劉碩

（上海旭能新能源科技有限公司，上海 201112）

能源是國家經(jīng)濟發(fā)展的動力源泉。當前，能源消費結(jié)構(gòu)正在發(fā)生深刻變革，光伏、風電快速進入歷史舞臺，世界各大國也均提出了碳排放目標，向“碳中和”發(fā)展。更關(guān)鍵的是，全球范圍內(nèi)可再生能源目標的占比被不斷上調(diào)和提前。然而可再生能源，諸如光伏、風電等新能源均具有波動不穩(wěn)定的特點，能源產(chǎn)生與能源利用具有時間和空間上的不匹配性，而儲能可以更好的解決這個問題。在各種儲能技術(shù)中，蓄熱尤其是相變儲熱技術(shù)，作為一種有效利用能源的方法受到人們越來越廣泛的關(guān)注，在清潔供暖、建筑節(jié)能、余熱利用、溫度控制等諸多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1]。

1 相變儲能材料的制備

1.1 相變儲能材料配方開發(fā)

根據(jù)目標應(yīng)用場景，選擇低溫類無機鹽相變材料作為儲能介質(zhì)，無機類相變儲熱材料相比有機類相變儲熱材料具有儲熱密度更高、導(dǎo)熱系數(shù)更大的特點，同時兼具低成本，不易燃燒的特點。但此類低溫類無機相變材料具有易過冷、循環(huán)易分層的缺點[2]，導(dǎo)致能在實際應(yīng)用中的材料比較少。

在本文中，具體選擇的材料如下：焦磷酸鈉：食品級，河北格貝達生物科技有限公司，水：去離子水，十水硫酸鈉：分析級，上海國藥集團，黃原膠：食品級。

在本文中，通過try and error 的方法[3]，對相變主體材料配方進行了開發(fā)，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，材料質(zhì)量百分為焦磷酸鈉：水：十水硫酸鈉：黃原膠=59.8%：39%：0.7%：0.5%具有較好的長期循環(huán)穩(wěn)定性。

1.2 相變材料的制備

相變材料的制備主要通過物理混合的手段實現(xiàn)均勻分散，首先將焦磷酸鈉、水、十水硫酸鈉置于容器中，同時將盛料容器置于80 度左右的恒溫水浴鍋中，通過電動攪拌機（常州市人和儀器廠型號RH-6)，設(shè)定攪拌速度約100 轉(zhuǎn)/min，預(yù)先攪拌10min，然后將黃原膠通過加料口加入，攪拌速度提升至200 轉(zhuǎn)/min，繼續(xù)攪拌15min。

1.3 相變儲能材料性能研究

由于材料的相變行為特征及材料與容器材質(zhì)的兼容性均是影響產(chǎn)品性能的重要因素，所以作為重點研究內(nèi)容，主要材料性能研究如下：

1.3.1 材料相變行為分析

通過采用恒溫水浴鍋作為加熱熱源（加熱溫度設(shè)定為90度），自來水（恒溫25 度）作為冷源，采用數(shù)據(jù)采集儀（型號：CENTER309），對材料的相變行為進行步冷曲線測試，其循環(huán)情況如圖1～3 所示。

圖1 NO.82 循環(huán)

圖2 配方前117 次步冷循環(huán)

圖3 步冷曲線熔點平臺與降溫平臺溫度隨循環(huán)次數(shù)的變化

可以看出，升降溫平臺不一致，說明材料存在整體過冷的特性。經(jīng)過超過100 次的循環(huán)，材料的相變溫度波動范圍小于1攝氏度，保持了較好的循環(huán)的穩(wěn)定性。

1.3.2 材料腐蝕性

從經(jīng)濟應(yīng)用的角度考慮，重點研究分析了配方材料與304不銹鋼及銅的兼容性。實驗時，先洗凈不同規(guī)格尺寸的銅管和不銹鋼管備用，記錄各項尺度參數(shù)并稱重，分別置于耐高溫塑料瓶中，瓶內(nèi)倒入液態(tài)配方材料，將實驗瓶移到烘箱中（烘箱設(shè)定加熱保溫溫度90℃），記錄保溫開始時間及液態(tài)保溫時間，每隔一段時間拿出洗凈觀察、稱量并計算腐蝕速率，其實驗結(jié)果如圖4、5 所示。

圖4 不同時段不銹鋼腐蝕變化組圖

圖5 不同時段銅管腐蝕變化組圖

可以看出，不銹鋼基本沒有腐蝕，銅表面顏色變化不大，雖然出現(xiàn)了少數(shù)黑色斑點，這與拿出清洗時，銅被氧化有關(guān)聯(lián)，腐蝕速度出現(xiàn)符號（正負）的轉(zhuǎn)變也能從側(cè)面印證這一點。金屬材質(zhì)的階段腐蝕速度見表1、表2，可以看出腐蝕速率非常低，基本可以滿足應(yīng)用需求。

表1 不銹鋼階段腐蝕速率

表2 銅管階段腐蝕速率

2 相變儲能材料在清潔供暖中的應(yīng)用

2.1 項目概述

項目基本情況簡介：天津津塔建筑面積205000m2，以往冬季采用市政熱水作為采暖熱源，經(jīng)熱力公司核算，天津津塔項目每個采暖季采暖費用達到960 萬元。

熱力公司采暖費按照全天24 小時不間斷供熱收取，而根據(jù)天津津塔的使用功能，用熱時間集中在早10 點至晚10 點的12小時商場開業(yè)時間，其余時間僅需提供商場內(nèi)的設(shè)備防凍熱量，熱力公司也會在夜間控制天津津塔的供熱量，而由于熱力公司并不熟悉天津津塔夜間的實際需熱情況，導(dǎo)致在15-16 采暖季極寒天氣條件下出現(xiàn)了建筑物內(nèi)消防水管凍破的情況，在此情況下每個采暖季960 萬元的采暖費用大大超過了實際的用熱成本。

2.2 相變儲能供暖系統(tǒng)

相變儲能供暖系統(tǒng)主要基于一類高效相變儲能裝置——熱庫而開發(fā)出的一套應(yīng)用系統(tǒng)，采用“移峰填谷”的技術(shù)。具體而言，整個系統(tǒng)依托相變材料儲能技術(shù)可以有效緩解能源制備及使用存在的時空不匹配的特點，利用各種可再生能源比如風電、光伏發(fā)電或者廉價的谷電進行能源儲存，在白天高峰用能時刻進行釋放。在具體的商業(yè)應(yīng)用案例中，主流是應(yīng)用谷電進行供暖，其基本工作原理如下：在谷電時段電鍋爐開始加熱，通過充熱循環(huán)系統(tǒng)給相變儲能熱庫充熱；供暖時段，電鍋爐停止加熱，通過放熱循環(huán)釋放熱庫儲存的熱量為末端供暖。在極端天氣時的平電時段，電鍋爐開啟補充部分熱量供暖；若夜間末端需要供暖，由電鍋爐直接供暖[4]，系統(tǒng)原理圖見圖6。

在2.1 中提到的天津津塔供暖項目，項目完成方江蘇啟能新能源材料有限公司采用熱庫180 臺（單臺熱庫儲熱量約180kwh），1300KW 電鍋爐4 臺，1200KW 鍋爐1 臺。供熱時間為早8 點至下午17 點，其余時間為防凍運行時間系統(tǒng)低溫運行。

2.3 應(yīng)用效果分析

2.3.1 產(chǎn)品實際工程應(yīng)用狀態(tài)

通過實時在線監(jiān)控系統(tǒng)，隨機抽取一天的數(shù)據(jù)，單臺標準熱庫的材料溫升曲線仍然保持較好的充放熱特性，過冷度小，這也與供熱循環(huán)系統(tǒng)的供水回水溫度相呼應(yīng)，從項目運行端實際供回水溫度來看，供熱循環(huán)系統(tǒng)大概維持了5 度左右的充放熱溫差。

2.3.2 經(jīng)濟性分析

項目經(jīng)過兩個完整采暖季的運行，供熱效果達到預(yù)期，系統(tǒng)運行基本平穩(wěn)，節(jié)能效益顯著。表3是2017～2018 年度實際運行采暖費用。

表3 運行采暖費用對比

從表3 可以看出，實際節(jié)省運行費用522.54 萬元，節(jié)約比例約為54.4%，超過預(yù)期，實現(xiàn)了極佳的經(jīng)濟效益。

3 結(jié)論

通過實驗研究，開發(fā)出一類新型相變儲能材料，具有儲熱密度大、過冷度小及金屬兼容性強的特點，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。在產(chǎn)品的實際工程應(yīng)用中，通過集成相變儲能單元——熱庫，充分利用峰谷電價差的特點，有效的降低了用戶側(cè)的用能成本，在當前“3060 碳中和”的大背景下，對于在清潔電采暖領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的前景。

關(guān)于行業(yè)的發(fā)展，可以從廣度和深度兩個維度去看，廣度上，需要充分考慮相變材料兩個主要特征，一是可以儲存熱量，二是釋熱溫度恒定，因此可以從儲熱及控溫兩個方向去推廣產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。從深度上看，隨著各類儲能技術(shù)的不斷迭代更新，如何進一步提升材料體系的儲能能力，降低單位儲能產(chǎn)品的制造成本成為了一個主要挑戰(zhàn)，目前在這一方向上，國內(nèi)外主流研究和企業(yè)均將目光投向了儲能密度更高的化學(xué)相變儲熱，但仍未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的案例。