隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求快速增長(zhǎng)。然而，化石燃料能源快速消耗不僅引發(fā)了能源危機(jī)，同時(shí)造成了二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物的大量排放，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境。因此，節(jié)能降耗減排已成為現(xiàn)階段能源領(lǐng)域的發(fā)展目標(biāo)。
以風(fēng)電、光電為代表的新能源發(fā)電裝機(jī)總量迅速增長(zhǎng)，但是新能源發(fā)電的波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的沖擊也導(dǎo)致了大面積的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象?；诖?，耦合新能源發(fā)電的儲(chǔ)能技術(shù)近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注，其能夠克服風(fēng)光發(fā)電波動(dòng)性的不利影響，顯著提高能源利用效率，對(duì)于“雙碳”綠色發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。
儲(chǔ)能是指通過(guò)介質(zhì)或設(shè)備把能量以某種形式存儲(chǔ)起來(lái)，需要時(shí)再以特定形式釋放出來(lái)的過(guò)程。其中，熱儲(chǔ)能亦稱(chēng)為儲(chǔ)熱，是重要的儲(chǔ)能形式之一。熱儲(chǔ)能可以與光熱發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)、風(fēng)力發(fā)電耦合，實(shí)現(xiàn)電力靈活調(diào)峰、清潔供熱和清潔能源消納，另外在冷鏈運(yùn)輸、智能建筑方面也具有重要的應(yīng)用潛力。
熱儲(chǔ)能的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮螅?020年全球熱儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)約234 GW·h，據(jù)國(guó)際可再生能源署測(cè)算，到2030年，全球熱儲(chǔ)能規(guī)模將增長(zhǎng)3倍。熱儲(chǔ)能分為顯熱儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)能（或稱(chēng)為潛熱儲(chǔ)能）和熱化學(xué)儲(chǔ)能3種方式。
為了進(jìn)一步提高熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率，不同研究機(jī)構(gòu)針對(duì)各類(lèi)熱儲(chǔ)能材料和相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)開(kāi)展了大量的研究工作，特別是在相變儲(chǔ)能材料的開(kāi)發(fā)與封裝方面有了重要進(jìn)展。
本文首先對(duì)比了不同熱儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，然后針對(duì)基于相變儲(chǔ)能的材料開(kāi)發(fā)和封裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)論述，對(duì)相變儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和今后的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
熱儲(chǔ)能技術(shù)
熱儲(chǔ)能是指將熱能儲(chǔ)存在特定的介質(zhì)中，并在需要時(shí)轉(zhuǎn)化為電能或其他形式能源的技術(shù)。顯熱儲(chǔ)能利用材料的吸熱升溫和放熱降溫過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱，具有材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟度高等優(yōu)勢(shì)。顯熱儲(chǔ)能材料有液體和固體2類(lèi)，液體材料主要為水，固體材料主要為礫石和土壤。受限于儲(chǔ)能材料能量密度和熱導(dǎo)率較低的性質(zhì)，顯熱儲(chǔ)能技術(shù)存在儲(chǔ)能周期短、儲(chǔ)熱量小、無(wú)法保持恒溫等缺點(diǎn)，無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)大規(guī)?？缂竟?jié)熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用需求。
相變儲(chǔ)能主要利用材料的相變過(guò)程潛熱來(lái)儲(chǔ)存和釋放熱量，因此又稱(chēng)為潛熱儲(chǔ)能。相變過(guò)程中材料自身溫度幾乎維持不變，相變材料凍結(jié)時(shí)以潛熱的形式釋放大量的能量，并在熔化時(shí)直接從環(huán)境中吸收等量的能量。相比于顯熱儲(chǔ)能，相變儲(chǔ)能過(guò)程更加可控，材料儲(chǔ)能密度也更大，儲(chǔ)能周期更長(zhǎng)，并且能夠滿(mǎn)足供熱或供冷的需求。
但是相變材料的價(jià)格較顯熱儲(chǔ)能材料更高，相變儲(chǔ)能的技術(shù)成熟度也不如顯熱儲(chǔ)能?，F(xiàn)有的相變材料種類(lèi)繁多，相變儲(chǔ)能的儲(chǔ)熱量主要與相變材料的性質(zhì)有關(guān)，受外界條件影響較小，因此相變儲(chǔ)能的關(guān)鍵在于強(qiáng)化材料自身導(dǎo)熱能力和系統(tǒng)對(duì)外換熱能力。此外，相變材料還需要具備穩(wěn)定的化學(xué)性能、較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、環(huán)境污染小、無(wú)腐蝕性等特點(diǎn)。
熱化學(xué)儲(chǔ)能利用可逆的吸、放熱化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行儲(chǔ)能，能量以化學(xué)鍵的形式存儲(chǔ)在化學(xué)材料中，化學(xué)鍵斷裂則釋放能量。熱化學(xué)儲(chǔ)能材料主要包括金屬氫化物、氧化物、氫氧化物、過(guò)氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽等。
相比于前兩種蓄熱儲(chǔ)能方式，熱化學(xué)儲(chǔ)能儲(chǔ)熱密度大，可以長(zhǎng)距離運(yùn)輸，跨季節(jié)儲(chǔ)存，并且儲(chǔ)存穩(wěn)定，熱量損失低。然而，熱化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)復(fù)雜度也更高，且面臨循環(huán)效率低、運(yùn)維要求高、反應(yīng)條件苛刻、儲(chǔ)能體系壽命短、儲(chǔ)能材料對(duì)設(shè)備的腐蝕性大、一次性投資高等問(wèn)題。
此外，熱化學(xué)儲(chǔ)能正向和逆向反應(yīng)通常所需的溫度、壓力等反應(yīng)條件有較大差別。現(xiàn)階段，熱化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。
相變材料
由于相變儲(chǔ)能溫度基本恒定，便于控制，規(guī)模化應(yīng)用潛力巨大，當(dāng)前研究多聚焦于不同場(chǎng)景下的相變材料。相變材料是指在某一特定溫度下發(fā)生物理相態(tài)變化，以實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和釋放的潛熱儲(chǔ)能材料。
相變溫度、潛熱、比熱容、熱導(dǎo)率等是表征相變材料的重要性能指標(biāo)。相變溫度決定了相變儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景，典型相變材料石蠟、脂肪酸、多元醇、酯、烷烴、冰、結(jié)晶水合鹽、金屬合金、熔融鹽的性質(zhì)見(jiàn)表1。
相變材料種類(lèi)繁多，通常有按照相態(tài)、組成成分、相變溫度3種分類(lèi)方式。按照相態(tài)變化可以分為固-氣、液-氣、固-固和固-液相變材料。固-氣和液-氣相變材料在相變過(guò)程中體積變化較大，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)面臨較大的安全問(wèn)題。
固相變材料是通過(guò)其晶體結(jié)構(gòu)變化實(shí)現(xiàn)熱量的吸收或釋放，實(shí)際能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中并不存在相態(tài)的變化。例如，季戊四醇、高密度聚乙烯、Li2SO4等。固-固相變材料的潛熱較低，且不適合與其他材料制備復(fù)合相變材料，因此規(guī)?；瘧?yīng)用潛力較低。
相比之下，固-液相變材料在相變過(guò)程中體積變化不明顯，相變潛熱比固-固相變要高，規(guī)?；瘧?yīng)用的潛力更大。水合鹽、石蠟是常見(jiàn)的固-液相變材料。但是，固-液相變材料在相變過(guò)程中有泄露的風(fēng)險(xiǎn)，循環(huán)利用效率低。
相變材料按照組成成分可以分為無(wú)機(jī)相變材料（無(wú)機(jī)鹽、無(wú)機(jī)鹽水合物、冰、金屬合金等）、有機(jī)相變材料（石蠟、有機(jī)酸、多元醇等）和共晶相變材料（有機(jī)和無(wú)機(jī)材料之間共晶物）。
無(wú)機(jī)相變材料廉價(jià)易得且熱導(dǎo)率較高，但容易發(fā)生相分離，循環(huán)穩(wěn)定性較差；相比之下，有機(jī)相變材料過(guò)冷度低，性能較穩(wěn)定，相變溫度較低，但通常熱導(dǎo)率較低。共晶相變材料通過(guò)多種材料共混形成，其相變溫度通常低于所有原料的相變溫度，因此可以通過(guò)組分調(diào)變來(lái)控制共晶材料的相變溫度，滿(mǎn)足不同儲(chǔ)能場(chǎng)景的溫度要求。
相變材料按照相變溫度可以分為低溫（<100℃）、中溫（100~250℃）、高溫（>250℃）相變材料。
中低溫相變材料包括硅藻土、膨脹蛭石和膨脹珍珠巖等。高溫相變材料主要為熔融鹽、金屬合金等。其中，熔融鹽具有比熱容高，對(duì)流傳熱系數(shù)高，熱穩(wěn)定性高，飽和蒸氣壓低，黏度低和價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，是大規(guī)模中高溫儲(chǔ)熱技術(shù)的較為合適的選擇。
商用光熱發(fā)電項(xiàng)目通常使用二元硝酸熔融鹽作為儲(chǔ)熱材料，最高儲(chǔ)熱溫度為565℃。全球投運(yùn)的熔融鹽儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)3.4 GW，我國(guó)熔融鹽儲(chǔ)能裝機(jī)已達(dá)0.5 GW。
