相变储能技术的研究进展与应用_工程实践

摘要

摘要：介绍了储能技术、相变材料的分类，论述了相变储能技术在太阳能利用、建筑节能、电力调峰等领域的应用。关键词：储能技术；相变材料；相变储能Research and Application of Phas

摘要：介绍了储能技术、相变材料的分类，论述了相变储能技术在太阳能利用、建筑节能、电力调峰等领域的应用。

关键词：储能技术；相变材料；相变储能

Research and Application of Phase-change Energy Storage Technologies

WANG Yuan，LIU Xiao-guang，YANG Jun-jie，LIA0 Xiong，AN Xiao-ke，WANG Hal-fang

Abstract：The classification of energy storage technologies and phase-change materials is introduced. The applications of phase-change energy storage technologies in solar energy utilization，building energy saving，electric peak shaving and other fields are described.

Key words：energy storage technology；phase-change material；phase-change energy storage

相变储能技术是利用材料在相变时吸收或放出热量来实现储能和释能的目的，它属于潜热储能，储能密度很高^[1～6]。该技术在解决能量供给与需求不匹配矛盾、提高能源利用率、保护环境等方面有着重要的应用价值。

1 储能技术概述

能量储存是提高能源利用率的重要手段之一，它利用物理热或化学热的形式将暂时不用的余热或多余的热量储存于适当的介质中，在需要使用时再通过一定的方法将其释放出来，从而解决了由于时间或地点供热与用热的不匹配、不均匀性所导致的能源利用率低的问题^[7]。

储能技术主要分为显热储能、潜热储能(即相变储能)和化学反应储能3种。显热储能是利用物质的显热即依靠物质的温度升高来实现热量的存储。这种储能方式在使用上虽然比较简单，但是由于材料自身的温度在不断变化，无法达到控制温度的目的。此外，该类材料储能密度低，相应的装置体积庞大，因此它的应用价值不是很高。化学反应储能是利用可逆化学反应的反应热来进行储能，这种储能方式虽然储能密度大，但技术复杂、使用不便，还不能大规模实际应用。

相变储能是利用材料在相变时吸热或放热来储能。这种储能方式不仅能量密度高，且所用装置简单、体积小、设计灵活、使用方便且易于管理。此外，由于相变储能过程中，材料近似恒温，可以很好地控制体系的温度。因此，相变储能技术在多个领域有着广泛的应用。

2 相变储能技术的应用

相变材料(英文缩写PCM)是指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。根据材料相变温度的高低，储能材料可分为低温储能材料(相变温度低于90℃)、中温储能材料(相变温度为90～550℃)和高温储能材料(相变温度高于550℃)。其中，中低温相变储能材料主要为水合盐类、石蜡类、脂酸类、醇类及其他高分子类物质，高温相变储能材料则多以熔融盐、金属氧化物、金属及其合金为主。依据相变温度差别，相变储能技术应用在不同的领域。

2.1 高温相变储能技术应用

高温相变储能技术由于其适用温度高、储能能力强而被广泛应用在钢铁、陶瓷、冶金等行业，应用形式主要为热管换热器、储能室式相变储能系统和潜热、显热复合储能系统3类。

① 热管换热器

热管换热器是一种储能和换热合二为一的相变储能换热装置。该装置由管芯、管壳和工作物质(相变材料)组成，通过工作物质相变过程中的吸放热实现能量的储存与转移。在澳大利亚的面包行业，通过热管换热器将工艺中产生的余热成功应用到实验烤箱中，充分地利用了余热，起到了很好的节能效果。此外，在钢铁、冶金等行业，热管换热器也被广泛应用在工艺生产过程的余热回收上。

② 储能室式相变储能系统

储能室式相变储能系统是利用相变储能材料替代传统的显热储能材料。在制作工艺上多由圆柱形、方形或球形的储能单元构成，每个储能单元内填充相变储能材料。由于储能室式相变储能系统采用高温相变储能材料作为基材，它不仅克服了显热储能材料储能密度低、设备体积庞大、恒温难以控制的问题，而且提高了储能效率，扩大了相变储能技术在工业余热利用方面的应用范围。

③ 潜热、显热复合储能系统

潜热、显热复合储能系统是近年开发出的一种新型的储能系统。该系统主要由2部分构成：一是工作物质(相变材料)，一般选择潜热大、蒸气压低的碱金属和碱土金属的碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐及它们的混合物，利用它们的相变潜热进行储放热；二是基质(载体)，用来保持材料的不流动性和可加工性，主要有MgO、Al₂O₃、SiC、SiO₂等陶瓷类材料。新型潜热、显热复合储能系统已成功应用在工业窑炉储能室中。潜热、显热复合储能系统用在炼铁工业的热风炉中，可以降低储能换热器的体积、高度、热惰性，并提高换热效率，更好地达到工业窑炉节能降耗的目的^[8]。

2.2 中低温相变储能技术应用

① 在太阳能利用领域

太阳能作为一种清洁的可再生能源，一直以来受到人们的青睐。世界各国都在大力开发太阳能利用技术，如太阳能发电、太阳能制冷、太阳能房等。由于太阳能的能流密度较低，且受昼夜、气象等因素的影响较大，太阳能不能保持稳定的能量供应，因此高效的能量储存技术成为太阳能利用的关键。德国某研究机构成功开发了一套太阳能储能装置，可以储存大量热能，该装置已经在西班牙的太阳能测试基地投入使用。作为太阳能利用的另一个方面，储能型太阳能热水器在国内外也已研究成功，并被广泛应用。该种热水器与传统的热水器相比，没有储水箱，因此体积更小。此外，由于填充了储能材料，使得热水器的储能量更大、出水温度更稳定。由于相变储能技术在太阳能热水器方面的良好性能，国内外的研究人员正在尝试将该技术应用在集中供热领域，相信随着研究的不断深入，相变储能技术在太阳能利用领域会有更为广泛的应用。

② 在建筑节能领域

a. 建筑围护结构保温

借助相变材料的储能性能，将材料掺混到建筑材料中，制成相变储能围护结构，能大大增加围护结构的储能功能。用于建筑围护结构保温的储能材料的相变温度大多为20～22℃的无机、有机相变储能材料。由于相变储能材料的储能作用，建筑物室内和室外之间的热流波动幅度被减弱，作用时间被延迟，从而改善了房间的热性能^[9]，提高了室内的舒适度，降低空调或空调系统的设计负荷和运行能耗，达到节能的效果。

b. 建筑供暖储能

建筑供暖方式主要分为2种：集中供暖和分散供暖。集中供暖系统中，热能的生产随需求的变化要随时调整，因此储能的作用就显得更加重要。借助相变储能系统可以降低能量转换装置和区域热力管网的设计负荷。在供暖过程中，通过调整系统的运行时间，使整体的运行时间安排在非高峰时期，这在一定程度上缓解了能量需求的紧张情况。此外，由于采用了相变储能装置，系统设备基本在满负荷状态下运行，一方面提高了能量的转换率，另一方面降低了整体的运行成本。

对于分散式供暖，目前市场上已有的储能式供暖设备多为显热式供暖，该类产品储能能力低、供暖温度不易控制。针对上述问题，研制出一种新型的储能式电暖器，该储能式电暖器以高潜热的相变材料为基材，通过电加热方式进行能量储存，能量存储效率达到70%左右。与传统的电暖器相比，该储能式电暖器在满足相同的取暖要求下，电量消耗更少，设备运行费用更低^[10]。

c. 建筑空调储冷

相变储能技术在建筑空调储冷方面应用的原理是利用储能材料在相变过程中的相变潜热来储存和放出冷量，该技术目前主要的应用方式是相变储冷式空调。相变储冷式空调主要是利用固液相变温度较低的相变材料，在夏季夜间利用户外的空气对相变储能材料进行降温，使其凝固、储存冷量；白天气温升高时，相变材料利用通风系统的循环空气吸收室内的热量直至全部融化。这一过程是利用相变材料自然冷却的方法在通风的同时达到制冷的作用，能耗相对较低。

③ 在电力调峰领域

随着社会经济的发展，电力资源的需求越来越迫切，电力资源短缺问题也日益突出，随之而来的电力资源浪费也日显严重。如我国葛洲坝水利枢纽工程，高峰与低谷的发电输出功率分别为220×10⁴kW和80×10⁴kW，用电低谷发不出的电能只能通过放水解决。若把多余的能源回收，则能在很大程度上缓解能源紧张的情况。相变储能技术由于其良好的储能特性，在小水力、风力发电等领域有着重要的应用前景。电厂中采用相变储能装置可以经济地削减高峰负荷、填平需求低谷，使机组负荷调节更为方便。此外，采用相变储能装置可以节约燃料、降低电厂造价和燃料费用，提高机组的运行效率，从而降低排放污染，改善环境。

3 相变储能技术展望

随着科学研究不断深入，近几年来，有关相变材料的研究进一步趋于成熟。基于储能材料的相变储能技术也被广泛应用在太阳能、建筑节能、工业余热回收及电力调峰等多个领域。我们相信，随着人类社会对环境保护、节能降耗、减少污染要求的提高，相变储能技术会有更为广泛的应用前景。

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[10] 刘靖，刘石，王馨，等.一种高温相变蓄热电暖器的研制及其热性能测试[J].建筑科学，2007，23(4)：58-61.

(本文作者：王元¹ 刘晓光² 杨俊杰¹ 廖雄¹ 安晓科³ 王海芳¹ 1.新奥燃气技术研究发展有限公司河北廊坊 065001；2.威海市煤气总公司山东威海 264200；3.中国石油天然气管道局第四工程公司河北廊坊 065000)