Technologia magazynowania ciepła: poprawa efektywności kompleksowego wykorzystania energii cieplnej
Obecnie w wielu systemach wykorzystania energii istnieje sprzeczność między niedopasowaniem podaży i popytu na energię, co skutkuje nieracjonalnym wykorzystaniem energii i dużą ilością odpadów. Efektywność energetyczna, taka jak energia słoneczna i przemysłowe ciepło odpadowe, jest niska, co nie tylko powoduje marnotrawstwo zasobów, ale także powoduje znaczne zanieczyszczenie termiczne środowiska atmosferycznego.
Z tego powodu poprawa konwersji i wykorzystania energii stała się głównym problemem, który kraje muszą traktować priorytetowo we wdrażaniu strategii zrównoważonego rozwoju, a rozwój technologii magazynowania ciepła w celu wszechstronnego i efektywnego wykorzystania energii cieplnej ma ogromne znaczenie.
Dostępne obfite zasoby
Energia słoneczna jest najważniejszym podstawowym źródłem energii wśród odnawialnych źródeł energii. Jest"niewyczerpane i niewyczerpane" i jest szeroko rozpowszechniony i wolny od zanieczyszczeń. Jest to ekonomiczna czysta energia. Słońce może uwolnić energię 391×1021 kW na sekundę. Nawet jeśli energia wypromieniowana na powierzchnię Ziemi wynosi tylko jedną-2,2 miliardową, jest to równowartość 80 000 razy większej niż światowa produkcja energii'. mój kraj jest stosunkowo bogatym krajem w energię słoneczną. Ponad dwie trzecie kraju ma roczne promieniowanie słoneczne ponad 6 GJ·m2 i ponad 2200 godzin rocznie. Roczna energia promieniowania słonecznego otrzymywana przez powierzchnię ziemi' w moim kraju wynosi około 50×1019 kJ, co odpowiada 170 miliardom ton standardowego węgla. Tak obfite zasoby energii słonecznej stwarzają również dobre warunki dla rozwoju i wykorzystania energetyki słonecznej w moim kraju'. Przemysłowe ciepło odpadowe pochodzi głównie z takich branż jak metalurgia, materiały budowlane i chemikalia. Statystyki z 2010 r. wykazały, że przemysłowe zasoby ciepła odpadowego stanowiły aż 67% całkowitego ciepła paliwowego, z czego współczynnik odzysku osiągnął 60%. Jednak ogólny stopień wykorzystania zasobów ciepła odpadowego w moim kraju jest niski, a stopień wykorzystania ciepła odpadowego w dużych przedsiębiorstwach hutniczych wynosi około 30%. ~50%.
W moim kraju jest duże pole do poprawy stopnia wykorzystania przemysłowych zasobów ciepła odpadowego. Weźmy na przykład przemysł metalurgiczny. W 2010 roku produkcja stali surowej w moim kraju wyniosła 627 milionów ton. Energia zawarta w wytworzonych spalinach była równoważna 30 milionom ton standardowego węgla, ilość wytworzonego żużla stalowniczego około 280 milionów ton, a zawarta energia cieplna była równoważna 10 milionom ton standardowego węgla. . Obecnie stopień wykorzystania ciepła odpadowego gazów spalinowych w krajowych przedsiębiorstwach hutniczych wynosi około 30%, a stopień wykorzystania ciepła odpadowego z żużla stalowniczego i żelaza jest prawie zerowy. Jeśli stopień wykorzystania ciepła odpadowego gazów spalinowych można zwiększyć do 90%, a stopień wykorzystania ciepła odpadowego z żużla stalowniczego można zwiększyć do 60%, można zaoszczędzić 21,6 miliona ton standardowego węgla rocznie, redukcja emisji CO2 o około 50 milionów ton i można wytworzyć 3,3 miliarda kWh energii.
Widać, że odzysk ciepła odpadowego jest głównym wymogiem strategii energetycznej mojego kraju', z niewymiernymi korzyściami gospodarczymi i ma ogromne znaczenie dla rozwoju gospodarczego mojego kraju', postępu społecznego oraz bezpieczeństwo energetyczne kraju. Jednak niezależnie od tego, czy jest to energia słoneczna, czy przemysłowe źródła ciepła odpadowego, występują problemy okresowe i niestabilne, które poważnie utrudniają promocję i stosowanie powiązanych technologii.
Pilne zapotrzebowanie na technologię magazynowania ciepła utajonego w średniej i wysokiej temperaturze
Zastosowanie technologii magazynowania ciepła może złagodzić sprzeczność między podażą a zapotrzebowaniem na energię cieplną pod względem czasu, intensywności i przestrzeni oraz jest ważnym środkiem optymalizacji działania systemów energii cieplnej. Magazynowanie ciepła obejmuje głównie trzy formy: magazynowanie ciepła jawnego, magazynowanie ciepła utajonego i magazynowanie ciepła w wyniku reakcji chemicznych.
Magazynowanie ciepła reakcji chemicznych jest nadal w fazie badań eksperymentalnych ze względu na złożony system, trudności techniczne i słabą operacyjność; chociaż sensowna technologia magazynowania ciepła jest szeroko stosowana, magazynowanie ciepła jest spowodowane niską gęstością magazynowania ciepła na jednostkę objętości materiałów do magazynowania ciepła Duża ilość materiałów sprawia, że system magazynowania ciepła o dużej pojemności jest nieporęczny, skomplikowany w procesie i kosztowny .
Magazynowanie ciepła utajonego polega na wykorzystaniu ciepła utajonego uwolnionego lub pochłoniętego przez proces przemiany fazowej materiału magazynującego ciepło do magazynowania i uwalniania ciepła. W porównaniu z technologią magazynowania ciepła jawnego, magazynowanie ciepła utajonego ma tę zaletę, że ma dużą gęstość magazynowania ciepła na jednostkę objętości i ma większą absorpcję i uwalnianie energii w zakresie temperatur przejścia fazowego, a zakres temperatur magazynowania i uwalniania jest wąski, co jest korzystne ładować i uwalniać Temperatura procesu termicznego jest stabilna.
Aby poprawić wydajność konwersji energii i obniżyć koszty, technologia wykorzystania energii słonecznej zmierza w kierunku wyższych temperatur roboczych. Temperatura pracy wytwarzania energii cieplnej przekroczyła 600°C, a temperatura dużej ilości przemysłowego ciepła odpadowego jest również bardzo wysoka (np. temperatura spalin konwertera wynosi około 1600°C).
Wszyscy oni pilnie potrzebują badań i rozwoju technologii magazynowania ciepła utajonego w średniej i wysokiej temperaturze. Chociaż wielu naukowców w kraju i za granicą od dawna prowadzi badania na różnych poziomach, takich jak materiały i procesy, do tej pory nadal nie ma dojrzałego średnio- i wysokotemperaturowego systemu magazynowania ciepła utajonego, który działa stabilnie.
Po wielu latach pogłębionych badań w tej dziedzinie przez wiele krajowych i zagranicznych jednostek naukowych, w połączeniu z aktualnym stanem i trendami rozwoju technologii krajowych i zagranicznych, uważa się, że technologia średnio- i wysokotemperaturowego magazynowania ciepła utajonego napotyka głównie na: nierozstrzygnięte problemy.
Po pierwsze, brakuje materiałów do magazynowania ciepła utajonego o średniej i wysokiej temperaturze o wszechstronnych właściwościach, takich jak wysoka gęstość magazynowania ciepła i silne przewodnictwo cieplne. Podstawą technologii magazynowania ciepła utajonego są materiały zmiennofazowe. Obecnie prowadzone są szeroko zakrojone badania nad niskotemperaturowymi materiałami akumulacyjnymi (& lt;100 °C) na bazie parafiny i soli uwodnionej, które znalazły również zastosowanie w budownictwie i odzieży. Jednak wciąż brakuje średnio- i wysokotemperaturowych materiałów do akumulacji ciepła, zwłaszcza materiałów do akumulacji ciepła o wysokiej temperaturze przemiany fazowej o temperaturze topnienia>600°C.
Po drugie, średnio- i wysokotemperaturowe materiały magazynujące ciepło z przemianą fazową to głównie sole i stopy nieorganiczne. Z jednej strony wybór materiałów kandydujących wymaga dogłębnego zrozumienia termodynamiki i mechanizmów kinetycznych procesu przemian fazowych materiału. Z drugiej strony konieczne jest ujawnienie wpływu mikrostruktury na właściwości termiczne materiałów w dwóch aspektach: zwiększonej wymiany ciepła i efektywnego magazynowania ciepła.
Ponadto enkapsulacja materiałów o przemianie fazowej ciecz-ciało stałe oraz zanik ich właściwości cieplnych podczas procesu serwisowego są również niezbędnymi treściami w badaniach materiałów o przemianie fazowej średnio- i wysokotemperaturowej. Jest to często problem wąskiego gardła w badaniach i rozwoju takich materiałów. Opracowane zostaną wysokowydajne materiały do akumulacji ciepła
Wielu naukowców w kraju i za granicą badało metale jako materiały magazynujące ciepło. W 1980 Birchenall i in. zmierzyli i przeanalizowali właściwości termofizyczne stopów dwu- i trójskładnikowych składających się z Al, Cu, Mg, Si i Zn, które występują na ziemi i ustalili, że temperatura przejścia fazowego mieści się w zakresie 780–850 K i jest bogata w Si. Lub stopy Al mają najwyższą gęstość magazynowania ciepła, a następnie przeprowadzono szeroko zakrojone badania materiałów do magazynowania ciepła z przemianą fazową na bazie aluminium i stopów krzemu.
Nieorganiczne materiały solne mają szeroki zakres źródeł, duże wartości entalpii przemiany fazowej i umiarkowane ceny, i są szczególnie odpowiednie do stosowania jako średnio- i wysokotemperaturowe materiały do magazynowania ciepła z przemianą fazową. Naukowcy zbadali właściwości termofizyczne stopionej soli o temperaturze wyższej niż 450 ℃, rozszerzyli zastosowanie nieorganicznej soli eutektycznej o zakresie temperatur od 220 ℃ do 290 ℃ na dziedzinę wytwarzania energii słonecznej, a także przeszli testy, takie jak dyferencjał kalorymetria skaningowa. Metodą zmierzono właściwości termofizyczne stopionej soli.
Ponadto szybkość zmiany objętości wielu układów stopionych soli przed i po zmianie fazowej przekracza 10%. Większa szybkość zmiany objętości zwiększa puste przestrzenie w układzie materiału o przemianie fazowej stopionej soli, wpływa na szybkość magazynowania/uwalniania ciepła i zwiększa magazynowanie ciepła. Trudność projektowania urządzeń systemowych zmniejsza wydajność magazynowania ciepła. Z tego powodu naukowcy zbadali zgodność materiałów magazynujących ciepło z przemianą fazową stopionej soli ze stalą nierdzewną, a wyniki pokazują, że stal nierdzewna ma dobre działanie antykorozyjne na większość stopionych soli.
Jednocześnie wydajność cyklu trójskładnikowych stopów na bazie aluminium materiałów zmiennofazowych i kompatybilność z pojemnikami; kompatybilność stopionych soli fluorkowych ze stalami stopowymi zawierającymi kobalt, nikiel i metale ogniotrwałe; kompatybilność wodorotlenku litu z konstrukcyjnymi materiałami stopowymi W innych aspektach naukowcy prowadzili również badania.
Chociaż osiągnięto pewne wyniki w badaniach średnio- i wysokotemperaturowych materiałów magazynujących ciepło z przemianą fazową, koszt materiałów przemiany fazowej metali i stopów jest wysoki, a gęstość magazynowania ciepła na jednostkę masy jest ograniczona. Ponadto aktywność chemiczna materiałów o przemianie fazowej stopów metali jest silniejsza po zmianie fazy. Ciężka korozja wysokotemperaturowa znacznie ogranicza jej szerokie zastosowanie w zakresie średnio- i wysokotemperaturowego magazynowania ciepła.
Jako materiał magazynujący ciepło z przemianą fazową, stopiona sól ma dużą entalpię przemiany fazowej, wysoką gęstość magazynowania ciepła i umiarkowaną cenę. Posiada duży potencjał rozwojowy w zakresie średnio- i wysokotemperaturowych zastosowań magazynowania ciepła. Jednak stopiona sól ma słabą przewodność cieplną i ma poważne problemy z korozją wysokotemperaturową w przypadku materiałów o przemianie fazowej stopów metali, co nadal stanowi problem, który ogranicza stosowanie zgorzeliny.
Dlatego rozwój wysokosprawnych materiałów akumulacyjnych ciepła i metod ich przygotowania jest nieuniknionym trendem w badaniach średnio- i wysokotemperaturowych materiałów akumulacyjnych i nieuchronną drogą rozwoju technologii akumulacji ciepła.
Rozproszenie energii słonecznej, przemysłowe ciepło odpadowe, duża rozpiętość energetyczna oraz nieciągły charakter energii odnawialnej wymagają średnio- i wysokotemperaturowej technologii magazynowania ciepła ze zmianą fazową.
Badania technologii wielkoskalowego magazynowania ciepła obejmują pogranicze materiałoznawstwa, inżynierii chemicznej, inżynierii mechanicznej, wymiany ciepła i masy oraz przepływu wielofazowego.
Rozwój wysokowydajnych średnio- i wysokotemperaturowych materiałów do magazynowania ciepła ze zmianą fazową ma ogromne znaczenie w dziedzinie średnio- i wysokotemperaturowego magazynowania ciepła, zwłaszcza wytwarzania energii słonecznej, przemysłowego odzysku ciepła odpadowego i innych dziedzin.
