于曉琨 欒敬德（沈陽航空航天大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽110136）

在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，我國將能源列為重點(diǎn)領(lǐng)域之一，并且提倡積極開發(fā)利用太陽能等可再生能源。但是，由于太陽能的能流密度較低且太陽能的輻射強(qiáng)度受各種因素影響會(huì)有很大的波動(dòng)，具有顯著的地域性以及季節(jié)性，導(dǎo)致太陽能供給的間歇性及其供給和需求之間不匹配的問題，大大的限制了對(duì)太陽能的有效利用[1]。因此，近年來為了改善這種情況提高能源利用率、改善環(huán)境質(zhì)量，儲(chǔ)熱技術(shù)受到了廣大科研人員的青睞。熱能的儲(chǔ)存能夠解決可再生能源供給的間歇性及其供需不同步的難題，提高了能源利用率[2]。

1 顯熱儲(chǔ)熱

顯熱儲(chǔ)熱主要是依靠溫度的升高與降低來進(jìn)行熱量儲(chǔ)/釋的一種儲(chǔ)熱形式，存儲(chǔ)熱量的多少與其本身的溫度變化量密切相關(guān)。經(jīng)過科研人員的努力相關(guān)技術(shù)的發(fā)展較為成熟，并且該儲(chǔ)熱技術(shù)在設(shè)備的運(yùn)行方面具有一定的使用優(yōu)勢(shì)，便于人員對(duì)機(jī)器設(shè)備進(jìn)行操作[3]。除此之外，與其它相關(guān)的儲(chǔ)熱技術(shù)相比該技術(shù)所需要的基礎(chǔ)材料最為豐富，例如水和卵石是可以從自然界中直接獲得而且價(jià)格十分低廉。與此同時(shí)，顯熱儲(chǔ)熱的技術(shù)成本相對(duì)低廉，并且在儲(chǔ)熱材料進(jìn)行吸熱與放熱的過程中具有相對(duì)簡單且容易操作的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，因此顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)得到了廣大科研人員的推廣。

顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)的缺點(diǎn)在于該技術(shù)所能應(yīng)用到的儲(chǔ)熱材料中大多是儲(chǔ)熱密度較低，利用率低下的礦物類原料。比如巖石、砂石、礦石、礦物質(zhì)油約為60 kWh/m3（200-400 ℃），鑄鐵大約為150 kWh/m3（200-400 ℃），因此顯熱儲(chǔ)熱必須采用體積量巨大并且工序繁雜操作復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備才能滿足相關(guān)儲(chǔ)熱技術(shù)的使用條件。此外，用來進(jìn)行儲(chǔ)熱的材料與設(shè)備和周圍環(huán)境之間存在著一定的溫度差，在儲(chǔ)熱材料進(jìn)行熱量的存儲(chǔ)與釋放過程中會(huì)導(dǎo)致熱量損失嚴(yán)重。因此顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)不適合用來進(jìn)行熱量的長期存儲(chǔ)以及大容量存儲(chǔ)，具有一定的限制性，阻礙了對(duì)未來儲(chǔ)熱技術(shù)的推廣。

2 熱化學(xué)儲(chǔ)熱

熱化學(xué)儲(chǔ)熱是依據(jù)化學(xué)反應(yīng)的可逆性原理，利用反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的反應(yīng)熱進(jìn)行熱能存儲(chǔ)的技術(shù)方式，實(shí)現(xiàn)了將熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并在需要時(shí)進(jìn)行逆向轉(zhuǎn)化。利用化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱必須滿足相應(yīng)的條件：具有良好的可逆性，化學(xué)反應(yīng)響應(yīng)快并且反應(yīng)過程中無副反應(yīng)；熱化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物必須是容易分離并且能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定儲(chǔ)存的物質(zhì)；在反應(yīng)體系中，反應(yīng)前與反應(yīng)后均不存在有毒、易腐蝕和可燃物；反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的熱量大，反應(yīng)原料價(jià)格低廉等。熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)并沒有發(fā)生物理相變過程，是一個(gè)純化學(xué)反應(yīng)的過程，如果能夠在反應(yīng)過程中利用催化劑對(duì)儲(chǔ)熱材料進(jìn)行一定程度的催化，就能夠完成熱量儲(chǔ)存時(shí)間延長的目的，能夠在一定程度上提高熱化學(xué)儲(chǔ)熱在實(shí)際生活中的利用率[4]。

熱化學(xué)儲(chǔ)熱的優(yōu)點(diǎn)不勝枚舉，但是也具有十分繁雜的化學(xué)反應(yīng)過程，并且有的時(shí)候可能要使用大量的催化劑才能夠使化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行，對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程以及裝備的運(yùn)行穩(wěn)定性要求十分的嚴(yán)格。目前對(duì)熱化學(xué)儲(chǔ)熱的投資成本比較大，技術(shù)成熟度比較低并且對(duì)儲(chǔ)存、釋放熱量的過程較難控制，因此熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)仍然在小規(guī)模的試驗(yàn)階段，還有很多的問題亟待解決難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用。

3 潛熱儲(chǔ)熱

根據(jù)儲(chǔ)熱材料從一個(gè)相態(tài)向另一個(gè)相態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)需要大量的熱量來維持反應(yīng)進(jìn)行的特點(diǎn)來吸收和儲(chǔ)存熱量是潛熱儲(chǔ)熱的主要理論依據(jù)[5]。這是一種具有較高的儲(chǔ)熱密度，并且能夠在小范圍的溫度浮動(dòng)過程中進(jìn)行熱量釋放的一種儲(chǔ)熱方式。熱量在釋放后儲(chǔ)熱材料會(huì)從終止態(tài)返回到初始態(tài)，相變循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)、釋熱，有關(guān)科研人員還把它稱作相變式儲(chǔ)熱[6]。

在相變過程中能夠產(chǎn)生氣體的相關(guān)相變材料盡管在發(fā)生相變的過程中也具有可觀的潛熱量，但是儲(chǔ)熱材料因?yàn)樵谙鄳B(tài)發(fā)生改變的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的氣體，因此不利于實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用。與其相比，固-液相變能夠?qū)崿F(xiàn)更好的使用價(jià)值，并且在無任何影響因素的情況下，相同物質(zhì)在溫度相同、方向相反的相變過程中儲(chǔ)存或釋放的相變潛熱應(yīng)該是保持不變的，也是一個(gè)純物理的過程[7]。

4 相變儲(chǔ)熱材料

相變儲(chǔ)熱材料關(guān)乎相變儲(chǔ)熱技術(shù)的成敗，它能夠在發(fā)生相態(tài)改變的過程中實(shí)現(xiàn)能量的吸收或釋放。由于儲(chǔ)熱材料發(fā)生相變的過程只取決于溫度的高低，因此經(jīng)常被廣泛用于熱量的存儲(chǔ)以及溫度控制等相關(guān)領(lǐng)域[8]。在室溫條件下利用相變儲(chǔ)熱材料對(duì)太陽能進(jìn)行存儲(chǔ)是從80年代開始逐漸發(fā)展，主要采用高溫水蒸氣或熔融鹽為主要的儲(chǔ)熱材料，熔融鹽作為儲(chǔ)熱材料儲(chǔ)熱量高、適用溫度范圍廣、穩(wěn)定性好，但儲(chǔ)熱裝置易被熔融鹽腐蝕，使用壽命不長[9]。

目前，中低溫（＜120oC）儲(chǔ)熱材料多以石蠟、硬脂酸或棕櫚酸等為相變儲(chǔ)熱載體，但因其導(dǎo)熱系數(shù)低限制了其工程應(yīng)用[10]。水合無機(jī)鹽在中低溫?zé)崂妙I(lǐng)域憑借相對(duì)較高的導(dǎo)熱系數(shù)、廉價(jià)的原料以及較大的相變潛熱等優(yōu)勢(shì)具有很好的研究價(jià)值。但是，水合無機(jī)鹽存在過冷、相分離以及固-液相變易泄露等問題，阻礙了相變儲(chǔ)熱材料的發(fā)展腳步[11]。

此外，雖然相變儲(chǔ)熱材料的使用領(lǐng)域廣泛，種類繁多，但有許多相變儲(chǔ)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)低或者材料容易被腐蝕，嚴(yán)重影響材料的使用時(shí)間與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。近年來為了更好的解決導(dǎo)熱性和腐蝕性等問題，科研人員通常把相變儲(chǔ)熱材料制成微膠囊的形狀，以有機(jī)化合物及其復(fù)合材料、無機(jī)化合物或無機(jī)礦物等作為儲(chǔ)熱微膠囊的殼體壁材，以無機(jī)或有機(jī)相變材料為內(nèi)部芯材，解決了相變過程發(fā)生的液漏問題，解決了傳統(tǒng)相變儲(chǔ)熱材料所具有的腐蝕性、低導(dǎo)熱性以及相分離等一系列難題。微膠囊儲(chǔ)熱材料的傳熱面積有了很大的提升，并且有效的控制了儲(chǔ)熱芯材在發(fā)生相變時(shí)的形態(tài)變化，防止其與環(huán)境的反應(yīng)，提高芯材利用率[12]。隨著相變儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展，相變儲(chǔ)熱微膠囊材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其在相變儲(chǔ)熱材料研發(fā)領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景并且逐漸成為了一個(gè)熱門的研究方向。

5 結(jié)語

潛熱儲(chǔ)熱的儲(chǔ)熱量大，有利于大規(guī)模推廣，具有可觀的應(yīng)用前景。近年來，相變儲(chǔ)熱材料的研發(fā)是當(dāng)前儲(chǔ)熱材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。微膠囊相變儲(chǔ)熱材料在解決傳統(tǒng)相變儲(chǔ)熱材料的腐蝕性、熱導(dǎo)性低和相分離方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。