儲熱材料的案例
莫雅超 等：CaO/Ca(OH)2核殼結構顆粒的制備及其儲熱性能
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粒化，得到粒徑6 mm的預粒化顆粒，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 電力“國家隊”看好哪些長時儲能技術？
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 相變儲熱及卡諾電池研究進展
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 實現100%可再生能源需要儲能技術在這三方面的突破
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 
一種用于電池熱管理系統的高導熱防漏復合相變材料
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。
展開 戰略性新興產業離不開的10大非金屬礦
8、高嶺土
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、太陽能儲能材料、生物醫藥、吸附材料、分子篩原料。
9、滑石
滑石用作耐火材料、造紙、橡膠的填料、絕緣材料、潤滑劑、農藥吸收劑、皮革涂料、化妝材料及雕刻用料等。
展開 封偉Chem Soc Rev：偶氮基光熱能的設計、性能和應用
迄今為止，已經有許多理論計算和實驗，致力于改善小分子偶氮光熱材料的性能。表1總結了用于單純小分子偶氮苯及其衍生物的能量密度和半衰期。從表1中可以看出，在未取代的偶氮上接枝官能團使能量密度增加了80％。這些結果表明，對偶氮苯分子進行適當的設計修飾可能是設計固態偶氮光熱材料材料的有效策略。
表一：單純小分子偶氮苯及其衍生物的能量密度和半衰期
3.2納米碳模板化的偶氮光熱燃料
盡管偶氮苯光電開關的分子設計工程可以增加偶氮苯光熱材料的儲能性能，但是需要解決一些障礙，例如半衰期短和放熱有限。為了克服這些挑戰，Grossman的研究小組最近開發了一套新型的偶氮光熱材料，其中偶氮苯光催化劑與不同的強力碳基模板結合，如石墨烯，碳納米管（CNT）和C60（圖2a）。使用第一性原理計算，他們預測這些光熱材料可以可逆地儲存太陽能，密度與鋰離子電池相當，潛在的外部效率高達35％，可調熱穩定性從幾分鐘到幾年。如圖2b所示，與使用未取代的偶氮苯的體系相比，納米碳模板化的偶氮-光熱材料的關鍵基本性質可以通過利用具有不同幾何形狀和電子性質的碳模板在很大程度上協調。預計使用碳基材料的模板化偶氮苯不僅可以提高所得光熱材料的能量密度和儲存壽命，還可以提高光學和電子性質，熱穩定性，化學耐久性以及觸發放熱反應時的溫度。
圖2 （a）納米碳模板化的偶氮苯材料的理論計算；（b）納米碳模板化偶氮苯材料的儲熱量和放熱能壘的計算。
表2總結了納米碳模板化的偶氮苯光熱材料材料的能量密度，半衰期和接枝密度。從表2中可以得出以下結論：（i）能量密度隨著接枝密度的增加而增加。然而，接枝密度受到反應性的降低，偶氮苯的空間位阻和納米片的堆積的限制。
展開 電子產品熱管理現狀和未來技術方向思考
圖4 人體皮膚構造的熱設計解讀[3]
人體進化緩慢，并不會在短時間內因為電子產品的溫度控制問題越來越難而適應更高的表面溫度。因此，表面溫度的控制，仍將是可觸摸類電子產品的關鍵熱設計挑戰。
從傳熱學角度入手分析，電子產品的散熱難度取決于內外兩個因素：
• 內：產品發熱量和溫度控制目標值
• 外：可用的散熱手段
以手機為例，內外兩個方面的特點都決定了產品散熱難度的逐年提高。下圖中展示的功耗趨勢僅統計到2018年，其功耗最高約為5W，實質上，受限于空間和材料熱特性，2021年主流的機型，其功耗上限仍然在5W附近，但芯片實際功耗上限遠不止5W，也就是說，從某種程度上講，熱設計技術限制了芯片性能的發揮。
圖3手機熱設計面臨的挑戰：功耗增加，外觀要求越來越高，散熱空間愈加狹小[4]
已知的熱量傳遞方式就只有與熱傳導、熱對流和熱輻射三種（第四種傳熱方式理論剛剛被發現，即使屬實，其所作傳熱貢獻在電子產品的應用場景中也微乎其微，本文忽略[5]）。隨著電子產品散熱問題愈加突出，消費類電子產品的熱設計呈現出立體化、材料的組合應用趨勢。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，延緩溫度上升的速率
在消費電子終端產品中，這四種方式正在被組合使用。
展開 高質量各向異性石墨烯氣凝膠及其導熱相變復合材料，用于高效太陽能-熱-電能轉換
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。近日，北京化工大學李曉鋒教授、于中振教授團隊通過在 2800 °C 下進行單向冷凍、凍干、碳化和石墨化，首次設計出了由預氧化聚丙烯腈（OPAN）/氧化石墨烯（GO）成分制成的高質量各向異性石墨烯氣凝膠。GO成分能有效地誘導OPAN成分的取向和石墨化，并在石墨化過程中將其轉化為石墨碳。在用石蠟進行真空輔助浸漬后，得到了一種最佳的導熱相變復合材料（PCC），在石墨烯含量為1.07 Vol%的低水平下，其通面導熱系數提高到了4.36Wm
-1K
-1，形狀穩定性得到改善，潛熱保持率高達99.7%。得益于出色的光吸收和太陽-熱轉換能力，PCC在太陽-熱-電能量轉換應用中非常高效，在5kWm
-2 的模擬太陽光照射下，輸出電壓高達1181mV。通過釋放存儲在PCC中的熱能，即使在太陽光停止照射后，它也可以繼續為LED燈供電。這項工作為制造具有高潛熱保持率的導熱PCC提供了一種可行而有效的方法，用于高效的太陽能-熱能-電能轉換。相關研究成果以“High-Quality Anisotropic Graphene Aerogels and Their Thermally Conductive Phase Change Composites for Efficient Solar–Thermal–Electrical Energy Conversion”為題發表于《ACS Sustainable Chem. Eng.》。
圖1.（a） PG氣凝膠及其石蠟相變復合材料的制造示意圖。
展開 電機散熱系統的研究現狀與發展趨勢
圖13 針對不同槽型設計的槽內熱路散熱方案
Fig.13 Cooling schemes of internal thermal circuit
for different slot designs
POLIKARPOVA等在軸向磁通永磁同步電機的定子與機殼之間安裝了導熱銅棒，同時在電機繞組端部與機殼之間灌封了導熱陶瓷材料，如圖14所示，采用有限元仿真與實驗測試相結合的方法驗證了散熱方案的有效性，結果表明該方案可以降低繞組溫升13～17 ℃。
圖14 采用導熱膠和銅棒增強散熱的水冷電機
Fig.14 Potting material and copper bars enhanced
water cooling motor
近年來，相變熱管理技術得到了飛速發展，在大功率LED、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、筆記本電腦和智能手機等高熱流密度電子器件中得到了廣泛應用。相變熱管理技術主要包括相變儲熱技術和相變傳熱技術兩大類。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。熱管的殼體是密封結構并進行了抽真空處理，吸液芯附著在殼體內壁，工質在蒸發段遇熱氣化并吸收大量的熱量，導致蒸發段氣體壓力上升并驅動工質氣體向冷凝段移動；蒸汽在冷凝段遇冷液化并釋放熱量，冷凝后的液態工質在吸液芯的驅動下回到蒸發段。
圖15 熱管工作原理
Fig.15 Working principle of heat pipe
將相變熱管理技術應用于電機散熱系統，在電機高發熱部件與冷卻殼體之間搭建額外相變熱路，可以有效延長電機穩定運行時長、抑制電機溫升，實現電機高效散熱。
展開 綜述 \\ 星載有源相控陣天線熱控技術研究進展
鑒于相變材料在緩解熱量生成和排放在時間、強度及地點上不匹配方面的突出優勢，有不少研究者考慮應用相變材料提高目標設備的熱穩定性．日本名古屋大學Yamada
等
針對小型衛星的熱控需求，提出了一種名為儲熱板(heat storage panel，HSP)的熱控設備．儲熱板由二十烷和高熱導率瀝青基碳纖維增強聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)制成的薄板容器組成，與其他相變材料儲熱裝置相比，儲熱板具有外形薄、比強度高、熱擴散率高等優點．
美國國家航空和航天局 Goddard航天中心Cho
i
采用微型石蠟包熱控方案用于滿足IceCube中微子探測器上微透鏡陣列和中頻組件等設備的20℃和±1℃溫度波動的熱穩定性需求．
Roccor公司Isaacs
等
基于鋁粉直接金屬激光燒結方法研制了用于立方體衛星(CubeSat)熱控的相變材料平板，該方案所用相變材料為石蠟，其在滿足溫度穩定性要求的同時還可減輕組件的質量．
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．
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