蓄熱技術：熱エネルギーの総合利用効率を向上
現在、多くのエネルギー利用システムでは、エネルギーの供給と需要のミスマッチが矛盾しており、不当なエネルギー利用と大量の廃棄物が発生しています。 太陽エネルギーや産業排熱などのエネルギー効率は低く、資源を浪費するだけでなく、大気環境に無視できない熱汚染を引き起こします。
このため、エネルギーの変換と利用の改善は、持続可能な開発戦略を実施するために各国が優先しなければならない主要な問題になり、熱エネルギーを包括的かつ効果的に使用するための蓄熱技術の開発が最も重要です。
利用可能な豊富なリソース
太陽エネルギーは、再生可能エネルギー源の中で最も重要な基本エネルギー源です。 それは& quot;無尽蔵で無尽蔵の& quot;です。 広く分布し、汚染がありません。 経済的なクリーンエネルギーです。 太陽は毎秒391×1021kWのエネルギーを放出することができます。 地球の表面に放射されるエネルギーは、地球の22億分の1に過ぎませんが、世界の80,000倍に相当します&＃39;。 私の国は太陽エネルギーが比較的豊富な国です。 国の3分の2以上は、6GJ・m2以上の年間日射量と2,200時間以上の年間日照時間を持っています。 私の国の地球&＃39;の表面が受け取る年間の太陽放射エネルギーは、約50×1019 kJであり、これは標準的な石炭の1,700億トンに相当します。 このような豊富な太陽エネルギー資源は、私の国&＃39;の太陽光発電の開発と利用にも良い条件を提供します。 産業廃棄物の熱は、主に冶金、建築材料、化学などの産業から発生します。 2010年の統計によると、産業廃棄物の熱資源は最大67を占めています% 総燃料熱のうち、回収率が60に達した%。 しかし、私の国の排熱資源の全体的な利用率は低く、大規模な鉄鋼企業の排熱利用率は約30 %です。 〜50 %。
私の国では、産業排熱資源の利用率に改善の余地がたくさんあります。 例として冶金産業を取り上げます。 2010年の私の国の粗鋼生産量は6億2700万トンでした。 生成された煙道ガスに含まれるエネルギーは標準石炭3000万トンに相当し、鋼スラグの生成量は約2億8000万トンであり、含まれる熱エネルギーは標準石炭1000万トンに相当します。 。 現在、国内の鉄鋼企業における煙道ガス排熱の利用率は約30％であり、鉄鋼スラグ排熱の利用率はほぼゼロである。 煙道ガスの排熱利用率を90％、鉄鋼スラグの排熱利用率を60％に引き上げれば、年間2,160万トンの標準石炭を節約でき、CO2排出量を約5,000万削減できます。トン、33億kWhの発電が可能です。
廃熱回収は私の国の主要な需要であり&＃39;計り知れない経済的利益を伴うエネルギー戦略であり、私の国&＃39;の経済発展、社会的進歩にとって非常に重要であることがわかります。 、および国家エネルギー安全保障。 しかし、太陽エネルギーであろうと産業排熱資源であろうと、断続的で不安定な問題があり、関連技術の推進と応用を著しく妨げています。
中高温潜熱貯蔵技術の緊急の必要性
蓄熱技術の使用は、時間、強度、および空間の点で熱エネルギーの供給と需要の間の矛盾を緩和することができ、熱エネルギーシステムの最適化された操作のための重要な手段です。 蓄熱には、主に顕熱蓄熱、潜熱蓄熱、化学反応蓄熱の3つの形態があります。
化学反応蓄熱は、その複雑なシステム、技術的な難しさ、および操作性の悪さのために、まだ実験研究段階にあります。 顕熱蓄熱技術は広く使われていますが、蓄熱材の単位体積あたりの蓄熱密度が低いために蓄熱が発生します。材料量が多いため、大容量蓄熱システムはかさばり、工程が複雑になり、コストが高くなります。 。
潜熱蓄熱とは、蓄熱材の相変化過程で放出または吸収された潜熱を利用して蓄熱・放出することです。 顕熱蓄熱技術と比較して、潜熱蓄熱は単位体積あたりの蓄熱密度が大きく、相転移温度範囲内でのエネルギー吸収・放出が大きく、貯蔵・放出温度範囲が狭いというメリットがあります。充電および解放する熱プロセスの温度は安定しています。
エネルギー変換効率を改善し、コストを削減するために、太陽熱利用技術はより高い動作温度に向かっています。 火力発電の作動温度は600℃を超えており、大量の産業廃棄物熱の温度も非常に高い（例えば、コンバーターの煙道ガス温度は約1600℃である）。
これらはすべて、中高温潜熱貯蔵技術の研究と開発を緊急に行う必要があります。 国内外の多くの学者が材料やプロセスなどさまざまなレベルの研究を長い間行ってきましたが、これまでのところ、安定して動作する成熟した中高温潜熱貯蔵システムはありません。
多くの国内外の研究ユニットによるこの分野での長年の綿密な研究と、国内外の技術開発の現状と傾向を組み合わせた後、中高温潜熱貯蔵技術は主に次のことに直面していると考えられています。未解決の問題。
第一に、高い蓄熱密度や強い熱伝導率などの包括的な特性を備えた中高温潜熱蓄熱材料が不足しています。 潜熱蓄熱技術の基盤は相変化材料です。 現在、パラフィンワックスと水和塩をベースにした低温蓄熱材（& lt; 100°C）の研究が盛んに行われており、建設や衣料の分野にも応用されています。 しかし、中高温の蓄熱材、特に融点& gt; 600℃の高温相変化蓄熱材はまだ不足しています。
第二に、中高温相変化蓄熱材料は主に無機塩と合金です。 一方では、候補材料の選択には、材料の相転移プロセスの熱力学と速度論的メカニズムの深い理解が必要です。 一方、材料の熱特性に対する微細構造の影響を、熱伝達の向上と効率的な蓄熱という2つの側面から明らかにする必要があります。
さらに、液固相変化材料のカプセル化とサービスプロセス中の熱特性の低下も、中高温相変化材料の研究に不可欠な内容です。 これは、そのような材料の研究開発におけるボトルネックの問題であることがよくあります。 開発する高性能蓄熱材
国内外の多くの科学者が蓄熱材として金属を研究してきました。 1980年に、Birchenall等。 地球上に豊富に存在するAl、Cu、Mg、Si、Znからなる二元および三元合金の熱物性を測定・分析したところ、相転移温度は780〜850Kの範囲でSiに富んでいることがわかりました。 または、Al合金が最も高い蓄熱密度を持ち、アルミニウムおよびシリコンベースの合金相変化蓄熱材料が広く研究されてきました。
無機塩材料は、幅広い供給源、大きな相変化エンタルピー値、および手頃な価格を備えており、中温および高温の相変化蓄熱材料としての使用に特に適しています。 研究者らは、450℃を超える温度の溶融塩の熱物性を研究し、220℃から290℃の温度範囲の無機共晶塩の適用を太陽熱発電の分野に拡大し、示差などの試験に合格しました。走査熱量測定。 方法、溶融塩の熱物性を測定した。
また、相変化前後の多くの溶融塩系の体積変化率は10％を超えています。 体積変化率が大きいほど、溶融塩相変化材料システムのボイドが増加し、蓄熱/放出速度に影響を与え、蓄熱が増加します。 システム機器の設計が難しいため、蓄熱効率が低下します。 このため、研究者は溶融塩相変化蓄熱材とステンレス鋼との適合性を研究し、その結果は、ステンレス鋼がほとんどの溶融塩に対して優れた防食効果を有することを示しています。
同時に、三元アルミニウムベースの合金相変化材料のサイクル性能と容器との適合性。 フッ化物溶融塩とコバルト、ニッケルおよび高融点金属元素合金鋼との適合性。 水酸化リチウムと構造用合金材料との適合性他の側面では、科学者も研究を行ってきました。
中高温相変化蓄熱材料の研究でいくつかの結果が得られたが、金属および合金の相変化材料のコストは高く、単位質量あたりの蓄熱密度は制限されている。 さらに、金属合金の相変化材料の化学活性は、相変化後に強くなります。 、重度の高温腐食は、中高温蓄熱の分野での幅広い用途を大きく制限します。
溶融塩は相変化蓄熱材として相変化エンタルピーが大きく、蓄熱密度が高く、価格も手頃です。 中高温蓄熱用途の分野で大きな発展の可能性を秘めています。 しかし、溶融塩は熱伝導率が低く、金属合金の相変化材料で深刻な高温腐食の問題があり、それでもその規模の適用を制限する問題です。
したがって、高性能蓄熱材料とその製造方法の開発は、中高温蓄熱材料の研究において必然的な傾向であり、蓄熱技術の開発のための必然的な方法です。
太陽エネルギーの分散、産業廃棄物の熱、大きなエネルギースパン、および再生可能エネルギーの断続的な性質はすべて、中高温の相変化蓄熱技術を必要とします。
大規模な蓄熱技術の研究には、材料科学、化学工学、機械工学、熱および物質移動、および混相流の交差点が含まれます。
高性能中高温相変化蓄熱材料の開発は、中高温蓄熱の分野、特に太陽熱発電、産業廃熱回収などの分野にとって非常に重要です。
