Công nghệ lưu trữ nhiệt: nâng cao hiệu quả sử dụng toàn diện năng lượng nhiệt
Hiện nay, trong nhiều hệ thống sử dụng năng lượng, có sự mâu thuẫn giữa cung và cầu năng lượng, dẫn đến việc sử dụng năng lượng không hợp lý và tạo ra một lượng lớn chất thải. Hiệu suất năng lượng như năng lượng mặt trời và nhiệt thải công nghiệp thấp, không chỉ gây lãng phí tài nguyên mà còn gây ô nhiễm nhiệt không đáng kể cho môi trường khí quyển.
Vì lý do này, cải thiện chuyển đổi và sử dụng năng lượng đã trở thành một vấn đề lớn mà các quốc gia phải ưu tiên thực hiện các chiến lược phát triển bền vững, và việc phát triển công nghệ lưu trữ nhiệt để sử dụng toàn diện và hiệu quả năng lượng nhiệt là điều tối quan trọng.
Nguồn tài nguyên dồi dào có sẵn
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng cơ bản quan trọng nhất trong số các nguồn năng lượng tái tạo. Nó là" không cạn kiệt và không cạn kiệt" và được phân phối rộng rãi và không gây ô nhiễm. Nó là một năng lượng sạch kinh tế. Mặt trời có thể giải phóng năng lượng 391 × 1021 kW mỗi giây. Ngay cả khi năng lượng bức xạ xuống bề mặt trái đất chỉ bằng một phần 2,2 tỷ của nó, nó tương đương với 80.000 lần thế giới' sản xuất điện. đất nước của tôi là một quốc gia tương đối giàu có về năng lượng mặt trời. Hơn hai phần ba đất nước có bức xạ mặt trời hàng năm trên 6 GJ · m2 và số giờ nắng hàng năm hơn 2.200 giờ. Năng lượng bức xạ mặt trời hàng năm mà bề mặt trái đất' ở nước tôi nhận được vào khoảng 50 × 1019 kJ, tương đương với 170 tỷ tấn than tiêu chuẩn. Nguồn năng lượng mặt trời dồi dào như vậy cũng tạo điều kiện tốt cho' phát triển và sử dụng sản xuất điện mặt trời của đất nước tôi. Nhiệt thải công nghiệp chủ yếu đến từ các ngành công nghiệp như luyện kim, vật liệu xây dựng và hóa chất. Thống kê năm 2010 cho thấy, nguồn nhiệt thải công nghiệp chiếm tới 67% tổng lượng nhiệt nhiên liệu, trong đó tỷ lệ thu hồi đạt 60%. Tuy nhiên, tỷ lệ sử dụng chung nguồn nhiệt thải ở nước tôi còn thấp, tỷ lệ sử dụng nhiệt thải của các doanh nghiệp gang thép lớn là khoảng 30%. ~ 50%.
Còn rất nhiều cơ hội để cải thiện tỷ lệ sử dụng các nguồn nhiệt thải công nghiệp ở nước tôi. Lấy ngành luyện kim làm ví dụ. Năm 2010, sản lượng thép thô của nước ta là 627 triệu tấn. Năng lượng chứa trong khí thải được sản xuất tương đương với 30 triệu tấn than tiêu chuẩn, và lượng xỉ thép được sản xuất khoảng 280 triệu tấn, và nhiệt năng chứa tương đương với 10 triệu tấn than tiêu chuẩn. . Hiện tại, tỷ lệ sử dụng nhiệt thải khí thải của các doanh nghiệp gang thép trong nước đạt khoảng 30%, tỷ lệ sử dụng nhiệt thải xỉ gang thép gần như bằng không. Nếu tăng tỷ lệ sử dụng nhiệt thải của khí thải lên 90% và tăng tỷ lệ sử dụng nhiệt thải xỉ thép lên 60% thì mỗi năm có thể tiết kiệm được 21,6 triệu tấn than tiêu chuẩn, giảm phát thải CO2 khoảng 50 triệu tấn, và có thể tạo ra 3,3 tỷ kWh điện.
Có thể thấy, thu hồi nhiệt thải là một nhu cầu lớn của' chiến lược năng lượng của đất nước tôi, với những lợi ích kinh tế không thể lường hết và có ý nghĩa to lớn đối với sự phát triển kinh tế, tiến bộ xã hội của' và an ninh năng lượng quốc gia. Tuy nhiên, dù là năng lượng mặt trời hay tài nguyên nhiệt thải công nghiệp đều tồn tại những vấn đề không liên tục và không ổn định, cản trở nghiêm trọng đến việc thúc đẩy và ứng dụng các công nghệ liên quan.
Nhu cầu khẩn cấp về công nghệ lưu trữ nhiệt tiềm ẩn nhiệt độ trung bình và cao
Việc sử dụng công nghệ lưu trữ nhiệt có thể làm giảm bớt mâu thuẫn giữa cung và cầu nhiệt năng về thời gian, cường độ và không gian, đồng thời là một phương tiện quan trọng để vận hành tối ưu các hệ thống năng lượng nhiệt. Lưu trữ nhiệt chủ yếu bao gồm ba hình thức: lưu trữ nhiệt cảm quan, lưu trữ nhiệt tiềm ẩn và lưu trữ nhiệt phản ứng hóa học.
Kho lưu nhiệt phản ứng hóa học vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm do hệ thống phức tạp, khó kỹ thuật, khả năng vận hành kém; Mặc dù công nghệ lưu trữ nhiệt hợp lý đã được sử dụng rộng rãi, nhưng việc lưu giữ nhiệt là do mật độ lưu trữ nhiệt trên một đơn vị thể tích vật liệu lưu nhiệt thấp. Số lượng vật liệu lớn làm cho hệ thống lưu trữ nhiệt dung tích lớn cồng kềnh, phức tạp trong quy trình và chi phí cao. .
Tích trữ nhiệt tiềm ẩn là sử dụng nhiệt lượng tiềm ẩn được giải phóng hoặc hấp thụ bởi quá trình thay đổi pha của vật liệu lưu trữ nhiệt để lưu trữ và giải phóng nhiệt. So với công nghệ lưu trữ nhiệt hợp lý, lưu trữ nhiệt tiềm ẩn có lợi thế là mật độ lưu trữ nhiệt lớn trên một đơn vị thể tích, và có khả năng hấp thụ và giải phóng năng lượng lớn hơn trong phạm vi nhiệt độ chuyển pha, và phạm vi nhiệt độ lưu trữ và giải phóng hẹp, điều này có lợi. để tích điện và giải phóng Nhiệt độ của quá trình nhiệt ổn định.
Để nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng và giảm chi phí, công nghệ sử dụng nhiệt mặt trời đang hướng tới nhiệt độ vận hành cao hơn. Nhiệt độ vận hành của quá trình phát nhiệt điện đã vượt quá 600 ° C, và nhiệt độ của một lượng lớn nhiệt thải công nghiệp cũng rất cao (ví dụ, nhiệt độ khí thải của bộ chuyển đổi là 1600 ° C. Khoảng).
Tất cả đều cần nghiên cứu và phát triển các công nghệ lưu trữ nhiệt tiềm ẩn nhiệt độ trung bình và cao. Mặc dù nhiều học giả trong và ngoài nước đã tiến hành nghiên cứu từ nhiều cấp độ khác nhau như vật liệu, quy trình trong một thời gian dài nhưng cho đến nay vẫn chưa có một hệ thống lưu trữ nhiệt tiềm ẩn nhiệt độ trung bình và cao nào hoàn thiện hoạt động ổn định.
Sau nhiều năm nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này của nhiều đơn vị nghiên cứu trong và ngoài nước, kết hợp với thực trạng và xu hướng phát triển công nghệ trong và ngoài nước, cho rằng công nghệ trữ nhiệt tiềm ẩn nhiệt độ trung bình và cao chủ yếu gặp phải những vấn đề sau những vấn đề còn tồn tại.
Thứ nhất, thiếu các vật liệu lưu trữ nhiệt tiềm ẩn nhiệt độ trung bình và cao với các đặc tính toàn diện như mật độ lưu trữ nhiệt cao và dẫn nhiệt mạnh. Nền tảng của công nghệ lưu trữ nhiệt tiềm ẩn là các vật liệu thay đổi pha. Hiện tại, nghiên cứu về vật liệu lưu trữ nhiệt ở nhiệt độ thấp (& lt; 100 ° C) dựa trên sáp parafin và muối ngậm nước đã được mở rộng, và nó cũng đã được ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng và quần áo. Tuy nhiên, vật liệu lưu trữ nhiệt ở nhiệt độ trung bình và cao, đặc biệt là giai đoạn nhiệt độ cao thay đổi vật liệu lưu trữ nhiệt có nhiệt độ nóng chảy> 600 ° C, vẫn còn thiếu.
Thứ hai, vật liệu lưu giữ nhiệt biến đổi pha ở nhiệt độ trung bình và cao chủ yếu là muối vô cơ và hợp kim. Một mặt, việc lựa chọn vật liệu ứng viên đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về nhiệt động học và cơ chế động học của quá trình chuyển pha của vật liệu. Mặt khác, cần bộc lộ sự ảnh hưởng của cấu trúc vi mô đối với tính chất nhiệt của vật liệu từ hai khía cạnh: truyền nhiệt tăng cường và lưu giữ nhiệt hiệu quả.
Ngoài ra, việc bao bọc vật liệu biến đổi pha lỏng - rắn và phân rã các đặc tính nhiệt trong quá trình phục vụ cũng là những nội dung không thể thiếu trong nghiên cứu vật liệu biến đổi pha ở nhiệt độ trung bình và cao. Đây thường là một vấn đề tắc nghẽn trong việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu như vậy. Vật liệu lưu trữ nhiệt hiệu suất cao sẽ được phát triển
Nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước đã nghiên cứu kim loại làm vật liệu giữ nhiệt. Năm 1980, Birchenall et al. đã đo và phân tích các tính chất nhiệt lý của hợp kim nhị phân và bậc ba bao gồm Al, Cu, Mg, Si và Zn, có nhiều trên trái đất, và nhận thấy rằng nhiệt độ chuyển pha nằm trong khoảng 780 ～ 850 K và giàu Si. Hoặc hợp kim Al có mật độ lưu trữ nhiệt cao nhất, và sau đó các vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha dựa trên nhôm và silic đã được nghiên cứu rộng rãi.
Vật liệu muối vô cơ có nhiều nguồn khác nhau, giá trị entanpi thay đổi pha lớn, giá thành vừa phải và đặc biệt thích hợp để sử dụng làm vật liệu lưu trữ nhiệt biến đổi pha ở nhiệt độ trung bình và cao. Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các đặc tính nhiệt lý của muối nóng chảy có nhiệt độ cao hơn 450 ℃ và mở rộng ứng dụng của muối eutectic vô cơ có dải nhiệt độ từ 220 ℃ đến 290 ℃ trong lĩnh vực sản xuất nhiệt điện mặt trời, và đã vượt qua các thử nghiệm như vi sai đo nhiệt lượng quét. Phương pháp, tính chất nhiệt lý của muối nóng chảy được đo.
Ngoài ra, tỷ lệ thay đổi thể tích của nhiều hệ muối nóng chảy trước và sau khi chuyển pha vượt quá 10%. Tốc độ thay đổi thể tích lớn hơn làm tăng khoảng trống trong hệ thống vật liệu thay đổi pha muối nóng chảy, ảnh hưởng đến tốc độ lưu trữ / giải phóng nhiệt và tăng khả năng lưu trữ nhiệt. Khó khăn về thiết kế của thiết bị hệ thống làm giảm hiệu quả lưu trữ nhiệt. Vì lý do này, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu sự tương thích của vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha muối nóng chảy với thép không gỉ, và kết quả cho thấy thép không gỉ có tác dụng chống ăn mòn tốt đối với hầu hết các loại muối nóng chảy.
Đồng thời, hiệu suất chu kỳ của vật liệu thay đổi pha hợp kim nhôm bậc ba và khả năng tương thích với các thùng chứa; sự tương hợp của muối nóng chảy florua với coban, niken và thép hợp kim nguyên tố kim loại chịu lửa; Sự tương thích của lithium hydroxide với các vật liệu hợp kim cấu trúc Ở các khía cạnh khác, các nhà khoa học cũng đã tiến hành nghiên cứu.
Mặc dù đã đạt được một số kết quả trong nghiên cứu vật liệu trữ nhiệt biến đổi pha ở nhiệt độ trung bình và cao, giá thành của vật liệu chuyển pha kim loại và hợp kim cao, mật độ trữ nhiệt trên một đơn vị khối lượng còn hạn chế. Ngoài ra, hoạt động hóa học của vật liệu thay đổi pha hợp kim kim loại mạnh hơn sau khi chuyển pha. , Sự ăn mòn nghiêm trọng ở nhiệt độ cao hạn chế rất nhiều việc ứng dụng rộng rãi của nó trong lĩnh vực lưu trữ nhiệt ở nhiệt độ trung bình và cao.
Là vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha, muối nóng chảy có entanpi thay đổi pha lớn, mật độ lưu trữ nhiệt cao và giá thành vừa phải. Nó có tiềm năng phát triển lớn trong lĩnh vực ứng dụng lưu trữ nhiệt nhiệt độ trung bình và cao. Tuy nhiên, muối nóng chảy có tính dẫn nhiệt kém và có vấn đề ăn mòn ở nhiệt độ cao nghiêm trọng với các vật liệu thay đổi pha hợp kim kim loại, đây vẫn là một vấn đề hạn chế ứng dụng quy mô của nó.
Vì vậy, việc phát triển các vật liệu trữ nhiệt hiệu suất cao và các phương pháp điều chế chúng là một xu hướng tất yếu trong nghiên cứu vật liệu trữ nhiệt ở nhiệt độ trung bình và cao và là con đường tất yếu cho sự phát triển của công nghệ lưu trữ nhiệt.
Sự phân tán của năng lượng mặt trời, nhiệt thải công nghiệp, khoảng năng lượng lớn và tính chất không liên tục của năng lượng tái tạo đều đòi hỏi công nghệ lưu trữ nhiệt thay đổi pha ở nhiệt độ trung bình và cao.
Việc nghiên cứu công nghệ lưu trữ nhiệt quy mô lớn liên quan đến sự giao thoa của khoa học vật liệu, kỹ thuật hóa học, kỹ thuật cơ khí, truyền nhiệt và khối lượng và dòng chảy nhiều pha.
Sự phát triển của vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao hiệu suất cao có ý nghĩa to lớn đối với lĩnh vực lưu trữ nhiệt nhiệt độ trung bình và cao, đặc biệt là sản xuất nhiệt điện mặt trời, thu hồi nhiệt thải công nghiệp và các lĩnh vực khác.
