2.2 儲熱技術發展與應用

2.2.1 儲熱技術的發展

儲熱技術是能夠提高能源利用率和保護環境，可用于解決熱能供給與需求不平衡以及熱能供求在時間和空間上的矛盾。通過對儲熱技術的應用，能源的利用效率得到了很大的提高。

眾所周知，熱能是人類生活中最重要的能源之一。但是，大多數能源都存在間斷性和不穩定性，因此在很多情況下，人們都較難合理地利用能源，存在不需要熱能時有大量熱量產生，需要熱能時熱能供應卻不足的問題。于是人們開始研究怎樣儲存熱能，并試圖找到適當的儲熱方式，利用特定的裝置和特定的儲能材料把過?；蛘叨嘤嗟挠酂岽鎯ζ饋恚员阈枰臅r候再利用，從而解決由于時間和地點限制以及供熱和用熱的不匹配、不均勻所導致的能源利用率低等問題，這種技術稱之為儲熱技術。由于儲熱材料對儲熱技術的發展起著關鍵的作用，決定著儲熱技術的發展水平，因此儲熱材料是儲熱技術中至關重要的因素。

1.顯熱儲熱技術的發展

顯熱儲熱技術是一種最為簡單也最為成熟的儲熱技術，也是儲熱技術中應用最早、推廣最為普遍的。在工業應用上有很長的一段歷史，而在顯熱儲熱技術中，熔融鹽顯熱儲熱技術是其中原理較為簡單、技術比較成熟、儲熱方式比較靈活并且成本低的一種儲熱技術。早期，熔融鹽儲熱技術中采用單一組分的熔融鹽，但是單一組分的熔融鹽不但熔點高而且熱穩定性差，于是人們開始研究混合熔融鹽，希望能降低其熔點并提高其熱穩定性。通過對于混合熔融鹽的研究，人們找到了以各種組分和不同比例混合而配制成的熔融鹽，優化了熔融鹽儲熱技術。目前太陽能熱發電領域熔融鹽的顯熱儲熱技術已經得到了具體的應用（圖2.2）。

但是，盡管許多科研人員對于顯熱儲熱中的混合熔融鹽的配制做出許多嘗試，對于最適合、最合理的配制比例，目前仍然沒有統一的理論指導，這也是熔融鹽顯熱儲熱技術繼續向前發展的一個瓶頸。除此之外，熔融鹽的腐蝕問題也是客觀存在的，需要進一步研究，以緩解腐蝕速度。

2.相變儲熱技術的發展

相變儲能技術利用材料在相變時吸熱來儲存能量，因此相變儲能技術又稱為相變儲熱技術。在眾多的儲熱技術中，相變儲熱技術是最有發展前途、目前研究與應用最多且最重要的儲熱技術。其儲能密度比顯熱儲熱密度高出一個數量級。與其他儲熱技術相比，相變儲熱技術放溫恒定，可以穩定地輸出熱量并且換熱介質溫度基本不變，使儲熱系統可以在穩定的狀態下工作，但是它的儲熱介質往往存在過冷、導熱系數較小、易老化、易腐蝕周圍設備等缺點。

在相變儲熱技術中，影響相變儲熱技術的核心因素是相變儲熱材料。相變儲熱材料由多組分構成，包括主儲熱劑、相變點調整劑、防過冷劑、防相分離劑和相變促進劑等部分。這種材料具有能量密度高、所需裝置簡單、體積小的優良特性，且材料的設計靈活、使用起來也比較方便。

為了使相變儲熱技術得到更好的發展，國內外的研究者對各種相變儲熱材料的多功能性進行了大量研究。早在20世紀60年代，國外已經開始了對于相變儲熱材料的研究工作，并取得很大的成就。而我國是在20世紀80年代初才開始著手于相變儲熱材料的研究，且主要研究對象是相變儲熱材料中的無機水合鹽類。除了儲熱材料，在相變儲熱技術中，影響儲熱系統性能的因素還包括儲熱系統的儲能密度、儲熱時間、放熱時間、儲熱效率等。

在相變儲熱技術中，相變儲熱材料主要包括有機類和無機類材料，儲熱溫度主要包括高溫和中低溫。目前，利用晝間放熱、夜間儲冰的低溫相變儲熱技術已經成為當前空調行業的研究熱點。而在高溫相變儲熱方面，20世紀80年代中期美國自由號空間站計劃的實施就極大地推動了高溫相變儲熱技術的發展。高溫相變儲熱技術的發展與近20年航天事業的發展有著密切聯系。在空間站中，將太陽能轉變為航天器能夠直接利用的電能，主要采用兩種方法：一種是光電直接轉換系統，利用光電電池直接將太陽能轉變為電能；另外一種是應用太陽能動力發電系統，將太陽輻射轉變為熱能，再利用動力循環將熱能轉變為機械能，最后用發電機將機械能轉變為電能。但是，由于光電直接轉換系統的光電轉換效率太低，無法滿足空間站的電力需求。而與光電直接轉換系統相比，太陽能動力發電系統具有明顯的優越性，如效率高、壽命長等。因此，各國都開始積極研究太陽能動力發電系統。在太陽能動力發電系統中，高溫相變儲熱技術是其核心技術，并且隨著人類對空間探索規模的不斷擴大以及人類活動增多，高溫相變儲熱技術得到了快速發展。

3.化學反應儲熱技術的發展

化學反應儲熱技術主要利用化學反應實現熱能與化學能的轉化，從而將能量儲存起來。與相變儲熱技術和顯熱儲熱技術相比，化學反應儲熱技術是一種高能量、高密度的儲熱技術，其儲熱材料的儲熱密度明顯高于顯熱儲熱技術和相變儲熱技術，并且可以進行長時間的熱能存儲。但是，由于將化學反應儲熱技術應用于具體的儲熱體系時比較復雜，目前主要在太陽能領域受到重視。

對于化學反應儲熱技術，目前研究較多的是熱分解反應中有機氫氧化物的熱分解、無機氫氧化物的熱分解、碳酸化合物的熱分解以及金屬氫化物的熱分解。如前所述，目前，化學反應儲熱技術主要應用于太陽能的存儲，這種應用主要利用無機氫氧化物分解為氧化物和水的可逆反應來存儲太陽能。除此之外，無機氫化物的脫水反應也可以用來存儲熱能。目前對于無機氫氧化物中的Ca（OH）₂/CaO和Mg（OH）₂/MgO兩系統已經有了比較詳細的研究。除了無機氫化物外，其他金屬氫化物也能很方便地將太陽能存儲起來。

總之，利用化學反應儲熱是一門新興的技術，它具有儲熱密度高、儲熱性能好、可供選擇材料多等優點。如果能夠解決技術復雜、投資大等問題，那么化學反應儲熱技術將會在更多實際工程中得到廣泛的應用。

4.移動儲熱技術的發展

移動儲熱技術是指利用儲熱材料來儲存熱量，以解決熱源與熱能需求在空間分布不匹配的問題，滿足熱能供應的需要。利用移動供熱車，不僅解決了熱能的供需不平衡的問題，也打破了傳統的管道輸送模式，移動儲熱系統樣例如圖2.3所示。使用移動儲熱技術，可以使熱量在更廣泛的范圍內得到充分利用，同時可以減少化石燃料的燃燒，進而降低二氧化碳的排放。

在移動儲熱技術的發展進程中，最為核心的發展技術是儲熱技術。顯熱儲熱技術、相變儲熱技術都可以用于移動儲熱技術中。與相變儲熱技術相比，顯熱儲熱技術較為簡單，但是當其應用于移動儲熱車上時，因其儲熱密度較低，并且在放熱過程中溫度會持續發生變化，使得顯熱儲熱技術在移動儲熱技術中的應用受到限制。而相變儲熱技術儲能密度高，且裝置簡單，因此，在移動儲熱技術中，應用相變儲熱技術是更好的選擇。

2.2.2 儲熱技術的主要應用

儲熱技術已應用于多個領域，并且在各個領域發揮著不可代替的作用。當儲熱技術應用于太陽能領域時，太陽能的利用率得到很大提高；當儲熱技術應用于工業廢熱及余熱的回收時，其回收率得到大大的提升；當儲熱技術應用于建筑和空調行業時，空調所耗費的能量得到了極大的節省。除此之外，儲熱技術還被廣泛應用于化工及其他工業生產領域，通過對儲熱技術的應用，將不穩定、不持續的熱量儲存起來，不但降低了企業能耗，也減少了由一次能源轉變為二次能源的過程中產生的有害物質，由此也減少了有害物質對于空氣的污染。

1.儲熱技術在太陽能熱儲存中的應用

太陽是人類社會的重要能源寶庫，可以為人類的生產生活提供能量。太陽能資源非常豐富，但由于到達地球表面的太陽輻射能的密度很低，而且受地理、晝夜、季節變化、天氣陰晴云雨的交替、環境等因素的影響，使得到達地面的太陽輻射強度也隨之變化，所以實際上太陽能的利用率卻很低。這是因為在太陽能利用過程中，太陽能輻射強度具有極大的不穩定性、稀薄性以及間斷性，導致供熱裝置和供電裝置間斷工作，使太陽能不能得到很好的利用。為了消除這些隨機因素的制約，就需要有相應的儲熱技術和儲熱裝置來存儲太陽能熱能，使得供熱裝置和供電裝置更加平穩地運行。

當太陽能輻射強度足夠大時，應用儲熱裝置能夠將太陽能熱能儲存起來；而當太陽能輻射強度不夠時，儲熱裝置又會將存儲的太陽能熱能釋放出來，以滿足供熱、供電、采暖、工業生產等方面對熱能的需求，保證裝置能夠穩定、有效地運行。

2.儲熱技術在電力調峰及電熱余熱儲存中的作用

電力短缺一直以來都是人類社會的一個重要問題，但是人類對電力資源的浪費卻不容小覷，如葛洲壩的水利樞紐工程，其用電高峰與低谷的發電輸出功率分別為220萬kW、80萬kW，用電低谷時減小的電能只有通過棄水解決，所放棄的能量總和非常之大。如果能夠回收這部分能量，能源的緊張狀態自然也會得到一定程度的緩解。目前為止，儲熱技術仍是回收未并網的小水電、風力發電的一個重要手段。

在發電廠中應用儲熱技術，其儲熱裝置可以經濟地解決高峰負荷的問題，并且填平需求低谷，以緩沖儲熱方式來調節機組，使其負荷更方便（圖2.4）。采用儲熱技術可以節約燃料，降低其初始投資的投資費用和其燃料的耗費所需費用。運用儲熱技術還可以提高機組的運行效率，改善機組的運行條件，使機組更好地運行。這在很大程度上提高了能量的利用率，減少浪費。通過對余熱和廢熱的存儲，污染氣體的排放也大大減少。

在核電站中運用儲熱技術，能夠使核反應堆更加安全、經濟地運行，因此儲熱技術在核電站中頗受關注。采用儲熱技術，不但使核電站的初始投資得到充分利用，同時，對于高峰負荷采用儲能結合核電機組的形式，可以減少低效率高峰機組的使用以及減少單獨對于高峰機組的使用，使得核燃料元件按照基本負荷運行，這樣對核燃料元件的損害也就降到最低。此外，儲熱技術在余熱的存儲中也具有光明的發展前景。當余熱及廢熱產生時，儲熱裝置將這些熱量存儲起來，到需要使用時，儲熱裝置根據工作溫度釋放儲存的熱量。

3.儲熱技術在工業加工及熱能儲存中的作用

目前工業上主要是采用再生式加熱爐和廢熱儲能鍋爐裝置來存儲熱量，儲熱式電鍋爐設備示意圖如圖2.5所示。運用儲熱技術，不但可以回收電爐的煙氣余熱以及廢熱，還可以減少冷卻過程中裝置對于水的消耗量，同時減少工業生產過程中對空氣的污染。目前儲熱技術在工業中的應用主要包括造紙業、紡織業、食品業以及采暖系統。

眾所周知，在造紙、制漿的行業中，燃燒廢棄木料的鍋爐對于負荷的適應能力較差，這就使得儲熱技術對此行業尤為重要。通過儲熱技術的利用，裝置適應負荷的能力得到了明顯提升。

而在紡織業，紡織過程中染色劑漂白時負荷經常發生波動，而儲熱裝置可以很好地適應這種波動。除此之外，利用儲熱技術，可以在紡織服裝方面制成自動調溫的服裝。這種儲熱調溫的紡織品能夠根據外界環境溫度的變化為人體提供舒適的氣候環境。

在食品業的食品加工過程中，食品通常有洗滌、蒸煮、殺菌等過程，但是用于這些過程的裝置常常存在負荷適應能力不強的問題，這就使得負荷時常發生波動。通過儲熱技術、儲熱裝置來滿足負荷的波動，使得洗滌、蒸煮、殺菌等過程能夠很好地進行。

對于采暖系統，每年中只有非常短的一段時間采暖功率達到最高峰，因此采暖系統需要隨著采暖的需求變化而隨時調整，造成采暖鍋爐由于需求波動而頻繁啟停，致使能量大量損失。通過儲熱裝置，可以降低裝置的設計功率，消除部分負荷運行的情況，從而提高能量的轉換效率。同時，這也增加了系統的儲熱容量以滿足波動負荷的需求，從而降低鍋爐啟停的頻率，也降低了對能量的消耗。

4.儲熱技術在建筑工業中的作用

現代的建筑正在逐漸向高層發展，這就需要采用輕質材料作為圍護結構。但是，由于普通的輕質材料的熱容比較小，室內溫度波動也比較大，使得室內熱環境不舒適，并且會增加空調的負荷，導致建筑能耗上升。這就需要向建筑物材料中加入相變材料，制成具有較高儲熱容量的輕質建筑材料，稱之為相變儲能建筑材料（圖2.6）。

利用相變儲能材料構筑建筑圍護結構，其作用顯而易見：首先，可以通過減小空氣處理設備的容量使得空調及供暖系統利用夜間廉價的電力運行，從而降低其運行費用；其次，利用這種材料可以提高室內舒適度，降低室內溫度，降低對于空調的使用；最后，利用相變儲能材料，不僅可以提高材料的耐久性，也可以降低熱能的儲存費用。

5.儲熱技術在航空領域中的作用

在近幾十年里，航天技術得到突破性的發展，人類在航空航天領域跨越了一個又一個的里程碑，對經濟的發展及社會進步起到了明顯的推動作用。隨著人類對于太空的探索越來越深入，作為探索太空最重要的空間基地的太空站也不斷發展。與此同時，空間應用對于電力的需求也進一步增大，高效電源系統的開發與利用受到了越來越廣泛的關注，而儲熱技術能夠增強電力供應，使電源系統高效地運行，這使得儲熱技術在空間站中的應用也越來越受到關注（圖2.7）。

6.儲熱技術在空調領域中的作用

空調是主要的耗電裝置，也是電網谷峰形成的重要原因，要解決這一問題，就需要利用儲熱技術，以達到按需供應及充分利用峰谷的電差價。當電力負荷處于低峰時，可以利用儲熱材料的儲熱特性，把熱能存儲下來；而當電力負荷處于高峰期時，又可以將熱能釋放出來，以滿足對熱能的需求。因此，在空調領域應用儲熱技術，不僅可以調荷避峰，還可以減少人們對于電量的使用。