儲熱
關注創建者：熱管理博覽會 創建時間：2023-08-07
儲熱的視頻教程
從零開始學散熱——Ansys Icepak瞬態仿真
同時對儲熱材料的特征和建模方式做簡介。 瞬態仿真在熱設計中用的不多，但隨著新能源汽車、快速充電器、智能手表等產品的興起，瞬態設計越來越廣泛，看到有許多朋友反饋Ansys Icepak瞬態仿真的一些問題。 這部分內容原本想加到 從零開始學散熱——實用Ansys Icepak教程中，結果因為那個課程節數太多加不了了，就單獨列出來了。
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儲熱的實例教程
圖3 管殼式相變儲熱單元傳熱結構的拓撲優化研究：(a) 肋片優化；(b) 流道優化
（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、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計變化規律，研究了填充床內部流動、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涵。
圖5 小直徑比填充床相變儲熱單元流動與傳熱規律研究：(a) 數值模擬；(b) 實驗研究
四、卡諾電池系統的熱力學特性及經濟性研究
卡諾電池（也稱熱泵儲電）是基于熱力循環和儲熱（冷）技術發展而來的新型大規模儲能系統，并可由純儲電系統拓展為冷熱電聯供系統。
展開 作者：莫雅超 閆君 趙長穎
單位：上海交通大學工程熱物理研究所
引用：莫雅超,閆君,趙長穎.CaO/Ca(OH)2核殼結構顆粒的制備及其儲熱性能[J].儲能科學與技術,2022,11(12):3828-3835.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-
4239.2022.0400
摘 要 熱化學儲熱具有儲熱密度高，可實現跨季節儲熱的優點。在中高溫儲熱領域，氧化鈣/氫氧化鈣儲熱系統目前仍存在儲熱材料易結塊、難以流態化等問題。本文通過在氫氧化鈣顆粒外包覆一層燒結的碳化硅陶瓷殼的方法，制備了一種可用于氧化鈣/氫氧化鈣儲熱系統的具有核殼結構的儲熱顆粒。研究表明，該核殼結構顆粒殼體和芯體的內部孔隙呈現出不同的孔徑分布，殼體的孔徑大于內部芯體的孔徑，因此殼體的包裹對于內部氫氧化鈣的儲放熱反應進程影響較小，相對于純氫氧化鈣，核殼結構顆粒在反應速率和力學性能方面也有所提升。表征結果顯示，顆粒的殼體化學性質較為穩定，不會與氫氧化鈣發生反應導致儲熱密度的降低。此外，該核殼結構顆粒具有較好的循環穩定性，在空氣氛圍下，對所制備顆粒進行了25次儲放熱循環，發現該顆粒儲熱密度的下降在20%以內且未發生開裂和破碎。顆粒儲熱密度的下降是由于氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應生成了碳酸鈣，經過高溫煅燒除去碳酸鈣后，顆粒的儲熱密度可恢復至初始儲熱密度的96.7%。綜上，本工作制備儲熱顆粒對熱化學儲熱技術的實際應用具有重要意義。
關鍵詞 熱化學儲熱；氫氧化鈣；造粒
隨著“雙碳”目標的提出，我國能源結構面臨從化石能源為主向清潔能源為主的轉型。目前，太陽能、風能等清潔能源由于波動性較大，短時間內難以成為能源結構的主體。
展開 熔鹽儲熱：大規模儲熱
熔鹽儲熱是一種熱儲能技術，以儲熱材料（熔鹽）為媒介，將太陽能光熱、地熱、工業余熱、低品位廢熱或者由電能轉換來的熱能儲存起來，在需要的時候釋放，既可用于發電，也可用于工業供汽或民用采暖。
熔鹽儲熱技術儲熱功率可以達到百兆瓦級別，且可以實現單日10小時以上的儲熱能力，使用壽命可達30年以上。但其面臨熔鹽質量難以把控的問題。若熔鹽中雜質較多，會影響產品性能，從而影響儲換熱效率，嚴重時可能腐蝕設備管道或堵塞管道，導致系統癱瘓。
據CNESA（中關村儲能產業技術聯盟）儲能產業研究白皮書2021相關數據，全球投運的儲能項目累計裝機達191.1GW，其中熔鹽儲熱累計3.4GW。而中國投運的儲能項目累計裝機達35.6GW，其中熔鹽儲熱累計0.5GW，主要應用在光熱發電項目。
參與熱儲能賽道的電力央企不在少數。
上海電氣集團股份有限公司中央研究院（下稱上海電氣中央研究院）技術總監張艷梅曾在行業論壇上介紹，近年來，上海電氣中央研究院基于其所開發的熔點低、儲熱密度高的熔鹽儲熱材料，自主開發了單/雙罐熔鹽儲熱系統，并分別在實驗室及工程項目上得到了成功應用。
2021年1月30日，國家能源集團北京低碳清潔能源研究院MW級高溫儲熱中試裝置在河北省張家口市某美麗鄉村清潔供暖項目中完成900℃的升/降溫運行工作，裝置最高儲熱溫度達912℃，效率達到97%以上。該供暖項目是由低碳院投資建設的第一個基于自主研發的煤基儲熱材料的電供暖項目，儲熱功率1MW，儲熱量8MWh，可為當地1萬余平方米提供居民供暖。
3月21日，青海省能源局發布“揭榜掛帥”新型儲能示范項目中榜公示表，其中，“儲熱發電”一項——高倍率熔鹽儲能供熱和發電示范項目，中榜企業為國家能源集團龍源（青海）新能源開發有限公司。
展開 2.6、熔鹽儲熱：光熱電站的配儲系統
2.6.1、原理：依靠熔鹽介質儲存熱能
熔鹽儲熱通過儲熱介質的溫度變化、相態變化或化學反應，實現熱能的儲存與釋 放。儲熱介質吸收電能、輻射能等能量，儲蓄在介質內，當環境溫度低于介質溫 度時，儲熱介質可將熱能釋放出來。熔鹽儲熱是大規模中高溫儲熱的主流技術方向。儲熱技術可分為顯熱儲熱、相變 儲熱和熱化學儲熱三類。目前，顯熱儲熱技術成熟度最高、價格較低、應用較為 廣泛；潛熱儲熱是研究熱點；而熱化學儲熱尚未成熟。其中，熔融鹽為常用的中 高溫顯熱儲熱介質，具備較寬的液體溫度范圍，儲熱溫差大、儲熱密度高，適合 大規模中高溫儲熱項目。
2.6.2、優劣勢：熱發電場景中的儲能介質
優勢：熔鹽作為儲熱介質，成本較低，工作狀態穩定，儲熱密度高，儲熱時間長， 適合大規模中高溫儲熱，單機可實現 100MWh 以上的儲熱容量。劣勢：能量轉換方式決定了熔鹽儲熱只有應用在熱發電的場景下才會有經濟優 勢。熔鹽是通過儲存熱量的方式來儲存能量的，如果需要儲存的是電能，那整個 流程中需要完成“電能——熱能——電能”的轉換，效率很低。因此，熔鹽儲能 只能應用在采用熱能發電的場景中，作為能量的存儲介質，如光熱發電、火電廠 改造等；或者應用在終端能量需求為熱能而非電能的場景，如清潔供熱。
（1）光熱發電：熔鹽儲熱將儲熱和傳熱介質合為一體，簡化電站系統組成。作 為光熱發電的配套儲能設施，熔鹽儲熱系統可提高太陽能的利用率，減少功率波 動，促進電網穩定輸出。（2）清潔供熱：熔鹽儲熱系統的熱能利用效率高，可實現余熱、廢熱的回收利 用，為工業園區的食品加工、紡織等企業提供穩定持續的蒸汽、熱風等高品質熱 源。（3）火電廠改造：在火電廠加裝熔鹽儲熱設備，可將其改造為儲能調峰電站， 靈活輸出電力，儲熱可轉化成蒸汽為用戶供熱，提高電廠經濟效益。
展開 土壤深度5米處的溫度一般可以取300K，底面傳熱系數計算公式為：
t=0為午夜，
集熱器的透明罩透射率
煙囪壁面設置為絕熱且無滑移：
對于第二種電廠模型，由于水介質層的厚度很小（0.1m）且被封閉在固定區域內，因此只考慮熱傳導。
03 數值方法與驗證
本研究的數值模擬使用CDF仿真軟件與syrthes耦合。為了驗證數值代碼的準確性，使用Manzanares電站的實驗數據進行了對比，結果如圖3、圖4和圖5所示，曲線1表示實驗數據，曲線2表示計算結果。結論認為，與在Manzanares電站獲得的實驗數據的比較證明了數值模型是可以被認為是有效的。
圖3：煙囪入口溫度對比Manzanares實驗數據
圖4：煙囪入口速度對比Manzanares實驗數據
圖5：氣流發電機功率對比Manzanares實驗數據
04 結論分析
第一種儲熱系統只由土壤組成(SCPP1)；第二鐘儲熱系統除了土壤部分外，還有一個10cm厚的水管層，覆蓋于集熱器的整個表面。圖6展示了煙囪平均流體速度的單日演變。速度的變化規律與太陽輻射的變化規律相同。煙囪入口流速在白天的最大速度出現在土壤儲熱系統(SCPP1)的情況下；另一方面，夜間的最大速度出現在土壤與水管組成的儲熱系統(SCPP2)的情況下。
圖6：兩種儲熱系統的煙囪入口速度對比。1-SCPP1, 2-SCPP2。
然而，對于氣流輸送的能量功率（圖7），SCPP2的輸送功率效果明顯更好，因為它允許工廠在日落后還能長時間保持更高功率運行。這樣可以提高發電效率，如圖8所示。
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儲熱的最新內容
氧化鈹 (BeO)；碳化硅 (SiC)、氮化硼 (BN) 等
熱沉材料：金屬/合金(半固態壓鑄件)；金剛石/銅、金剛石/鋁等復合材料，石墨/銅、石墨/鋁等復合材料，金屬基復合材料
導熱高分子：導熱塑料（PPS、PA6/PA66、PC、PP、PPA、LDPE、PEEK）、導熱絕緣塑料，導熱橡膠等
碳材料：石墨膜（PI膜）、碳納米管、碳纖維短纖、石墨烯導熱膜、金剛石材料等
相變材料（儲熱
02
企業展品布局
熱管理材料主題展示區
原材料：導熱填料、聚合物基底材料、封裝材料等
導/散熱材料：熱界面材料、導熱高分子材料、碳材料、陶瓷基板、熱沉材料、相變材料（儲熱）等
隔熱材料：氣凝膠、泡沫隔熱材料、真空板、碳氈、復合保溫隔熱材料等
輔助材料與配件：離型膜、雙面膠等
液冷主題展示區
原材料：冷卻液、金屬材料等
02
企業展品布局
熱管理材料主題展示區
原材料：導熱填料、聚合物基底材料、封裝材料等
導/散熱材料：熱界面材料、導熱高分子材料、碳材料、陶瓷基板、熱沉材料、相變材料（儲熱）等
隔熱材料：氣凝膠、泡沫隔熱材料、真空板、碳氈、復合保溫隔熱材料等
輔助材料與配件：離型膜、雙面膠等
液冷主題展示區
原材料：冷卻液、金屬材料等
2.儲能展區
◆儲能材料、技術、產品、設備、儲熱中高溫應用；離網逆變器；各類蓄電池（鎳氫電池、釩液流電池、鋰離子電池、鈉離子電池、鉛酸蓄電池、鈉硫電池、液流電池等）；電容器；儲能應用解決方案；充交換電站產品；新能源汽車；充電樁；家庭儲能系統等儲能技術及產品等。
2.儲能展區
◆儲能材料、技術、產品、設備、儲熱中高溫應用；離網逆變器；各類蓄電池（鎳氫電池、釩液流電池、鋰離子電池、鈉離子電池、鉛酸蓄電池、鈉硫電池、液流電池等）；電容器；儲能應用解決方案；充交換電站產品；新能源汽車；充電樁；家庭儲能系統等儲能技術及產品等。
題目：New insights into the heat capacity enhancement of nano-SiO2 doped alkali metal chloride molten salt for thermal energy storage: A molecular dynamics study
介紹：熔鹽及其基納米流體是聚光太陽能發電系統中重要的傳熱和儲熱介質。
2.儲能展區
◆儲能材料、技術、產品、設備、儲熱中高溫應用；離網逆變器；各類蓄電池（鎳氫電池、釩液流電池、鋰離子電池、鈉離子電池、鉛酸蓄電池、鈉硫電池、液流電池等）；電容器；儲能應用解決方案；充交換電站產品；新能源汽車；充電樁；家庭儲能系統等儲能技術及產品等。
企業展品布局
1.材料主題展示區
原材料:導熱填料、聚合物基底材料、封裝材料等
導/散熱材料:熱界面材料、導熱高分子材料、碳材料、陶瓷基板、熱沉材料、相變材料〔儲熱）等
隔熱材料:氣凝膠、泡沫隔熱材料、真空板、碳氈、復合保溫隔熱材料等
輔助材料與配件:離型膜、雙面膠等
⒉液冷主題展示區
原材料:冷卻液，金屬材料等
零部件:快接頭，管路，膨脹閥，節流閥，
聚乙二醇作為相變材料，增強了儲熱能力。CNF/PAM增強了氣凝膠的結構。由于導電石墨烯和三種聚合物的協同作用，該雜化氣凝膠具有優異的形狀穩定性，橫向各向異性EMI SE為71.08 dB，縱向各向異性EMI SE為35.21 dB，并且具有有效的熱管理。
上述文獻表明，增強材料的結構穩定性可以通過加入聚合物和石墨烯進入氣凝膠壁。此外，聚合物可以填補氣凝膠內部的空隙，以加強排列結構。
然而，固有的泄漏問題和低儲熱效率阻礙了它們的廣泛應用。
大自然往往
是
應對這些挑戰的巨大靈感來源
，
近年來針對
實現先進熱能管理系統的自然策略
取得了突破性進展
。
本文從自然角度綜述了相變材料的結構設計和功能研究的最新進展。通過強調結構-功能關系，詳細討論了人體運動，醫學和智能熱管理設備等先進應用。
