相變儲熱及卡諾電池研究進展

來源 |傳熱傳質青委會

研究背景

隨著雙碳目標的全面推進，新型儲能技術的規(guī)?；瘧脛菰诒匦?。其中，儲熱及熱機械儲能是大規(guī)模新型儲能技術的重要組成部分。作為儲熱技術之一，相變儲熱因其儲熱密度較高、運行溫度恒定等特點受到廣泛關注，正逐步得到規(guī)?；瘧?；而卡諾電池作為一種新興的熱機械儲能技術，具有容量大、響應快、往返效率高等優(yōu)點，且不受地理條件的限制，在電力系統(tǒng)調(diào)控和區(qū)域供能等方面具有廣闊的應用前景。

研究內(nèi)容

一、固液相變及強化傳熱機理研究

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，而在實際的相變過程中，因表面張力或相界面運動的作用，相界面溫度與相變溫度之間會有偏差，即出現(xiàn)過冷或過熱現(xiàn)象，這是焓值法無法解決的。本研究基于相場法建立了可考慮過冷或過熱效應的固液相變模型，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流的熔化問題，探討了動力學參數(shù)與過冷效應的定量關系，驗證了相場法處理固液相變過冷與過熱問題的可靠性；基于相場法進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)學模型，研究了瑞利數(shù)、金屬泡沫孔隙形貌對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、流場和溫度場的演變規(guī)律，明晰了動力學參數(shù)對凝固過程的影響。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的缺點，可以模擬更加真實的固液相變過程，具有一定的理論價值。

圖1 固液相變及強化傳熱機理研究：(a) 雙區(qū)域凝固問題；(b) 二維方腔自然對流熔化問題；(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

在太陽能熱發(fā)電、高溫余熱回收等高溫應用領域，鋁硅合金在單位體積儲熱量和導熱能力等方面比無機鹽相變材料更具優(yōu)勢，且組成元素儲量高，成本可控，但循環(huán)穩(wěn)定性和高溫腐蝕性嚴重限制了鋁硅合金作為相變材料的推廣應用。本研究探討了鋁硅合金用作高溫相變儲熱材料的循環(huán)穩(wěn)定性，觀測了不同循環(huán)次數(shù)下微觀組織形貌的變化，得到了儲熱與傳熱性能的演變機制；揭示了熔融鋁硅合金與工程陶瓷材料的高溫腐蝕機理，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的儲熱單元封裝及其在太陽能熱發(fā)電、高溫余熱回收系統(tǒng)的應用打下了基礎。

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) 高溫腐蝕性測試

三、相變儲熱單元傳熱儲熱特性及結構優(yōu)化研究

盡管金屬是性能優(yōu)異的相變材料，但基于經(jīng)濟成本、可靠性和應用場景等因素考量，有機物及無機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)化也是克服有機物及無機鹽相變材料低導熱系數(shù)短板的途徑之一。

（1）管殼式相變儲熱單元傳熱結構的拓撲優(yōu)化研究

肋片與流道等傳熱結構在性能穩(wěn)定性、制造可行性、技術成熟性和經(jīng)濟性等方面具備明顯優(yōu)勢，非常適用于相變儲熱單元的傳熱強化，但其結構優(yōu)化多半依靠工程經(jīng)驗，缺乏明確的理論指導，難以實現(xiàn)傳熱效果最優(yōu)化。本研究基于拓撲優(yōu)化理論構建了二維相變儲熱單元肋片模型，研究了數(shù)值參數(shù)與最佳肋片構型的關聯(lián)機制，得到了熔化過程自然對流對最佳肋片構型的影響，驗證了優(yōu)化后的肋片在傳熱過程中的優(yōu)越性；基于拓撲優(yōu)化理論建立了二維相變儲熱單元流道模型，討論了傳熱/流動權重系數(shù)對流道結構的作用機制，探究了優(yōu)化流道結構的傳熱與流動特性，證實了拓撲優(yōu)化對流道設計的可靠性。該研究成果可實現(xiàn)明確優(yōu)化目標下肋片和流道結構的高自由度優(yōu)化，并與以3D打印為代表的先進加工與快速成型技術有機結合，具有一定的理論先進性和切實的技術可行性。

圖3 管殼式相變儲熱單元傳熱結構的拓撲優(yōu)化研究：(a) 肋片優(yōu)化；(b) 流道優(yōu)化

（2）梯級相變儲熱單元的熱力學特性研究

梯級相變儲熱可以存儲多品位熱能與冷能，符合“量熱度需、熱盡其用，溫度對口、梯級利用”的基本原則。然而，梯級相變儲熱的研究工作集中于理論分析和數(shù)值模擬，實驗驗證較少，尤其是中高溫梯級相變儲熱實驗。本研究搭建了中高溫三級相變儲熱實驗平臺，測量了儲熱單元內(nèi)部的溫度變化，基于熱力學定律和火積原理開展了單個單元及整個梯級儲熱裝置的熱力學分析，研究了儲熱單元級數(shù)、進口溫度、流體流量等因素對梯級相變儲熱平臺熱力學性能的影響，驗證了梯級相變儲熱在傳熱與儲熱方面的優(yōu)勢。本研究成果在合理的溫度、流量、壓力測試基礎上成功實現(xiàn)了最高溫度為450 ℃的熱能三級存儲，熱存儲效率、?存儲效率和火積存儲效率分別提升了23%、21%和24%。

圖4 梯級相變儲熱單元的熱力學特性研究

（3）小直徑比填充床相變儲熱單元流動與傳熱規(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，無法考慮真實情況下孔隙率的徑向波動，從而造成了速度場和溫度場與實際情況的偏離，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)計變化規(guī)律，研究了填充床內(nèi)部流動、傳熱及儲熱性能與徑向孔隙率的耦合關系，探究了不同進口溫度和流量下的填充床流動、傳熱與儲熱特性。該研究成果拓展了當前填充床儲熱單元在小直徑比情況下的研究內(nèi)涵。

圖5 小直徑比填充床相變儲熱單元流動與傳熱規(guī)律研究：(a) 數(shù)值模擬；(b) 實驗研究

四、卡諾電池系統(tǒng)的熱力學特性及經(jīng)濟性研究

卡諾電池（也稱熱泵儲電）是基于熱力循環(huán)和儲熱（冷）技術發(fā)展而來的新型大規(guī)模儲能系統(tǒng)，并可由純儲電系統(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）朗肯循環(huán)等，而常見的儲熱技術，如顯熱儲熱、相變儲熱和熱化學儲熱均可用于相應的儲熱/冷裝置。本研究對比了布雷頓循環(huán)和跨臨界CO2循環(huán)卡諾電池在采用顯熱儲熱材料時的熱力學和經(jīng)濟性指標，得到了熱經(jīng)濟性最優(yōu)的系統(tǒng)配置；為提升系統(tǒng)儲能密度，進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，研究了壓縮機壓比、填充床孔隙率、壓縮機與膨脹機等熵效率、系統(tǒng)流速等因素對卡諾電池系統(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；基于有機朗肯循環(huán)卡諾電池可在余熱資源豐富的條件下實現(xiàn)電能超高效存儲的特性（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%的用電峰值負荷；提出了基于雙罐儲冷裝置的有機朗肯循環(huán)卡諾電池， 評估了儲冷介質流量、儲冷溫度、蒸發(fā)溫度、夾點溫度等關鍵設計參數(shù)對往返效率、平準化存儲成本等系統(tǒng)性能參數(shù)的影響；建立了梯級相變單元的熱力學與經(jīng)濟性模型，討論了相變單元純儲電模式和熱電/冷電聯(lián)供模式對熱力學性能與經(jīng)濟性指標的影響，奠定了將卡諾電池由純儲電系統(tǒng)拓展為可同時提供電能、不同品位冷能和熱能的智慧能源管理系統(tǒng)的基礎。該研究成果對各類型的卡諾電池進行了較為系統(tǒng)的探討。

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

總結與展望

作為大規(guī)模儲熱與熱機械儲能技術的重要組成部分，相變儲熱和卡諾電池已受到學術界、產(chǎn)業(yè)界和政府部門的廣泛關注，相變儲熱和卡諾電池的研究與開發(fā)工作在機理、材料、裝置和系統(tǒng)等層面也取得了長足的進步。在此，就上述研究基礎對相變儲熱和卡諾電池做如下四點展望：(1) 固液相變機理需進一步揭示，尤其是納米尺度到宏觀尺度的系列模型構建與實驗驗證；(2) 金屬相變材料在多次循環(huán)下的傳熱儲熱特性與微觀結構的關系待深入探究，尤其是定量關系；(3) 相變儲熱單元結構的多目標多層次高自由度優(yōu)化待開展，比如流道與肋片兩級結構優(yōu)化；(4) 卡諾電池關鍵部件研發(fā)、多場景系統(tǒng)耦合、智能運行調(diào)控、經(jīng)濟性評價等是卡諾電池技術推廣應用的關鍵。

論文信息

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作者介紹

趙耀，上海交通大學智慧能源創(chuàng)新學院副教授，入選上海市領軍人才（海外）計劃。中南大學學士、碩士，上海交通大學博士，先后在上海交通大學和帝國理工學院開展博士后研究，從事儲熱及熱機械儲能研究，聚焦相變儲熱和卡諾電池。發(fā)表高水平期刊論文16篇、會議論文10篇，撰寫中英文專著章節(jié)2章，授權發(fā)明專利2項。主持國家自然科學基金青年項目、全國博管會博士后國際交流計劃派出項目、能源清潔利用國家重點實驗室開放基金、國家電投-上海交大未來能源計劃聯(lián)合基金等科研項目4項，參與國家自然科學基金重大項目/重點項目、973計劃、英國工程和自然科學研究基金等國內(nèi)外大型科研項目多項。獲全國博管會博士后國際交流計劃學術交流項目基金等獎勵。擔任 Energy Storage and Saving、Green Energy and Resources等期刊青年編委，Applied Thermal Engineering熱儲能?？妥庉?，第十五屆國際傳熱、流體力學和熱力學會議學術委員會成員及分會場主席，第一屆碳中和國際會議組委會成員等學術職務。歡迎各位專家學者和企業(yè)界朋友蒞臨指導，開展交流合作。