高温相变储热材料制备与应用研究进展_刘伟.pdf

第 12 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.12 No.2Feb.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology高温相变储热材料制备与应用研究进展刘伟1，李振明1，刘铭扬1，杨岑玉1，梅超2，李迎2（1中国电力科学研究院有限公司储能与电工新技术研究所，北京 100192；2国网福建省电力有限公司厦门供电公司，福建 厦门 361004）摘要：面向工业领域蒸汽供热需求，大力发展高温相变储热技术，有效调节电网峰谷负荷，有力促进电能替代，助力实现“碳达峰、碳中和”目标。本文通过对近期相关文献的回顾，首先介绍了相变材料优选原则与方法，其次介绍了高温相变材料的分类，着重阐述了盐基高温复合相变材料的最新研究动态，包括金属泡沫/无机盐、石墨泡沫/无机盐、膨胀石墨/无机盐、多孔陶瓷/无机盐复合相变材料和黏土矿物/无机盐相变复合材料，指出高温复合相变材料可以改善无机盐低热导率和热稳定性、腐蚀密封材料等问题。然后总结了高温相变材料的制备方法，指出浸渗法、溶胶-凝胶法、冷压烧结法在实际应用中各有利弊，相比之下，冷压烧结法是制备盐基复合材料最具成本效益的方法。最后重点介绍了高温复合相变材料在工业过程余热回收、电力调峰、太阳能热发电三个领域的应用现状，为研究不同场景下蒸汽型高温相变储热系统容量配置和经济评估方法提供了理论基础。关键词：高温储热；相变材料；制备方法；储热装置doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0521 中图分类号：TK 02 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）02-398-33Review of high-temperature phase change heat storage material preparation and applicationsLIU Wei1,LI Zhenming1,LIU Mingyang1,YANG Cenyu1,MEI Chao2,LI Ying2(1Energy Storage and Novel Technology of Electrical Engineering Department,China Electric Power Research Institute Limited Company,Beijing 100192,China;2State Grid Xiamen Electric Power Supply Company,Xiamen 361004,Fujian,China)Abstract:Faced with the demand for steam heating in the industrial field,we will vigorously develop high-temperature phase change heat storage technology,effectively adjust the peak and valley loads of power grids,effectively promote the replacement of electric energy,and help achieve the goal of“carbon peak and carbon neutrality.”This article comprises a literature review of the principles and methods of phase change material optimization.High-temperature phase change materials are also classified.The latest research trends of high-temperature composite phase change materials are emphatically described,including metal foam/inorganic salt,graphite foam/inorganic salt,expanded graphite/inorganic salt,porous ceramic/inorganic salt,and porous clay mineral/inorganic salt composite phase change materials.Notably,high-temperature composite phase change materials can improve the low thermal conductivity and stability of inorganic salts and corrosion of sealing materials.Next,储能材料与器件收稿日期：2022-09-13；修改稿日期：2022-10-21。基金项目：国家电网有限公司科技项目“面向工业领域电能替代的蒸汽型高温相变储热关键技术研究与示范”（5419-202021250A-0-0-00）。第一作者：刘伟（1974），男，高级工程师，研究方向为相变储能技术、储能材料，E-mail：；通讯作者：李振明，博士，教授级高级工程师，研究方向为相变储能技术、储能材料，E-mail：。第 2 期刘伟等：高温相变储热材料制备与应用研究进展the preparation methods of high-temperature phase change materials are summarized;the advantages and disadvantages of the infiltration method,sol-gel method,and cold pressing sintering method in practical application are highlighted.In comparison,the cold pressing sintering method is the most cost-effective for preparing salt matrix composites.Finally,the application statuses of high-temperature composite phase change materials in industrial waste heat recovery,power peak regulation,and solar thermal power generation are discussed,providing a basis for studying the capacity allocation and economic evaluation methods of high-temperature phase change heat storage systems of the steam type under different scenarios.This review has a certain reference value for the development of high-temperature phase change heat storage technology.Keywords:high temperature heat storage;phase change material;preparation method;thermal storage device能源是经济发展、社会稳定和国家安全的物质基础，而热能是人类生活中的重要能源形式，90%以上的能源都需要经过热能的形式被转化利用。当前燃煤锅炉是国内提供热能的主要来源之一，但是也带来严重的大气污染，为实现能源消费高效化、低碳化，减少煤油燃烧带来的污染，国家相关部委先后出台了多项政策措施，用清洁的电能替代煤炭、石油等传统化石能源1。储热技术是提高能源利用率的一种有效方法，在太阳能利用、电力“移峰填谷”、废热和余热的回收利用等领域具有广阔的应用前景。目前，储热方法有显热储热、相变储热和化学反应储热三种。显热储热通过升高和降低材料的温度来储存和释放热能，其方式简单、成本低，但存在储存热量小、储热单元体积较大、放热不能恒温等缺点，而化学反应储热依靠介质完全可逆的化学反应来实现热能储存，其中分子键被反复破坏和重组，同时伴随着吸热和放热过程，该过程一般需要催化剂，且许多反应过程只适用于特定的环境条件，大多数储能密度高的化学反应均具有危险性，因此其范围受到限制。相变储热技术是通过相变材料在相变过程中吸热和放热，实现热能存储和释放的一种热量存储方式。相变储热相比显热和化学储热有相变过程体积变化小、在恒定温度下可以储存大量热能等优势。Jacob等2对封装相变材料系统、盘管式相变材料系统和液体钠TES系统进行了经济性分析，分析结果表明，封装PCM(EPCM)和罐内盘管TES系统所代表的能量约为目前最先进的双罐熔盐系统的1/3。在相变储热中相变材料(PCM)起着关键性的作用，相变材料因体积小、储能密度大和相变温度范围宽等优点广泛应用在太阳能储热、深夜电力调峰用储热、空间站储热、工业窑炉余热回收与存储等领域，在工业与民用领域扮演着重要的角色。常见的中低温相变材料如石蜡、盐水合物、糖醇等由于热导率太低，并不适用于储热系统，因此高热导率的高温复合相变材料已成为国内外学者的研究热点，高温相变材料主要有无机盐、金属及合金3。Al-Si、Al-Si-Mg、Al-Si-Cu等金属具有较高的熔化温度和导热性能，因此可以用于高温相变材料，但是这些高温相变材料存在腐蚀容器、成本高等问题，为了克服这些问题，需要对相变材料进行封装。封装技术可以显著改善相变材料的相偏析、液相泄漏、腐蚀等问题。封装材料主要分为壳层材料和相变复合材料，前者是在相变材料外表面封装一层稳定的涂层，使核壳材料包裹相变材料，He等4用溶胶凝胶法将共晶 Al-Si 合金用 Al2O3包裹，研究了其热稳定性，结果表明在热循环过程中，潜热下降到271.9 kJ/kg。后者是相变材料和结构材料集成为一体，从而得到在相变后依旧保持形体不变的定形相变材料。核壳包裹的相变材料在高温时，熔融相变材料膨胀会引起壳层材料的开裂，从而导致熔融相变材料泄漏，He等4发现，随热循环次数增加，壳开裂率增加，在第20次循环时，累计开裂率超过20%，另一方面高温相变过程结构材料和相变材料存在合金化的问题。Zhang等5在铜球上包裹了 Cr-Ni 壳层，发现在高温作用下形成Cu-Cr-Ni三元合金，表明Cr和Ni的壳层材料已经渗入内部，并与Cu发生了反应。高温复合相变材3992023 年第 12 卷储能科学与技术料可以防止相变介质对壳层材料的腐蚀、提供形状稳定的结构、减少过冷现象，改善储热效果，同时制作工艺简单、成本低。本文通过对相关文献的综述和分析，介绍了相变材料的选择原则和方法、并介绍了高温相变材料分类，重点阐述了盐基高温复合相变材料的分类，总结了高温相变材料的制备方法，指出目前制备高温相变复合材料的优缺点，最后重点介绍了高温复合相变材料在工业过程余热回收、电力调峰、太阳能热发电领域的应用现状，以期为研究不同场景下蒸汽型高温相变储热系统容量配置和经济评估方法提供参考与启发。1 高温相变材料的选择原则与方法设计储热系统时，必须要考虑高的储能容量、良好的传热能力、高的化学稳定性、低的维护成本等因素，储热装置的性能和储热材料的性能相互交织并相互影响，因此选择最佳的相变材料，才能满足储热系统的整体性能。相变材料的选择需要在热力学、动力学、化学和经济学的基础上综合考虑材料的性能6。结合文献7-9报道，高温相变材料的选择必须满足以下要求：相变过程中密度、体积变化小；能量密度高；没