相變儲(chǔ)熱及卡諾電池研究進(jìn)展

來源 |傳熱傳質(zhì)青委會(huì)

研究背景

隨著雙碳目標(biāo)的全面推進(jìn)，新型儲(chǔ)能技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用勢(shì)在必行。其中，儲(chǔ)熱及熱機(jī)械儲(chǔ)能是大規(guī)模新型儲(chǔ)能技術(shù)的重要組成部分。作為儲(chǔ)熱技術(shù)之一，相變儲(chǔ)熱因其儲(chǔ)熱密度較高、運(yùn)行溫度恒定等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，正逐步得到規(guī)?；瘧?yīng)用；而卡諾電池作為一種新興的熱機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)，具有容量大、響應(yīng)快、往返效率高等優(yōu)點(diǎn)，且不受地理?xiàng)l件的限制，在電力系統(tǒng)調(diào)控和區(qū)域供能等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

研究?jī)?nèi)容

一、固液相變及強(qiáng)化傳熱機(jī)理研究

固液相變問題的模擬廣泛采用焓值法，相界面溫度與相變溫度是保持一致的，而在實(shí)際的相變過程中，因表面張力或相界面運(yùn)動(dòng)的作用，相界面溫度與相變溫度之間會(huì)有偏差，即出現(xiàn)過冷或過熱現(xiàn)象，這是焓值法無法解決的。本研究基于相場(chǎng)法建立了可考慮過冷或過熱效應(yīng)的固液相變模型，研究了半無限大區(qū)域內(nèi)的雙區(qū)域凝固問題和二維方腔考慮自然對(duì)流的熔化問題，探討了動(dòng)力學(xué)參數(shù)與過冷效應(yīng)的定量關(guān)系，驗(yàn)證了相場(chǎng)法處理固液相變過冷與過熱問題的可靠性；基于相場(chǎng)法進(jìn)一步建立了表征體元尺度的金屬泡沫內(nèi)固液相變的數(shù)學(xué)模型，研究了瑞利數(shù)、金屬泡沫孔隙形貌對(duì)相變材料熔化與凝固過程的影響，揭示了熔化與凝固過程中相場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的演變規(guī)律，明晰了動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)凝固過程的影響。該研究成果克服了焓值法無法考慮固液相變過冷或過熱效應(yīng)的缺點(diǎn)，可以模擬更加真實(shí)的固液相變過程，具有一定的理論價(jià)值。

圖1 固液相變及強(qiáng)化傳熱機(jī)理研究：(a) 雙區(qū)域凝固問題；(b) 二維方腔自然對(duì)流熔化問題；(c) 表征體元尺度金屬泡沫內(nèi)固液相變問題

二、高溫金屬相變材料的制備與可靠性研究

在太陽(yáng)能熱發(fā)電、高溫余熱回收等高溫應(yīng)用領(lǐng)域，鋁硅合金在單位體積儲(chǔ)熱量和導(dǎo)熱能力等方面比無機(jī)鹽相變材料更具優(yōu)勢(shì)，且組成元素儲(chǔ)量高，成本可控，但循環(huán)穩(wěn)定性和高溫腐蝕性嚴(yán)重限制了鋁硅合金作為相變材料的推廣應(yīng)用。本研究探討了鋁硅合金用作高溫相變儲(chǔ)熱材料的循環(huán)穩(wěn)定性，觀測(cè)了不同循環(huán)次數(shù)下微觀組織形貌的變化，得到了儲(chǔ)熱與傳熱性能的演變機(jī)制；揭示了熔融鋁硅合金與工程陶瓷材料的高溫腐蝕機(jī)理，找到了以Al2O3、AlN和SiC為代表的安全封裝材料。該研究成果為以鋁硅合金為基礎(chǔ)的儲(chǔ)熱單元封裝及其在太陽(yáng)能熱發(fā)電、高溫余熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

圖2 鋁硅合金相變材料的制備與可靠性研究：(a) 多次循環(huán)后的組織形貌；(b) 多次循環(huán)后的熱物性參數(shù)；(c) 高溫腐蝕性測(cè)試

三、相變儲(chǔ)熱單元傳熱儲(chǔ)熱特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

盡管金屬是性能優(yōu)異的相變材料，但基于經(jīng)濟(jì)成本、可靠性和應(yīng)用場(chǎng)景等因素考量，有機(jī)物及無機(jī)鹽依舊是目前普遍使用的相變材料，而裝置層面的傳熱優(yōu)化也是克服有機(jī)物及無機(jī)鹽相變材料低導(dǎo)熱系數(shù)短板的途徑之一。

（1）管殼式相變儲(chǔ)熱單元傳熱結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化研究

肋片與流道等傳熱結(jié)構(gòu)在性能穩(wěn)定性、制造可行性、技術(shù)成熟性和經(jīng)濟(jì)性等方面具備明顯優(yōu)勢(shì)，非常適用于相變儲(chǔ)熱單元的傳熱強(qiáng)化，但其結(jié)構(gòu)優(yōu)化多半依靠工程經(jīng)驗(yàn)，缺乏明確的理論指導(dǎo)，難以實(shí)現(xiàn)傳熱效果最優(yōu)化。本研究基于拓?fù)鋬?yōu)化理論構(gòu)建了二維相變儲(chǔ)熱單元肋片模型，研究了數(shù)值參數(shù)與最佳肋片構(gòu)型的關(guān)聯(lián)機(jī)制，得到了熔化過程自然對(duì)流對(duì)最佳肋片構(gòu)型的影響，驗(yàn)證了優(yōu)化后的肋片在傳熱過程中的優(yōu)越性；基于拓?fù)鋬?yōu)化理論建立了二維相變儲(chǔ)熱單元流道模型，討論了傳熱/流動(dòng)權(quán)重系數(shù)對(duì)流道結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制，探究了優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)的傳熱與流動(dòng)特性，證實(shí)了拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)流道設(shè)計(jì)的可靠性。該研究成果可實(shí)現(xiàn)明確優(yōu)化目標(biāo)下肋片和流道結(jié)構(gòu)的高自由度優(yōu)化，并與以3D打印為代表的先進(jìn)加工與快速成型技術(shù)有機(jī)結(jié)合，具有一定的理論先進(jìn)性和切實(shí)的技術(shù)可行性。

圖3 管殼式相變儲(chǔ)熱單元傳熱結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化研究：(a) 肋片優(yōu)化；(b) 流道優(yōu)化

（2）梯級(jí)相變儲(chǔ)熱單元的熱力學(xué)特性研究

梯級(jí)相變儲(chǔ)熱可以存儲(chǔ)多品位熱能與冷能，符合“量熱度需、熱盡其用，溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的基本原則。然而，梯級(jí)相變儲(chǔ)熱的研究工作集中于理論分析和數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證較少，尤其是中高溫梯級(jí)相變儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)。本研究搭建了中高溫三級(jí)相變儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量了儲(chǔ)熱單元內(nèi)部的溫度變化，基于熱力學(xué)定律和火積原理開展了單個(gè)單元及整個(gè)梯級(jí)儲(chǔ)熱裝置的熱力學(xué)分析，研究了儲(chǔ)熱單元級(jí)數(shù)、進(jìn)口溫度、流體流量等因素對(duì)梯級(jí)相變儲(chǔ)熱平臺(tái)熱力學(xué)性能的影響，驗(yàn)證了梯級(jí)相變儲(chǔ)熱在傳熱與儲(chǔ)熱方面的優(yōu)勢(shì)。本研究成果在合理的溫度、流量、壓力測(cè)試基礎(chǔ)上成功實(shí)現(xiàn)了最高溫度為450 ℃的熱能三級(jí)存儲(chǔ)，熱存儲(chǔ)效率、?存儲(chǔ)效率和火積存儲(chǔ)效率分別提升了23%、21%和24%。

圖4 梯級(jí)相變儲(chǔ)熱單元的熱力學(xué)特性研究

（3）小直徑比填充床相變儲(chǔ)熱單元流動(dòng)與傳熱規(guī)律研究

填充床模型較多采用基于表征體元尺度的均勻模型，無法考慮真實(shí)情況下孔隙率的徑向波動(dòng)，從而造成了速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)與實(shí)際情況的偏離，這種現(xiàn)象在小直徑比填充床中尤為明顯。本研究建立了小直徑比填充床的三維隨機(jī)堆積模型，得到了小直徑比填充床孔隙率在徑向上的統(tǒng)計(jì)變化規(guī)律，研究了填充床內(nèi)部流動(dòng)、傳熱及儲(chǔ)熱性能與徑向孔隙率的耦合關(guān)系，探究了不同進(jìn)口溫度和流量下的填充床流動(dòng)、傳熱與儲(chǔ)熱特性。該研究成果拓展了當(dāng)前填充床儲(chǔ)熱單元在小直徑比情況下的研究?jī)?nèi)涵。

圖5 小直徑比填充床相變儲(chǔ)熱單元流動(dòng)與傳熱規(guī)律研究：(a) 數(shù)值模擬；(b) 實(shí)驗(yàn)研究

四、卡諾電池系統(tǒng)的熱力學(xué)特性及經(jīng)濟(jì)性研究

卡諾電池（也稱熱泵儲(chǔ)電）是基于熱力循環(huán)和儲(chǔ)熱（冷）技術(shù)發(fā)展而來的新型大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，并可由純儲(chǔ)電系統(tǒng)拓展為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。常用的熱力循環(huán)包括布雷頓循環(huán)、跨臨界循環(huán)和（有機(jī)）朗肯循環(huán)等，而常見的儲(chǔ)熱技術(shù)，如顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱均可用于相應(yīng)的儲(chǔ)熱/冷裝置。本研究對(duì)比了布雷頓循環(huán)和跨臨界CO2循環(huán)卡諾電池在采用顯熱儲(chǔ)熱材料時(shí)的熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，得到了熱經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的系統(tǒng)配置；為提升系統(tǒng)儲(chǔ)能密度，進(jìn)一步建立了基于布雷頓循環(huán)和相變填充床的卡諾電池系統(tǒng)模型，研究了壓縮機(jī)壓比、填充床孔隙率、壓縮機(jī)與膨脹機(jī)等熵效率、系統(tǒng)流速等因素對(duì)卡諾電池系統(tǒng)往返效率、功率密度等性能參數(shù)的影響，得到了卡諾電池系統(tǒng)內(nèi)部不可逆損失的分布規(guī)律；基于有機(jī)朗肯循環(huán)卡諾電池可在余熱資源豐富的條件下實(shí)現(xiàn)電能超高效存儲(chǔ)的特性（即理論往返效率超過100%），討論了其在300 MW熱電廠調(diào)峰過程中的適用性，發(fā)現(xiàn)耦合有機(jī)朗肯循環(huán)卡諾電池的熱電廠可成功滿足94%的用電峰值負(fù)荷；提出了基于雙罐儲(chǔ)冷裝置的有機(jī)朗肯循環(huán)卡諾電池， 評(píng)估了儲(chǔ)冷介質(zhì)流量、儲(chǔ)冷溫度、蒸發(fā)溫度、夾點(diǎn)溫度等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)往返效率、平準(zhǔn)化存儲(chǔ)成本等系統(tǒng)性能參數(shù)的影響；建立了梯級(jí)相變單元的熱力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性模型，討論了相變單元純儲(chǔ)電模式和熱電/冷電聯(lián)供模式對(duì)熱力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響，奠定了將卡諾電池由純儲(chǔ)電系統(tǒng)拓展為可同時(shí)提供電能、不同品位冷能和熱能的智慧能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。該研究成果對(duì)各類型的卡諾電池進(jìn)行了較為系統(tǒng)的探討。

圖6 卡諾電池系統(tǒng)的熱力學(xué)特性研究：(a) 布雷頓循環(huán)卡諾電池；(b) 有機(jī)朗肯循環(huán)卡諾電池

總結(jié)與展望

作為大規(guī)模儲(chǔ)熱與熱機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)的重要組成部分，相變儲(chǔ)熱和卡諾電池已受到學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和政府部門的廣泛關(guān)注，相變儲(chǔ)熱和卡諾電池的研究與開發(fā)工作在機(jī)理、材料、裝置和系統(tǒng)等層面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在此，就上述研究基礎(chǔ)對(duì)相變儲(chǔ)熱和卡諾電池做如下四點(diǎn)展望：(1) 固液相變機(jī)理需進(jìn)一步揭示，尤其是納米尺度到宏觀尺度的系列模型構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；(2) 金屬相變材料在多次循環(huán)下的傳熱儲(chǔ)熱特性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系待深入探究，尤其是定量關(guān)系；(3) 相變儲(chǔ)熱單元結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)多層次高自由度優(yōu)化待開展，比如流道與肋片兩級(jí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化；(4) 卡諾電池關(guān)鍵部件研發(fā)、多場(chǎng)景系統(tǒng)耦合、智能運(yùn)行調(diào)控、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)等是卡諾電池技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

論文信息

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作者介紹

趙耀，上海交通大學(xué)智慧能源創(chuàng)新學(xué)院副教授，入選上海市領(lǐng)軍人才（海外）計(jì)劃。中南大學(xué)學(xué)士、碩士，上海交通大學(xué)博士，先后在上海交通大學(xué)和帝國(guó)理工學(xué)院開展博士后研究，從事儲(chǔ)熱及熱機(jī)械儲(chǔ)能研究，聚焦相變儲(chǔ)熱和卡諾電池。發(fā)表高水平期刊論文16篇、會(huì)議論文10篇，撰寫中英文專著章節(jié)2章，授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、全國(guó)博管會(huì)博士后國(guó)際交流計(jì)劃派出項(xiàng)目、能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金、國(guó)家電投-上海交大未來能源計(jì)劃聯(lián)合基金等科研項(xiàng)目4項(xiàng)，參與國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目/重點(diǎn)項(xiàng)目、973計(jì)劃、英國(guó)工程和自然科學(xué)研究基金等國(guó)內(nèi)外大型科研項(xiàng)目多項(xiàng)。獲全國(guó)博管會(huì)博士后國(guó)際交流計(jì)劃學(xué)術(shù)交流項(xiàng)目基金等獎(jiǎng)勵(lì)。擔(dān)任 Energy Storage and Saving、Green Energy and Resources等期刊青年編委，Applied Thermal Engineering熱儲(chǔ)能?？妥庉?，第十五屆國(guó)際傳熱、流體力學(xué)和熱力學(xué)會(huì)議學(xué)術(shù)委員會(huì)成員及分會(huì)場(chǎng)主席，第一屆碳中和國(guó)際會(huì)議組委會(huì)成員等學(xué)術(shù)職務(wù)。歡迎各位專家學(xué)者和企業(yè)界朋友蒞臨指導(dǎo)，開展交流合作。