团结重新结晶，形成相分层，导致储热能力下降。解决相疏散的要领包括加入增稠剂和加入晶体结构改变剂。增稠剂将系统转为凝胶体，削弱晶体颗粒的群集，晶体结构改变剂改变水合盐的晶体结构，二者可团结使用。
现在常见的无机类相变质料包括结晶水合盐、熔融盐和金属合金等。
2.2.1结晶水合盐
结晶水合盐（分子式：AB·nH2O，AB体现一种无机盐，n是结晶水的数目）是中低温储热领域的主要质料，通过结晶水的脱除和团结实现热能的存储和释放。结晶水合盐的相变点一样平常在100℃以下，导热系数在0.5 W/（m·K），左右储热密度一样平常为200～700 J/cm3，单位体积贮热密度可达350 kJ/L以上，具有较高的储热能力和导热系数。其适用规模广、质料易得且本钱较低，常应用于修建物的保温质料和热水系统等。结晶水合盐包括碱和碱土金属的卤化硝酸盐、硫酸盐、乙酸盐等，其热物性参数见表3。
表3常见无机水合盐相变质料的热物性参数
2.2.2熔融盐
无机熔融盐是中高温领域的主要储热质料，具有潜热密度大、温度涵盖规模广、本钱低、热稳固性好、易于控制和管理、饱和蒸汽压低等优点，在太阳能发电及工业余热使用等领域已起源应用。
常用的熔融盐有碳酸盐、氯化盐、硝酸盐、氟化盐，其中硝酸盐相较于其他类熔融盐，具有熔点低、价钱低、侵蚀性小等优点，已普遍应用。表4为几种常见熔融盐的热物性能。
表4常见无机盐相变质料的热物性参数
除熔融盐的性能研究外，许多学者围绕传热强化和复合定型，针对提高相变质料与容器的相容性、减小质料体积转变的问题睁开研究。
（1）传热强化
熔融盐中加入三维网络结构泡沫金属制备复合定型相变质料，可以提高质料的导热能力，但其对金属质料会形成侵蚀反应，并且制备本钱较高。无机盐相变质料对金属质料的侵蚀作用包括：一种是氧化作用，金属以离子态保存液态无机盐中；另一种是无氧化作用，以金属态消融在液态无机盐中。容器质料通常接纳低碳钢、纯镍等具备一定耐侵蚀性的金属。
碳基质料与相变质料复合后可以大幅提高导热能力，碳基质料具有优异的导电性、导热性和化学稳固性，其中膨胀石墨价钱较低，且具有高吸附性和高导热系数，是碳基质料强化传热的主要研究工具。
（2）复合定型
熔融盐与无机硅酸盐质料制备复合定型相变质料，可以阻止液态熔融盐走漏。现在常用的定性复合相变质料制备要领有混淆共烧结法和直接吸附法，常用的复合质料有CaSiO?、MgO、SiO?、Al?O?等。
2.2.3金属及合金
金属及合金类质料具有导热系数高、饱和蒸汽压低、相变储热大等特点，但其价钱高，且在高温中易氧化，为阻止在使用历程中泛起泄露和氧化征象，需举行特殊密封处置惩罚。主要的相变金属有Al、Mg、Zn以及多元合金等，其热物性参数见表5。
表5金属及其合金的热物性参数
2.3相变储热质料的应用研究现状随着《关于推进电能替换的指导意见》《电力生长“十四五”妄想》等政策宣布，相变储热质料的研究也逐渐走向商业化。海内外已有许多企业实现了大规模储热质料的应用。
电网规模热储能手艺开发商长时储热手艺公司MaltaAzelio接纳一种由再生铝合金制成的相变质料作为储热介质，该质料可以被加热到600℃，实现长达13 h的电力贮存，预计系统寿命可达30年，已在阿联酋、迪拜太阳能发电厂举行应用。瑞典首创公司Azelio开发了一种基于接纳铝的相变质料用于储热；澳大利亚RayGen公司将太阳能光伏、聚光太阳能和热吸收团结在一起；德国Lumenion公司将能量贮保存温度高达650℃的钢� ？橹�；英国Highview Power公司则接纳低温液态空气作为能量存储介质。
我国已开发出数十种复合相变储热质料，质料应用温度z低-150℃，z高1 000℃，质料的有用储热密度z高达1 000 kJ/kg。其中，应用z广的产品是相变蓄热式电暖器和相变蓄热式电锅炉，应用原理如图1所示。针对电源侧蓄热调峰，在电源侧/用户侧安排高能量密度的相变蓄热电锅炉，凭证电网调理指令实时投切，将热电机组调峰的电负荷转化为热能贮存，并依据用户的需求将热能以热水、蒸汽等方法输出。
图1金合能源相变储热应用原理图
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总结与展望
综上所述，热化学储热是三者中储能密度z大的，但保存清静性、转化效率、经济性等问题，难以实现规�；⑸桃祷�。显热储热质料是现在应用广、性价较量高的储热质料，但其储热密度低、储/放热历程中温度转变大。相变储热质料是当下研究的重点和热门，虽然差别类型的储热质料性能各不相同，但可通过复合手艺解决，现在制备复合相变储热质料有封装、浸渍吸附、包裹、混淆烧结等要领，并且部分复合储热质料已走向了商业化历程。由于一直增添的运行本钱和热电转换效率的问题，热－热循环仍会是未来的研究重点，储热手艺关于工业历程和电网的恒久需求都是可行的。
本文转自《信息纪录质料》，作者：冯一帆，蒋思炯，付鑫，陈燚。
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