Teknologi penyimpanan haba: meningkatkan kecekapan penggunaan menyeluruh tenaga haba

Pada masa ini, dalam banyak sistem penggunaan tenaga, terdapat percanggahan antara bekalan tenaga dan permintaan yang tidak sepadan, mengakibatkan penggunaan tenaga yang tidak munasabah dan sejumlah besar sisa. Kecekapan tenaga seperti tenaga suria dan haba sisa industri adalah rendah, yang bukan sahaja membazir sumber, tetapi juga menyebabkan pencemaran haba yang tidak boleh diabaikan kepada persekitaran atmosfera.

Atas sebab ini, menambah baik penukaran dan penggunaan tenaga telah menjadi isu utama yang mesti diutamakan oleh negara untuk melaksanakan strategi pembangunan mampan, dan pembangunan teknologi penyimpanan haba untuk penggunaan tenaga haba yang komprehensif dan berkesan adalah amat penting.

Sumber yang banyak tersedia

Tenaga suria merupakan sumber tenaga asas yang paling penting di kalangan sumber tenaga boleh diperbaharui. Ia adalah"tak habis dan tidak habis" dan diedarkan secara meluas dan bebas pencemaran. Ia adalah tenaga bersih yang menjimatkan. Matahari boleh membebaskan tenaga sebanyak 391×1021 kW sesaat. Walaupun tenaga yang dipancarkan ke permukaan bumi hanya satu-2.2 bilion daripadanya, ia bersamaan dengan 80,000 kali ganda penjanaan kuasa' negara saya adalah sebuah negara yang agak kaya dengan tenaga suria. Lebih daripada dua pertiga negara mempunyai sinaran suria tahunan lebih daripada 6 GJ·m2 dan jam cahaya matahari tahunan lebih daripada 2,200 jam. Tenaga sinaran suria tahunan yang diterima oleh permukaan bumi' di negara saya ialah kira-kira 50×1019 kJ, yang bersamaan dengan 170 bilion tan arang batu standard. Sumber tenaga suria yang begitu banyak juga menyediakan keadaan yang baik untuk pembangunan dan penggunaan penjanaan tenaga solar negara saya' Haba sisa industri kebanyakannya datang daripada industri seperti metalurgi, bahan binaan dan bahan kimia. Statistik pada tahun 2010 menunjukkan bahawa sumber haba sisa industri menyumbang sehingga 67% daripada jumlah haba bahan api, di mana kadar pemulihan mencapai 60%. Walau bagaimanapun, kadar penggunaan keseluruhan sumber haba buangan di negara saya adalah rendah, dan kadar penggunaan haba buangan perusahaan besar besi dan keluli adalah kira-kira 30%. ~50%.

Terdapat banyak ruang untuk penambahbaikan dalam kadar penggunaan sumber haba sisa industri di negara saya. Ambil industri metalurgi sebagai contoh. Pada tahun 2010, pengeluaran keluli mentah negara saya ialah 627 juta tan. Tenaga yang terkandung dalam gas serombong yang dihasilkan adalah bersamaan dengan 30 juta tan arang batu standard, dan jumlah sanga keluli yang dihasilkan adalah kira-kira 280 juta tan, dan tenaga haba yang terkandung adalah bersamaan dengan 10 juta tan arang batu standard. . Pada masa ini, kadar penggunaan haba sisa gas serombong dalam perusahaan besi dan keluli domestik adalah kira-kira 30%, dan kadar penggunaan haba sisa sanga besi dan keluli hampir sifar. Jika kadar penggunaan haba sisa gas serombong boleh ditingkatkan kepada 90% dan kadar penggunaan haba sisa sanga keluli boleh ditingkatkan kepada 60%, 21.6 juta tan arang batu standard boleh dijimatkan setiap tahun, pengurangan pelepasan CO2 kira-kira 50 juta tan, dan 3.3 bilion kWj penjanaan kuasa boleh dijana.

Dapat dilihat bahawa pemulihan haba sisa adalah permintaan utama strategi tenaga negara saya' dengan faedah ekonomi yang tidak terukur, dan sangat penting kepada pembangunan ekonomi, kemajuan sosial negara saya' , dan keselamatan tenaga negara. Walau bagaimanapun, sama ada tenaga suria atau sumber haba sisa industri, terdapat masalah terputus-putus dan ketidakstabilan, yang secara serius menghalang promosi dan penggunaan teknologi berkaitan.

Keperluan segera untuk teknologi penyimpanan haba pendam suhu sederhana dan tinggi

Penggunaan teknologi penyimpanan haba boleh mengurangkan percanggahan antara bekalan tenaga haba dan permintaan dari segi masa, keamatan dan ruang, dan merupakan cara penting untuk operasi optimum sistem tenaga haba. Penyimpanan haba terutamanya merangkumi tiga bentuk: penyimpanan haba yang masuk akal, penyimpanan haba pendam dan penyimpanan haba tindak balas kimia.

Penyimpanan haba tindak balas kimia masih dalam peringkat penyelidikan eksperimen kerana sistemnya yang kompleks, kesukaran teknikal dan kebolehkendalian yang lemah; walaupun teknologi penyimpanan haba yang wajar telah digunakan secara meluas, penyimpanan haba disebabkan oleh ketumpatan penyimpanan haba yang rendah bagi setiap unit isipadu bahan penyimpanan haba Jumlah bahan yang banyak menjadikan sistem penyimpanan haba berkapasiti besar menjadi besar, rumit dalam proses dan kos yang tinggi. .

Penyimpanan haba pendam adalah menggunakan haba pendam yang dikeluarkan atau diserap oleh proses perubahan fasa bahan simpanan haba untuk menyimpan dan membebaskan haba. Berbanding dengan teknologi penyimpanan haba yang wajar, penyimpanan haba terpendam mempunyai kelebihan ketumpatan penyimpanan haba yang besar bagi setiap unit volum, dan mempunyai penyerapan dan pelepasan tenaga yang lebih besar dalam julat suhu peralihan fasa, dan julat suhu penyimpanan dan pelepasan adalah sempit, yang bermanfaat. untuk mengecas dan melepaskan Suhu proses haba adalah stabil.

Untuk meningkatkan kecekapan penukaran tenaga dan mengurangkan kos, teknologi penggunaan haba suria sedang bergerak ke arah suhu operasi yang lebih tinggi. Suhu operasi penjanaan kuasa haba telah melebihi 600°C, dan suhu sejumlah besar haba sisa industri juga sangat tinggi (contohnya, suhu gas serombong penukar ialah 1600°C. kira-kira).

Ini semua perlu menyelidik dan membangunkan teknologi penyimpanan haba pendam suhu sederhana dan tinggi dengan segera. Walaupun ramai sarjana di dalam dan luar negara telah menjalankan penyelidikan dari peringkat yang berbeza seperti bahan dan proses sejak sekian lama, setakat ini, masih belum ada sistem penyimpanan haba pendam bersuhu sederhana dan tinggi yang matang yang beroperasi secara stabil.

Selepas bertahun-tahun penyelidikan mendalam dalam bidang ini oleh banyak unit penyelidikan domestik dan asing, digabungkan dengan status semasa dan trend pembangunan teknologi domestik dan asing, dipercayai bahawa teknologi penyimpanan haba pendam suhu sederhana dan tinggi terutamanya menghadapi perkara berikut. masalah yang luar biasa.

Pertama, terdapat kekurangan bahan penyimpanan haba pendam suhu sederhana dan tinggi dengan sifat komprehensif seperti ketumpatan penyimpanan haba yang tinggi dan kekonduksian haba yang kuat. Asas teknologi penyimpanan haba terpendam ialah bahan perubahan fasa. Pada masa ini, penyelidikan mengenai bahan penyimpanan haba suhu rendah (<100°c) berasaskan="" lilin="" parafin="" dan="" garam="" terhidrat="" telah="" meluas,="" dan="" ia="" juga="" telah="" digunakan="" dalam="" bidang="" pembinaan="" dan="" pakaian.="" walau="" bagaimanapun,="" bahan="" simpanan="" haba="" suhu="" sederhana="" dan="" tinggi,="" terutamanya="" bahan="" storan="" perubahan="" fasa="" suhu="" tinggi="" dengan="" takat="" lebur="">600°C, masih kurang.

Kedua, bahan penyimpanan haba perubahan fasa sederhana dan tinggi adalah terutamanya garam dan aloi bukan organik. Di satu pihak, pemilihan bahan calon memerlukan pemahaman yang mendalam tentang termodinamik dan mekanisme kinetik proses peralihan fasa bahan. Sebaliknya, adalah perlu untuk mendedahkan pengaruh mikrostruktur pada sifat terma bahan dari dua aspek: pemindahan haba yang dipertingkatkan dan penyimpanan haba yang cekap.

Di samping itu, pengkapsulan bahan perubahan fasa cecair-pepejal dan pereputan sifat terma semasa proses perkhidmatan juga merupakan kandungan yang sangat diperlukan dalam penyelidikan bahan perubahan fasa suhu sederhana dan tinggi. Ini sering menjadi masalah kesesakan dalam penyelidikan dan pembangunan bahan tersebut. Bahan simpanan haba berprestasi tinggi untuk dibangunkan

Ramai saintis di dalam dan luar negara telah mengkaji logam sebagai bahan penyimpanan haba. Pada tahun 1980, Birchenall et al. mengukur dan menganalisis sifat termofizik aloi binari dan ternari yang terdiri daripada Al, Cu, Mg, Si dan Zn, yang banyak terdapat di bumi, dan mendapati suhu peralihan fasa berada dalam julat 780～850 K dan kaya dengan Si. Atau aloi Al mempunyai ketumpatan penyimpanan haba yang paling tinggi, dan kemudian bahan simpanan haba perubahan fasa aloi berasaskan aluminium dan silikon telah dikaji secara meluas.

Bahan garam tak organik mempunyai pelbagai sumber, nilai entalpi perubahan fasa besar, dan harga sederhana, dan amat sesuai digunakan sebagai bahan simpanan haba perubahan fasa suhu sederhana dan tinggi. Para penyelidik mengkaji sifat termofizik garam cair dengan suhu lebih tinggi daripada 450 ℃, dan memanjangkan penggunaan garam eutektik bukan organik dengan julat suhu 220 ℃ hingga 290 ℃ ke bidang penjanaan kuasa haba suria, dan lulus ujian seperti pembezaan. mengimbas kalorimetri. Kaedah, sifat termofizik garam cair diukur.

Di samping itu, kadar perubahan isipadu banyak sistem garam cair sebelum dan selepas perubahan fasa melebihi 10%. Kadar perubahan isipadu yang lebih besar meningkatkan lompang dalam sistem bahan perubahan fasa garam cair, mempengaruhi kadar penyimpanan/pelepasan haba, dan meningkatkan penyimpanan haba. Kesukaran reka bentuk peralatan sistem mengurangkan kecekapan penyimpanan haba. Atas sebab ini, penyelidik telah mengkaji keserasian bahan penyimpanan haba perubahan fasa garam cair dengan keluli tahan karat, dan keputusan menunjukkan bahawa keluli tahan karat mempunyai kesan anti-karat yang baik pada kebanyakan garam cair.

Pada masa yang sama, prestasi kitaran bahan fasa aloi berasaskan aluminium terner berubah dan keserasian dengan bekas; keserasian garam lebur fluorida dengan kobalt, nikel dan keluli aloi unsur logam refraktori; keserasian litium hidroksida dengan bahan aloi struktur Dalam aspek lain, saintis juga telah menjalankan penyelidikan.

Walaupun beberapa keputusan telah dicapai dalam penyelidikan bahan penyimpanan haba perubahan fasa suhu sederhana dan tinggi, kos bahan perubahan fasa logam dan aloi adalah tinggi, dan ketumpatan penyimpanan haba per unit jisim adalah terhad. Di samping itu, aktiviti kimia bahan perubahan fasa aloi logam lebih kuat selepas perubahan fasa. , Kakisan suhu tinggi yang teruk sangat mengehadkan penggunaannya yang luas dalam bidang penyimpanan haba suhu sederhana dan tinggi.

Sebagai bahan penyimpanan haba perubahan fasa, garam lebur mempunyai entalpi perubahan fasa yang besar, ketumpatan penyimpanan haba yang tinggi, dan harga yang sederhana. Ia mempunyai potensi pembangunan yang besar dalam bidang aplikasi penyimpanan haba suhu sederhana dan tinggi. Walau bagaimanapun, garam lebur mempunyai kekonduksian terma yang lemah dan mempunyai masalah kakisan suhu tinggi yang serius dengan bahan perubahan fasa aloi logam, yang masih menjadi masalah yang menyekat penggunaan skalanya.

Oleh itu, pembangunan bahan penyimpanan haba berprestasi tinggi dan kaedah penyediaannya adalah trend yang tidak dapat dielakkan dalam penyelidikan bahan penyimpanan haba suhu sederhana dan tinggi dan cara yang tidak dapat dielakkan untuk pembangunan teknologi penyimpanan haba.

Penyerakan tenaga suria, haba buangan industri, rentang tenaga yang besar, dan sifat terputus-putus tenaga boleh diperbaharui semuanya memerlukan teknologi penyimpanan haba perubahan fasa suhu sederhana dan tinggi.

Penyelidikan teknologi penyimpanan haba berskala besar melibatkan persilangan sains bahan, kejuruteraan kimia, kejuruteraan mekanikal, pemindahan haba dan jisim dan aliran berbilang fasa.

Pembangunan bahan storan haba perubahan fasa sederhana dan berprestasi tinggi adalah sangat penting kepada bidang penyimpanan haba suhu sederhana dan tinggi, terutamanya penjanaan kuasa haba suria, pemulihan haba sisa industri dan bidang lain.