Tehnologia de stocare a căldurii: îmbunătățirea eficienței utilizării cuprinzătoare a energiei termice
În prezent, în multe sisteme de utilizare a energiei, există o contradicție între oferta de energie și nepotrivirea cererii, rezultând o utilizare nerezonabilă a energiei și o cantitate mare de deșeuri. Eficiența energetică, cum ar fi energia solară și căldura reziduală industrială, este scăzută, ceea ce nu numai că risipește resurse, dar provoacă și o poluare termică neneglijabilă mediului atmosferic.
Din acest motiv, îmbunătățirea conversiei și utilizării energiei a devenit o problemă majoră pe care țările trebuie să o acorde prioritate pentru implementarea strategiilor de dezvoltare durabilă, iar dezvoltarea tehnologiei de stocare a căldurii pentru utilizarea completă și eficientă a energiei termice este de o importanță capitală.
Resurse abundente disponibile
Energia solară este cea mai importantă sursă de energie de bază dintre sursele regenerabile de energie. Este"inepuizabil și inepuizabil" și este larg distribuit și lipsit de poluare. Este o energie curată economică. Soarele poate elibera energie de 391×1021 kW pe secundă. Chiar dacă energia radiată la suprafața pământului este de doar o parte de 2,2 miliarde din ea, ea este echivalentă cu de 80.000 de ori generarea de energie a lumii'. țara mea este o țară relativ bogată în energie solară. Mai mult de două treimi din țară are o radiație solară anuală de peste 6 GJ·m2 și ore anuale de soare de peste 2.200 de ore. Energia radiantă solară anuală primită de suprafața pământului'în țara mea este de aproximativ 50×1019 kJ, ceea ce este echivalent cu 170 de miliarde de tone de cărbune standard. Astfel de resurse abundente de energie solară oferă, de asemenea, condiții bune pentru dezvoltarea și utilizarea țării mele'generarea de energie solară. Căldura reziduală industrială provine în principal din industrii precum metalurgia, materialele de construcție și produsele chimice. Statisticile din 2010 au arătat că resursele de căldură reziduală industrială au reprezentat până la 67% din căldura totală a combustibilului, din care rata de recuperare a ajuns la 60%. Cu toate acestea, rata generală de utilizare a resurselor de căldură reziduală din țara mea este scăzută, iar rata de utilizare a căldurii reziduale a întreprinderilor mari de fier și oțel este de aproximativ 30%. ~50%.
Există mult loc de îmbunătățire a ratei de utilizare a resurselor de căldură reziduală industrială în țara mea. Luați ca exemplu industria metalurgică. În 2010, producția de oțel brut a țării mele a fost de 627 de milioane de tone. Energia conținută în gazele de ardere produse a fost echivalentă cu 30 de milioane de tone de cărbune standard, iar cantitatea de zgură de oțel produsă a fost de aproximativ 280 de milioane de tone, iar energia termică conținută a fost echivalentă cu 10 milioane de tone de cărbune standard. . În prezent, rata de utilizare a căldurii reziduale din gazele de ardere în întreprinderile casnice de fier și oțel este de aproximativ 30%, iar rata de utilizare a căldurii reziduale din fier și oțel de zgură este aproape zero. Dacă rata de utilizare a căldurii reziduale a gazelor de ardere poate fi crescută la 90% și rata de utilizare a căldurii reziduale din zgură de oțel poate fi crescută la 60%, se pot economisi 21,6 milioane de tone de cărbune standard în fiecare an, reducerea emisiilor de CO2 cu aproximativ 50 de milioane tone și se pot genera 3,3 miliarde kWh de energie electrică.
Se poate observa că recuperarea căldurii reziduale este o cerere majoră a strategiei energetice a țării mele', cu beneficii economice incomensurabile și are o mare importanță pentru dezvoltarea economică și progresul social a țării mele' , și securitatea energetică națională. Cu toate acestea, fie că este vorba de energie solară sau de resurse de căldură reziduală industrială, există probleme de intermitență și instabilitate, care împiedică serios promovarea și aplicarea tehnologiilor conexe.
Nevoie urgentă de tehnologie de stocare a căldurii latente la temperatură medie și înaltă
Utilizarea tehnologiei de stocare a căldurii poate atenua contradicția dintre oferta și cererea de energie termică în termeni de timp, intensitate și spațiu și reprezintă un mijloc important pentru funcționarea optimizată a sistemelor de energie termică. Stocarea de căldură include în principal trei forme: stocarea căldurii sensibile, stocarea căldurii latente și stocarea căldurii prin reacție chimică.
Stocarea căldurii prin reacție chimică este încă în stadiul de cercetare experimentală datorită sistemului său complex, dificultății tehnice și operativității slabe; deși tehnologia de stocare a căldurii sensibile a fost utilizată pe scară largă, stocarea căldurii este cauzată de densitatea scăzută de stocare a căldurii pe unitatea de volum de materiale de stocare a căldurii. Cantitatea mare de materiale face ca sistemul de stocare a căldurii de mare capacitate să fie voluminos, complicat în proces și un cost ridicat. .
Stocarea de căldură latentă constă în utilizarea căldurii latente eliberată sau absorbită de procesul de schimbare de fază a materialului de stocare a căldurii pentru a stoca și elibera căldură. În comparație cu tehnologia de stocare a căldurii sensibile, stocarea căldurii latente are avantajul unei densități mari de stocare a căldurii pe unitate de volum și are o absorbție și o eliberare mai mare de energie în intervalul de temperatură de tranziție de fază, iar intervalul de temperatură de stocare și eliberare este îngust, ceea ce este benefic a încărca și a elibera Temperatura procesului termic este stabilă.
Pentru a îmbunătăți eficiența conversiei energiei și a reduce costurile, tehnologia de utilizare termică solară se îndreaptă către temperaturi de funcționare mai ridicate. Temperatura de funcționare a generației de energie termică a depășit 600 ° C, iar temperatura unei cantități mari de căldură reziduală industrială este, de asemenea, foarte ridicată (de exemplu, temperatura gazelor de ardere a convertorului este de 1600 ° C. aproximativ).
Toate acestea au nevoie urgent să cerceteze și să dezvolte tehnologii de stocare a căldurii latente la temperatură medie și înaltă. Deși mulți savanți din țară și din străinătate au efectuat cercetări de la diferite niveluri, cum ar fi materialele și procesele pentru o lungă perioadă de timp, până acum, nu există încă un sistem matur de stocare a căldurii latente la temperatură medie și înaltă care să funcționeze stabil.
După mulți ani de cercetare aprofundată în acest domeniu de către multe unități de cercetare interne și străine, combinate cu starea actuală și tendințele de dezvoltare a tehnologiei interne și străine, se crede că tehnologia de stocare a căldurii latente la temperatură medie și înaltă se confruntă în principal cu următoarele probleme restante.
În primul rând, există o lipsă de materiale de stocare a căldurii latente la temperatură medie și înaltă, cu proprietăți cuprinzătoare, cum ar fi densitatea ridicată de stocare a căldurii și conductivitate termică puternică. Fundamentul tehnologiei de stocare a căldurii latente sunt materialele cu schimbare de fază. În prezent, cercetările asupra materialelor de stocare a căldurii la temperaturi joase (<100°c) pe="" bază="" de="" ceară="" de="" parafină="" și="" sare="" hidratată="" au="" fost="" ample,="" fiind="" aplicate="" și="" în="" domeniile="" construcțiilor="" și="" îmbrăcămintei.="" cu="" toate="" acestea,="" încă="" lipsesc="" materialele="" de="" stocare="" a="" căldurii="" la="" temperaturi="" medii="" și="" înalte,="" în="" special="" materialele="" de="" stocare="" a="" căldurii="" cu="" schimbare="" de="" fază="" la="" temperatură="" înaltă="" cu="" un="" punct="" de="" topire="">600°C.
În al doilea rând, materialele de stocare a căldurii cu schimbare de fază de temperatură medie și înaltă sunt în principal săruri și aliaje anorganice. Pe de o parte, selectarea materialelor candidate necesită o înțelegere aprofundată a termodinamicii și mecanismelor cinetice ale procesului de tranziție de fază a materialului. Pe de altă parte, este necesar să se dezvăluie influența microstructurii asupra proprietăților termice ale materialelor din două aspecte: transfer de căldură îmbunătățit și stocare eficientă a căldurii.
În plus, încapsularea materialelor cu schimbare de fază lichid-solidă și degradarea proprietăților termice în timpul procesului de service sunt, de asemenea, conținuturi indispensabile în cercetarea materialelor cu schimbare de fază la temperatură medie și înaltă. Aceasta este adesea o problemă de blocaj în cercetarea și dezvoltarea unor astfel de materiale. Materiale de înaltă performanță pentru stocarea căldurii de dezvoltat
Mulți oameni de știință din țară și din străinătate au studiat metalele ca materiale de stocare a căldurii. În 1980, Birchenall et al. a măsurat și analizat proprietățile termofizice ale aliajelor binare și ternare compuse din Al, Cu, Mg, Si și Zn, care sunt abundente pe pământ, și a constatat că temperatura de tranziție de fază este în intervalul 780~850 K și bogată în Si. Sau aliajele de Al au cea mai mare densitate de stocare a căldurii, iar apoi materialele de stocare a căldurii cu schimbare de fază din aliaje pe bază de aluminiu și siliciu au fost studiate pe larg.
Materialele sărate anorganice au o gamă largă de surse, valori mari de entalpie de schimbare de fază și prețuri moderate și sunt deosebit de potrivite pentru utilizare ca materiale de stocare a căldurii cu schimbare de fază la temperatură medie și înaltă. Cercetătorii au studiat proprietățile termofizice ale sării topite cu o temperatură mai mare de 450 ℃ și au extins aplicarea sării eutectice anorganice cu un interval de temperatură de la 220 ℃ până la 290 ℃ în domeniul producerii de energie termică solară și au trecut teste cum ar fi diferențiale. calorimetria de scanare. Metodă, au fost măsurate proprietățile termofizice ale sării topite.
În plus, rata de schimbare a volumului multor sisteme de sare topită înainte și după schimbarea fazei depășește 10%. Rata mai mare de schimbare a volumului crește golurile în sistemul de material de schimbare a fazei de sare topită, afectează rata de stocare/eliberare a căldurii și crește stocarea de căldură. Dificultatea de proiectare a echipamentului sistemului reduce eficiența stocării căldurii. Din acest motiv, cercetătorii au studiat compatibilitatea materialelor de stocare a căldurii cu schimbarea fazei de sare topită cu oțelul inoxidabil, iar rezultatele arată că oțelul inoxidabil are un efect anticoroziv bun asupra majorității sărurilor topite.
În același timp, performanța ciclului a materialelor de schimbare de fază pe bază de aluminiu ternar și compatibilitatea cu containerele; compatibilitatea sărurilor topite cu fluor cu cobalt, nichel și oțeluri aliate cu elemente metalice refractare; compatibilitatea hidroxidului de litiu cu materialele aliaje structurale În alte aspecte, oamenii de știință au efectuat și cercetări.
Deși s-au obținut unele rezultate în cercetarea materialelor de stocare a căldurii cu schimbare de fază de temperatură medie și înaltă, costul materialelor de schimb de fază metalice și aliaje este ridicat, iar densitatea de stocare a căldurii pe unitate de masă este limitată. În plus, activitatea chimică a materialelor cu schimbare de fază din aliaje metalice este mai puternică după schimbarea de fază. , Coroziunea severă la temperaturi ridicate limitează foarte mult aplicarea sa largă în domeniul stocării căldurii la temperaturi medii și înalte.
Ca material de stocare a căldurii cu schimbare de fază, sarea topită are o entalpie mare de schimbare de fază, densitate mare de stocare a căldurii și preț moderat. Are un mare potențial de dezvoltare în domeniul aplicațiilor de stocare a căldurii la temperaturi medii și înalte. Cu toate acestea, sarea topită are o conductivitate termică slabă și are probleme serioase de coroziune la temperatură înaltă cu materialele cu schimbare de fază din aliaje metalice, care este încă o problemă care limitează aplicarea la scară.
Prin urmare, dezvoltarea materialelor de stocare a căldurii de înaltă performanță și a metodelor de preparare a acestora este o tendință inevitabilă în cercetarea materialelor de stocare a căldurii la temperatură medie și înaltă și o modalitate inevitabilă pentru dezvoltarea tehnologiei de stocare a căldurii.
Dispersia energiei solare, căldura reziduală industrială, intervalul mare de energie și natura intermitentă a energiei regenerabile necesită toate tehnologiile de stocare a căldurii cu schimbare de fază de temperatură medie și înaltă.
Cercetarea tehnologiei de stocare a căldurii la scară largă implică intersecția dintre știința materialelor, inginerie chimică, inginerie mecanică, transfer de căldură și masă și flux multifazic.
Dezvoltarea materialelor de înaltă performanță de stocare a căldurii cu schimbare de fază la temperatură medie și înaltă este de mare importanță pentru domeniul stocării căldurii la temperaturi medii și înalte, în special generarea de energie termică solară, recuperarea căldurii reziduale industriale și alte domenii.
