蓄热技术的研究进展与应用.docx

　　 蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术, 可用于解决热能供给与需求失配的矛盾 , 在太阳能利用、电力的“移峰填谷” 、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景 , 目前已成为世界范围内的研究热点。
在化工生产和许多工业过程排放的废热是不连续的 , 要充分利用这些不稳定的能源 , 就需要采用蓄热技术 , 将这些热量暂时储存起来 , 在需要的时候再释放出去。这样既可以降低企业能耗 , 又可以减少由一次能源转变为二次能源时产生各种有害物质对环境的污染。
1. 蓄热方式
目前主要的蓄热方法有显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热三种。
显热蓄热是利用物质的温度升高来存储热量的。这种蓄热方式在各类蓄热方式中是最简单和最成熟的 , 应用也最广泛 , 可用于供暖和发电。
潜热蓄热是利用物质在凝固/熔化、凝结/气化、凝华/升华以及其他形式的相变过程中, 都要吸收或放出相变潜热的原理。根据相变温度高低 , 潜热蓄热又分为低温和高温两部分。低温潜热蓄热主要用于废热回收、太阳能储存以及供暖和空调系统。高温潜热蓄热可用于热机、太阳能电站、磁流体发电以及人造卫星等方面。高温相变材料主要采用高温熔化盐类、混合盐类和金属及合金等。高温熔化盐类主要是氟化盐、氯化物、硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐类物质。混合盐类温度范围宽广 , 熔化潜热大 , 但盐类腐蚀性严重 , 会在容器表面结壳或结晶迟缓。化学反应蓄热是指利用可逆化学反应的结合热储存热能。发生化学反应时 , 可以有催化剂 , 也可以没有催化剂 , 这些反应包括气相催化反应、气固反应、气液反应、液液反应等等。
2. 　 蓄热技术的应用
蓄热技术作为缓解人类能源危机的一个重要手
段 , 主要有以下几个方面的应用。
2.1 　 太阳能热储存
太阳能是巨大的能源宝库 , 具有清洁无污染、取用方便的特点 , 特别是在一些高山地区 , 如我国的甘肃、青海、西藏等地 , 太阳辐射强度大 , 而其他能源短缺 , 故太阳能的利用就更为普遍。但到达地球表面的太阳辐射 , 能量密度却很低 , 而且受地理、昼夜和季节等规律性变化的影响 , 以及阴晴云雨等随机因素的制约 , 其辐射强度也不断发生变化 , 具有显著的稀薄性、间断性和不稳定性。为了保持供热或供电装置稳定不间断地运行 , 就需要蓄热装置把太阳能储存起来 , 在太阳能不足时再释放出来 , 从而满足生产和生活用能连续和稳定供应的需要。几乎所有用于采暖、供应热水、生产过程用热等的太阳能装置都需要储存热能。即使在外层空间 , 在地球轨道上运行的航天器由于受到地球阴影的遮挡 , 对太阳能的接收也存在不连续、间断的特点 , 因此空间发电系统也需要蓄热系统来维持连续稳定的运行。太阳能蓄热技术包括低温和高温两种。水是低温太阳能蓄热系统普遍使用的蓄热介质 , 石蜡以及无机水合盐也比较常用; 高温太阳能蓄热系统大多使用高温熔化盐类、混合盐类、金属或合金作为蓄热介质。
2.2 　 电力调峰及电热余热储存
电力资源的短缺是人类长期面临的问题 , 但是电力资源的浪费却非常严重 , 如我国的葛洲坝水利枢纽工程 , 其高峰与低谷的发电输出功率分别为220万 kW和80 万 kW, 用电低谷发不出的电能只有通过放水解决。若能把这部分能源回收 , 则可大大缓解能源紧张状况。蓄热技术仍是目前回收未并网的小水电、风力发电的一个重要手段。
在电厂中采用蓄热装置可以经济地解决高峰负荷 , 填平需求低谷 , 以缓冲蓄热方式调节机组负荷更方便。采用蓄热装置可以节约燃料 , 降低电厂的初投资和燃料费用 , 提高机组的运行效率和改善机组的运行条件 , 从而提高电厂的运行效益和改善电厂的利用率 , 降低排气污染 , 改善环境。
在太阳能电站中 , 当负荷降低时 , 利用蓄热装置可以把热能暂时储存起来。由于太阳能自身不可避免的非连续性 , 蓄热器的放热不仅仅是由于高峰负荷的需要 , 也可由于供能的不足 (日照少或为零) , 或兼而有之; 蓄热器的储热不仅仅是由于负荷降低 , 也可由于供能过多 (日照过多) , 或兼而有之。因此 , 蓄热不仅削峰 , 而且填平了低谷。
蓄热技术在核电站中具有更大的吸引力。采用蓄热技术可使反应堆的运行最安全和最经济。对高峰负荷采用核电机组与蓄能相结合的形式可以减少单独的高峰负荷机组的需要量 , 同样还可减少低效率高峰机组使用的优质燃料 (如轻油、煤油、天然气等) 。这样核电站可以按基本负荷运行 , 燃料的温度交变降到最低限度 , 对燃料元件的损害就可以降到最低。采用蓄热技术 , 也使得核电站相当大的初投资得到充分的利用。
2.3 　 工业热能储存
目前工业热能储存采用的是再生式加热炉和废热蓄能锅炉等蓄能装置。采用蓄热技术来回收储存碱性氧气转炉或电炉的烟气余热以及干法熄焦中的废热 , 既节约了能源 , 又减少了空气污染以及冷却、淬火过程中水的消耗量。在造纸和制浆工业中 , 燃烧废木料的锅炉适应负荷的能力较差 , 采用蓄热装置后 , 可以提高其负荷适应能力。在食品工业的洗涤、蒸煮和杀菌等过程中 , 由于负荷经常发生波动 , 采用蓄热装置后就能很好地适应这种波动。纺织工业的漂白和染色工艺过程也可采用蓄热装置来满足负荷波动。
在采暖系统中热能的生产随需求的变化要随时调整 , 因此蓄热的作用显得更加重要。借助蓄热装置 , 可以降低能量转换装置以及二次能传输系统(区域热力管网) 的设计功率 , 因为在一年中只有较短的一段时间需要最大采暖功率。在电热采暖和供应热水的过程中 , 可以把用电时间安排到非高峰时期 , 从而降低运行成本。采用蓄热装置后 , 不存在部分负荷运行情况 , 能量的转换效率提高。采暖锅炉由于需求的波动导致锅炉启停频繁 , 则启停过程的能量损失非常大。采用蓄热装置后 , 有效地增加了系统蓄热容量 , 在一定范围内可以满足波动负荷的要求 , 从而降低锅炉启停的频率 , 降低能量消耗。
2.4 　 在太空中的应用
蓄热能在太空的利用主要有两种方式: 一种是目前普遍采用的光电直接转换系统 , 采用太阳能电池和化学蓄电池来提供稳定的电能; 另一种便是空间太阳能热动力发电技术 , 先将太阳能转化为热能 , 再利用热力循环将热能转化为电能。光电直接转换系统的优点是技术比较成熟 , 也比较简单 , 可靠性较好 , 但是它最大的缺点是提供的功率不能很高 (7 %10 %) , 而且寿命不长 , 如果航天器要求较长的使用寿命 , 太阳能电池板和化学蓄电池需要多次更换 , 大大增加了维护费用 , 所以只适合于功率较小、寿命不太长的卫星。前苏联的空间站也采用了这种方式。但是随着人类对太空探索的加速 , 必然提出对更高功率和更长寿命的空间电源系统的需求 , 而且要求在寿命期内的维护费用要低。这样就提出了新的太阳能热动力发电技术 , 来满足这些要求。首先它的能量转化效率较高 (20 %30 %) 再者它的寿命较长 , 可以保证 30 年不更换任何部件 , 这样将大大减少维护费用。20 世纪 80 年代末 , 美国在研制自由号空间站时 , 曾预计采用太阳能热动力发电系统 , 将会节省 3040 亿美元的费用但是太阳能热动力发电技术是一项新技术 , 从未在太空中试验过 , 它的性能、可靠性以及部件的优化方面还需要大量的研究工作 , 要投入大量的人力和资金 , 这是它面临的一个问题。但是从人类对太空探索的发展来看 , 这必将是最有前途的一种能源解决方案。
空间热动力发电系统主要分为三大部分 , 即集热器、吸热/储热器、能量转化部分 , 其他部件还有辐射器和回热器。能量转化部分主要包括涡轮发电机、压气机。它的主要工作原理是: 旋转抛物面型集热器将太阳辐射能聚集起来 , 反射到吸热/蓄热器腔体内 , 一部分能量被蓄热介质储存起来以外 , 其余能量用来加热流过吸热器的热机循环工质 , 被加热升温的循环工质在涡轮内膨胀做功 , 推动涡轮旋转 , 从而带动发电机发电。膨胀后冷却的循环工质经回热器释放热量给由压气机出来的高压工质 , 再经过辐射器进一步排热降温 , 之后进入压缩机压缩 , 通过回热器预热 , 再次进入吸热器 , 完成一个循环工作过程。
美国从60 年代就开始了吸热/蓄热器的研究 ,G arrett 公司先后设计了3 kW、1015 kW的空间热动力装置 , 试制了各主要部件 , 并进行了大量的部件性能试验。作为一种先进的空间太阳能供电方式 , 空间太阳能热动力电站首先对未来的空间探索有着重要的意义。随着人类对太空探索工作的增加 , 特别是建立永久空间站、空间基地、探索月球、探索火星 ,甚至到未来的探索太阳系外的宇宙 , 电力需求将是一个十分紧迫的任务。另外这种先进空间太阳能供电方式也将为解决地面的能源危机提供很好的解决方案。美国已经提出了在 21 世纪中叶左右发展一个116 GW的空间电站 , 再利用微波系统将电力传回地面利用。如果这一系统实现的话 , 将是人类能源技术的一个历史性的进步 , 人类将真正迈入利用清洁能源的时代。
3. 　 蓄热技术的近期发展及未来展望
随着人类对节约能源、开发新能源和环境保护的重视 , 蓄热技术受到世界各国越来越多的重视 ,并不断取得进展。
(1) 利用浓度差蓄热的吸收式热泵又称化学热泵 , 作为蓄热和低品位废热升级利用的有效技术装置受到人们的重视 , 很多公司竞相开发。
(2) 低温蓄热技术尤其是 0 ℃时的潜热蓄热(储存冰) 是一种非常有效的蓄热方法。利用昼间放热、夜间储冰的0 ℃ 低温潜热蓄热 (储存冰) 技术已成为当前空调行业的研究开发热点 , 并成为重要的节能手段。
(3) 高温蓄热方面 , 80 年代中期美国自由号空间站计划的实施 , 极大地推动了高温相变潜热蓄热技术的发展。人类空间探索规模的不断扩大和活动的增多 , 必然促进高温相变蓄热技术不断取得进展和走向成熟。
(4) 随着纳米技术的发展 , 将纳米技术与复合相变蓄热材料结合 , 制备新型、高效的纳米复合材料蓄能相变材料对提高我国能源利用效率、保护环境具有十分重要的现实意义。
总之, 随着人类社会对环境保护、节能降耗、减少污染的要求越来越高, 对蓄热技术的需求也就会越来越强烈, 必然促进蓄热技术持续快速的发展。