儲熱材料
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
儲熱材料的視頻教程
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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儲熱材料的實例教程
2 結果與分析
2.1 儲熱材料最佳比例
氧化鈣/氫氧化鈣儲熱材料在儲放熱循環的過程中會發生劇烈的體積變化，本文通過在顆粒外包覆一層燒結的殼體，使脫水過程中的體積收縮與水合過程中的體積膨脹都在殼體內部進行，殼體自身不發生形變，從而使顆粒整體保持形狀的穩定。但如果殼體內部儲熱材料過多，水合過程中儲熱材料的體積膨脹會對殼體造成較大的壓力，如圖1(a)所示，甚至出現將殼體脹破的現象。如果內部儲熱材料過少，則顆粒整體的儲熱密度過小。本文通過多次實驗探索了儲熱材料的最佳比例。取150 mg儲熱材料粉末進行預?；?，得到粒徑6 mm的預?；w粒，之后放入殼體漿狀物中進行包覆，通過調整漿狀物的含水量與包覆次數控制包覆層的質量。將包覆完成后的顆粒置于空氣中干燥并稱重，得到儲熱材料比例為20%～80%的核殼結構顆粒。儲熱材料比例計算公式如下：
其中， 為儲熱材料比例，150 mg為顆粒內儲熱材料質量， 為包覆后顆粒總質量。
圖1 脹破與完整的核殼結構顆粒
經過多次實驗，發現當儲熱材料比例為65%以上時，顆粒水合過程中將出現殼體脹破的現象，為保證顆粒不被脹破且具有一定強度，本工作所制備的核殼結構顆粒儲熱材料比例在50%～60%，如圖1(b)所示，得到了具有較高儲熱密度且不發生開裂的核殼結構顆粒。
2.2 微觀結構與化學成分
本工作核殼結構顆粒的殼體主要由直徑20～50 μm的碳化硅顆粒構成，使用掃描電子顯微鏡對殼體進行形貌觀察，如圖2所示，可以看到碳化硅顆粒之間形成了明顯的連接，正是這種連接使殼體具有一定的強度。
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 本研究探討了鋁硅合金用作高溫相變儲熱材料的循環穩定性，觀測了不同循環次數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電、高溫余熱回收系統的應用打下了基礎。
圖2 鋁硅合金相變材料的制備與可靠性研究：(a) 多次循環后的組織
形貌
；(b) 多次循環后的熱物性參數；(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化研究
盡管金屬是性能優異的相變材料，但基于經濟成本、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化也是克服有機物及無機鹽相變材料低導熱系數短板的途徑之一。
（1）管殼式相變儲熱單元傳熱結構的拓撲優化研究
肋片與流道等傳熱結構在性能穩定性、制造可行性、技術成熟性和經濟性等方面具備明顯優勢，非常適用于相變儲熱單元的傳熱強化，但其結構優化多半依靠工程經驗，缺乏明確的理論指導，難以實現傳熱效果最優化。本研究基于拓撲優化理論構建了二維相變儲熱單元肋片模型，研究了數值參數與最佳肋片構型的關聯機制，得到了熔化過程自然對流對最佳肋片構型的影響，驗證了優化后的肋片在傳熱過程中的優越性；基于拓撲優化理論建立了二維相變儲熱單元流道模型，討論了傳熱/流動權重系數對流道結構的作用機制，探究了優化流道結構的傳熱與流動特性，證實了拓撲優化對流道設計的可靠性。該研究成果可實現明確優化目標下肋片和流道結構的高自由度優化，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。
展開 科學家們正致力于開發鋰和鈷電池的回收技術，并基于其他材料設計電池。特斯拉計劃在未來幾年內生產無鈷電池。其他人的目標是用鈉代替鋰，鈉的性質與鋰非常相似，但地球上蘊藏量要豐富得多。
更安全的電池
另一個優先事項是使電池更安全。特別需要改進的領域是電解質，通常是液體，使得電荷從電池的陽極或負極端子流向陰極或正極端子。使用電池時，電解液中的帶電粒子四處移動，以平衡從電池中流出的電量。電解質通常含有易燃材料，如果泄漏可能過熱起火或熔化。
科學家們正在開發固體電解質，這將使電池更加堅固。顆粒在固體中的移動比在液體中的移動困難得多，但令人鼓舞的實驗室規模的實驗結果表明，這些電池在未來幾年內可以用于電動汽車，商業化的目標日期最早為2026年。
雖然固態電池非常適合消費電子產品和電動汽車，但對于大規模的能量儲存，科學家們正在研究液流電池，其電解液和電極都是液體。這種技術允許超快速充電，容易作出真正的大電池。目前，這些系統非常昂貴，科研的重點是降低成本。
將太陽能儲存為熱量
在某些情況下，其他可再生能源存儲解決方案的成本低于電池。例如，太陽能光熱發電廠使用鏡子來聚焦太陽光，從而加熱數百或數千噸鹽直到其融化。然后，這些熔鹽被用來驅動發電機，就像煤或核能被用來加熱蒸汽和驅動傳統電廠中的發電機一樣。這些儲熱材料也可以在陰天，甚至在晚上儲存起來發電，可以實現24小時發電。這種方案也可以適用于非太陽能發電技術。例如，風力發電產生的電可以用來加熱鹽，以便在不刮風的時候使用。
光熱太陽能聚焦發電仍然相對昂貴，為了與其他形式的能源生產和儲存競爭，光熱發電需要提高效率。實現這一目標的一種方法是提高鹽的加熱溫度，從而實現更高效的電力生產。
展開 它很容易發生熱失控導致大規模的火災事故。
近年來，各種電池模塊的冷卻方法得到了廣泛的研究。包括風冷和液冷在內的主動冷卻方式一般需要額外的輔助消耗設備和空間，這將相應地提高成本和重量。相比之下，基于相變材料PCM的電池熱管理系統(BTMS)因其結構設計簡單、冷卻效率高、維護成本低等優點而備受關注。聚乙二醇(PEG)作為一種節能環保的儲能材料材料引起了人們的廣泛關注，它被認為是一種相變材料是一種很有前途的儲熱材料熔點熱大，熔點均勻，無腐蝕性，熔點范圍寬。
然而，聚乙二醇是一種經典的固-液相變物質，必須包裝在其中特殊密封容器。為了解決這一典型的泄漏問題，采用熔融浸漬法制備了形狀穩定的PEG基CPCM。為提高了相變材料的導熱系數應進一步提高冷卻效果，一般來說導熱性能通過加入高導電性熱添加劑，如金屬粉末、碳納米管(CN)、石墨烯、氮化鋁(AlN)和膨脹石墨(EG)來優化。但是當導熱填料粉末作為導熱促進劑添加到PCM中，這些小顆粒會聚集在一起形成更大的團簇，這對形成連續換熱網絡有負面影響將限制優化熱導率。
復合相變材料（CPCMs）作為被動冷卻系統在電池組中具有很大的應用潛力。但其固有的漏電性和較低的導熱系數限制了其在實際應用中的廣泛應用。因此，探索一種有效、優越的電池熱管理系統(BTM)，確保電池在合適的溫度范圍內工作，抑制鋰電池的熱傳播，將極大地提高電動汽車的安全性，降低事故風險。
02
成果掠影
近期，北京理工大學的王永真教授，上海交通大學的黎燦兵教授和廣東工業大學的李新喜教授聯合取得新進展。
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儲熱材料的最新內容
具有高焓值的有機相變材料（PCM）是理想的儲熱和放熱材料，有望促進熱能利用，緩解能源短缺問題。然而，普通有機相變材料固有的吸光性差、導熱性差、形狀穩定性弱等缺點嚴重制約了太陽能的吸收、轉化和利用。
本研究探討了鋁硅合金用作高溫相變儲熱材料的循環穩定性，觀測了不同循環次數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電、高溫余熱回收系統的應用打下了基礎。
聚乙二醇(PEG)作為一種節能環保的儲能材料材料引起了人們的廣泛關注，它被認為是一種相變材料是一種很有前途的儲熱材料熔點熱大，熔點均勻，無腐蝕性，熔點范圍寬。
然而，聚乙二醇是一種經典的固-液相變物質，必須包裝在其中特殊密封容器。為了解決這一典型的泄漏問題，采用熔融浸漬法制備了形狀穩定的PEG基CPCM。
在航天器熱控領域，相變材料儲能技術常與其他技術結合使用．Creare公司Izenson
等
報道了一種用于小型衛星熱控系統的新型儲熱技術并對其進行了測試，該技術通過采用相變材料儲熱單元以期提高系統環路熱管的熱穩定性，測試結果表明合適的相變材料選擇通常取決于熱環境、熱控系統和熱負載的特性，合理的儲熱系統設計能顯著降低溫度波動．
儲熱材料比例計算公式如下：
其中， 為儲熱材料比例，150 mg為顆粒內儲熱材料質量， 為包覆后顆粒總質量。
這些儲熱材料也可以在陰天，甚至在晚上儲存起來發電，可以實現24小時發電。這種方案也可以適用于非太陽能發電技術。例如，風力發電產生的電可以用來加熱鹽，以便在不刮風的時候使用。
光熱太陽能聚焦發電仍然相對昂貴，為了與其他形式的能源生產和儲存競爭，光熱發電需要提高效率。實現這一目標的一種方法是提高鹽的加熱溫度，從而實現更高效的電力生產。
相變儲熱技術利用相變材料的相變潛熱儲存大量的熱量，可以達到緩解溫度沖擊、抑制溫升的作用，石蠟是常用的相變儲熱材料。相變傳熱技術利用工質的氣液相變循環實現高效傳熱的技術。熱管是常用的相變傳熱器件之一，主要包括殼體、吸液芯和工質三部分，其工作原理如圖15所示。
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。
以手機為例，其散熱路徑可簡化如下圖所示:
圖4手機熱流路徑[3]
我們以消除某個面的局部熱點這一問題為例，采用的手段有如下幾種：
1) 使用高導熱材料將局部熱量擴散開，降低局部高溫；
2) 使用隔熱材料，阻止熱量傳遞到此方向；
3) 使用高導熱材料，將熱量拉往相反方向，間接降低通往此面的熱流；
4) 使用儲熱材料，當熱量不可避免地傳遞至此點時
高嶺土是先進陶瓷、功能填料、催化劑等材料，用途包括陶瓷工業、造紙工業、涂料、耐火材料及水泥工業、石油化工和醫藥紡織等多個領域，在戰略性新興產業用于建筑相變儲熱材料
