相變儲(chǔ)熱及卡諾電池研究進(jìn)展

來源 |傳熱傳質(zhì)青委會(huì)

研究背景

隨著雙碳目標(biāo)的全面推進(jìn)，新型儲(chǔ)能技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用勢(shì)在必行。其中，儲(chǔ)熱及熱機(jī)械儲(chǔ)能是大規(guī)模新型儲(chǔ)能技術(shù)的重要組成部分。作為儲(chǔ)熱技術(shù)之一，相變儲(chǔ)熱因其儲(chǔ)熱密度較高、運(yùn)行溫度恒定等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，正逐步得到規(guī)?；瘧?yīng)用；而卡諾電池作為一種新興的熱機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)，具有容量大、響應(yīng)快、往返效率高等優(yōu)點(diǎn)，且不受地理?xiàng)l件的限制，在電力系統(tǒng)調(diào)控和區(qū)域供能等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

研究?jī)?nèi)容

一、固液相變及強(qiáng)化傳熱機(jī)理研究

固液相變問題的模擬廣泛采用焓值法，相界面溫度與相變溫度是保持一致的，而在實(shí)際的相變過程中，因表面張力或相界面運(yùn)動(dòng)的作用，相界面溫度與相變溫度之間會(huì)有偏差，即出現(xiàn)過冷或過熱現(xiàn)象，這是焓值法無法解決的。本研究基于相場(chǎng)法建立了可考慮過冷或過熱效應(yīng)的固液相變模型，研究了半無限大區(qū)域內(nèi)的雙區(qū)域凝固問題和二維方腔考慮自然對(duì)流的熔化問題，探討了動(dòng)力學(xué)參數(shù)與過冷效應(yīng)的定量關(guān)系，驗(yàn)證了相場(chǎng)法處理固液相變過冷與過熱問題的可靠性；基于相場(chǎng)法進(jìn)一步建立了表征體元尺度的金屬泡沫內(nèi)固液相變的數(shù)學(xué)模型，研究了瑞利數(shù)、金屬泡沫孔隙形貌對(duì)相變材料熔化與凝固過程的影響，揭示了熔化與凝固過程中相場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的演變規(guī)律，明晰了動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)凝固過程的影響。該研究成果克服了焓值法無法考慮固液相變過冷或過熱效應(yīng)的缺點(diǎn)，可以模擬更加真實(shí)的固液相變過程，具有一定的理論價(jià)值。

圖1 固液相變及強(qiáng)化傳熱機(jī)理研究：(a) 雙區(qū)域凝固問題；(b) 二維方腔自然對(duì)流熔化問題；(c) 表征體元尺度金屬泡沫內(nèi)固液相變問題

二、高溫金屬相變材料的制備與可靠性研究

在太陽(yáng)能熱發(fā)電、高溫余熱回收等高溫應(yīng)用領(lǐng)域，鋁硅合金在單位體積儲(chǔ)熱量和導(dǎo)熱能力等方面比無機(jī)鹽相變材料更具優(yōu)勢(shì)，且組成元素儲(chǔ)量高，成本可控，但循環(huán)穩(wěn)定性和高溫腐蝕性嚴(yán)重限制了鋁硅合金作為相變材料的推廣應(yīng)用。本研究探討了鋁硅合金用作高溫相變儲(chǔ)熱材料的循環(huán)穩(wěn)定性，觀測(cè)了不同循環(huán)次數(shù)下微觀組織形貌的變化，得到了儲(chǔ)熱與傳熱性能的演變機(jī)制；揭示了熔融鋁硅合金與工程陶瓷材料的高溫腐蝕機(jī)理，找到了以Al2O3、AlN和SiC為代表的安全封裝材料。該研究成果為以鋁硅合金為基礎(chǔ)的儲(chǔ)熱單元封裝及其在太陽(yáng)能熱發(fā)電、高溫余熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

圖2 鋁硅合金相變材料的制備與可靠性研究：(a) 多次循環(huán)后的組織形貌；(b) 多次循環(huán)后的熱物性參數(shù)；(c) 高溫腐蝕性測(cè)試

三、相變儲(chǔ)熱單元傳熱儲(chǔ)熱特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

盡管金屬是性能優(yōu)異的相變材料，但基于經(jīng)濟(jì)成本、可靠性和應(yīng)用場(chǎng)景等因素考量，有機(jī)物及無機(jī)鹽依舊是目前普遍使用的相變材料，而裝置層面的傳熱優(yōu)化也是克服有機(jī)物及無機(jī)鹽相變材料低導(dǎo)熱系數(shù)短板的途徑之一。

（1）管殼式相變儲(chǔ)熱單元傳熱結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化研究

肋片與流道等傳熱結(jié)構(gòu)在性能穩(wěn)定性、制造可行性、技術(shù)成熟性和經(jīng)濟(jì)性等方面具備明顯優(yōu)勢(shì)，非常適用于相變儲(chǔ)熱單元的傳熱強(qiáng)化，但其結(jié)構(gòu)優(yōu)化多半依靠工程經(jīng)驗(yàn)，缺乏明確的理論指導(dǎo)，難以實(shí)現(xiàn)傳熱效果最優(yōu)化。本研究基于拓?fù)鋬?yōu)化理論構(gòu)建了二維相變儲(chǔ)熱單元肋片模型，研究了數(shù)值參數(shù)與最佳肋片構(gòu)型的關(guān)聯(lián)機(jī)制，得到了熔化過程自然對(duì)流對(duì)最佳肋片構(gòu)型的影響，驗(yàn)證了優(yōu)化后的肋片在傳熱過程中的優(yōu)越性；基于拓?fù)鋬?yōu)化理論建立了二維相變儲(chǔ)熱單元流道模型，討論了傳熱/流動(dòng)權(quán)重系數(shù)對(duì)流道結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制，探究了優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)的傳熱與流動(dòng)特性，證實(shí)了拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)流道設(shè)計(jì)的可靠性。該研究成果可實(shí)現(xiàn)明確優(yōu)化目標(biāo)下肋片和流道結(jié)構(gòu)的高自由度優(yōu)化，并與以3D打印為代表的先進(jìn)加工與快速成型技術(shù)有機(jī)結(jié)合，具有一定的理論先進(jìn)性和切實(shí)的技術(shù)可行性。

圖3 管殼式相變儲(chǔ)熱單元傳熱結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化研究：(a) 肋片優(yōu)化；(b) 流道優(yōu)化

（2）梯級(jí)相變儲(chǔ)熱單元的熱力學(xué)特性研究

梯級(jí)相變儲(chǔ)熱可以存儲(chǔ)多品位熱能與冷能，符合“量熱度需、熱盡其用，溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的基本原則。然而，梯級(jí)相變儲(chǔ)熱的研究工作集中于理論分析和數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證較少，尤其是中高溫梯級(jí)相變儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)。本研究搭建了中高溫三級(jí)相變儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量了儲(chǔ)熱單元內(nèi)部的溫度變化，基于熱力學(xué)定律和火積原理開展了單個(gè)單元及整個(gè)梯級(jí)儲(chǔ)熱裝置的熱力學(xué)分析，研究了儲(chǔ)熱單元級(jí)數(shù)、進(jìn)口溫度、流體流量等因素對(duì)梯級(jí)相變儲(chǔ)熱平臺(tái)熱力學(xué)性能的影響，驗(yàn)證了梯級(jí)相變儲(chǔ)熱在傳熱與儲(chǔ)熱方面的優(yōu)勢(shì)。本研究成果在合理的溫度、流量、壓力測(cè)試基礎(chǔ)上成功實(shí)現(xiàn)了最高溫度為450 ℃的熱能三級(jí)存儲(chǔ)，熱存儲(chǔ)效率、?存儲(chǔ)效率和火積存儲(chǔ)效率分別提升了23%、21%和24%。

圖4 梯級(jí)相變儲(chǔ)熱單元的熱力學(xué)特性研究

（3）小直徑比填充床相變儲(chǔ)熱單元流動(dòng)與傳熱規(guī)律研究

填充床模型較多采用基于表征體元尺度的均勻模型，無法考慮真實(shí)情況下孔隙率的徑向波動(dòng)，從而造成了速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)與實(shí)際情況的偏離，這種現(xiàn)象在小直徑比填充床中尤為明顯。本研究建立了小直徑比填充床的三維隨機(jī)堆積模型，得到了小直徑比填充床孔隙率在徑向上的統(tǒng)計(jì)變化規(guī)律，研究了填充床內(nèi)部流動(dòng)、傳熱及儲(chǔ)熱性能與徑向孔隙率的耦合關(guān)系，探究了不同進(jìn)口溫度和流量下的填充床流動(dòng)、傳熱與儲(chǔ)熱特性。該研究成果拓展了當(dāng)前填充床儲(chǔ)熱單元在小直徑比情況下的研究?jī)?nèi)涵。

圖5 小直徑比填充床相變儲(chǔ)熱單元流動(dòng)與傳熱規(guī)律研究：(a) 數(shù)值模擬；(b) 實(shí)驗(yàn)研究

四、卡諾電池系統(tǒng)的熱力學(xué)特性及經(jīng)濟(jì)性研究

卡諾電池（也稱熱泵儲(chǔ)電）是基于熱力循環(huán)和儲(chǔ)熱（冷）技術(shù)發(fā)展而來的新型大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，并可由純儲(chǔ)電系統(tǒng)拓展為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。常用的熱力循環(huán)包括布雷頓循環(huán)、跨臨界循環(huán)和（有機(jī)）朗肯循環(huán)等，而常見的儲(chǔ)熱技術(shù)，如顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱均可用于相應(yīng)的儲(chǔ)熱/冷裝置。本研究對(duì)比了布雷頓循環(huán)和跨臨界CO2循環(huán)卡諾電池在采用顯熱儲(chǔ)熱材料時(shí)的熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，得到了熱經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的系統(tǒng)配置；為提升系統(tǒng)儲(chǔ)能密度，進(jìn)一步建立了基于布雷頓循環(huán)和相變填充床的卡諾電池系統(tǒng)模型，研究了壓縮機(jī)壓比、填充床孔隙率、壓縮機(jī)與膨脹機(jī)等熵效率、系統(tǒng)流速等因素對(duì)卡諾電池系統(tǒng)往返效率、功率密度等性能參數(shù)的影響，得到了卡諾電池系統(tǒng)內(nèi)部不可逆損失的分布規(guī)律；基于有機(jī)朗肯循環(huán)卡諾電池可在余熱資源豐富的條件下實(shí)現(xiàn)電能超高效存儲(chǔ)的特性（即理論往返效率超過100%），討論了其在300 MW熱電廠調(diào)峰過程中的適用性，發(fā)現(xiàn)耦合有機(jī)朗肯循環(huán)卡諾電池的熱電廠可成功滿足94%的用電峰值負(fù)荷；提出了基于雙罐儲(chǔ)冷裝置的有機(jī)朗肯循環(huán)卡諾電池， 評(píng)估了儲(chǔ)冷介質(zhì)流量、儲(chǔ)冷溫度、蒸發(fā)溫度、夾點(diǎn)溫度等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)往返效率、平準(zhǔn)化存儲(chǔ)成本等系統(tǒng)性能參數(shù)的影響；建立了梯級(jí)相變單元的熱力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性模型，討論了相變單元純儲(chǔ)電模式和熱電/冷電聯(lián)供模式對(duì)熱力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響，奠定了將卡諾電池由純儲(chǔ)電系統(tǒng)拓展為可同時(shí)提供電能、不同品位冷能和熱能的智慧能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。該研究成果對(duì)各類型的卡諾電池進(jìn)行了較為系統(tǒng)的探討。

圖6 卡諾電池系統(tǒng)的熱力學(xué)特性研究：(a) 布雷頓循環(huán)卡諾電池；(b) 有機(jī)朗肯循環(huán)卡諾電池

總結(jié)與展望

作為大規(guī)模儲(chǔ)熱與熱機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)的重要組成部分，相變儲(chǔ)熱和卡諾電池已受到學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和政府部門的廣泛關(guān)注，相變儲(chǔ)熱和卡諾電池的研究與開發(fā)工作在機(jī)理、材料、裝置和系統(tǒng)等層面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在此，就上述研究基礎(chǔ)對(duì)相變儲(chǔ)熱和卡諾電池做如下四點(diǎn)展望：(1) 固液相變機(jī)理需進(jìn)一步揭示，尤其是納米尺度到宏觀尺度的系列模型構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；(2) 金屬相變材料在多次循環(huán)下的傳熱儲(chǔ)熱特性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系待深入探究，尤其是定量關(guān)系；(3) 相變儲(chǔ)熱單元結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)多層次高自由度優(yōu)化待開展，比如流道與肋片兩級(jí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化；(4) 卡諾電池關(guān)鍵部件研發(fā)、多場(chǎng)景系統(tǒng)耦合、智能運(yùn)行調(diào)控、經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)等是卡諾電池技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

論文信息

[1] Yao Zhao, Changying Zhao, Zhiguo Xu, Huijin Xu. Modeling metal foam enhanced phase change heat transfer in thermal energy storage by using phase field method. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 99: 170-181.

[2] Yao Zhao, Changying Zhao, Zhiguo Xu. Numerical study of solid-liquid phase change by phase field method. Computers & Fluids, 2018, 164: 94-101.

[3] 游吟, 趙耀, 趙長(zhǎng)穎, 劉紅兵. 相變儲(chǔ)熱單元內(nèi)肋片結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化. 科學(xué)通報(bào), 2019, 64 (11): 1191-9.

[4] Yao Zhao, Yin You, Hongbing Liu, Changying Zhao, Zhiguo Xu. Experimental study on the thermodynamic performance of cascaded latent heat storage in the heat charging process. Energy, 2018, 157: 690-706.

[5] Yao Zhao, Hongbing Liu, Changying Zhao. Experimental study on the cycling stability and corrosive property of Al-Si alloys as phase change materials in high-temperature heat storage. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2019, 203: 110165.

[6] Qingyu Yao, Changying Zhao, Yao Zhao, Hong Wang, Wen Li. Topology optimization for heat transfer enhancement in latent heat storage. International Journal of Thermal Sciences, 2021, 159: 106578.

[7] Yuqi Ge, Yao Zhao, Changying Zhao. Transient simulation and thermodynamic analysis of pumped thermal electricity storage based on packed-bed latent heat/cold stores. Renewable Energy, 2021, 174: 939-51.

[8] Yongliang Zhao, Jian Song, Ming Liu, Yao Zhao, Andreas V. Olympios, Paul Sapin, Junjie Yan, Christos N. Markides. Thermo-economic assessments of pumped-thermal electricity storage systems employing sensible heat storage materials, Renewable Energy, 2022, 186: 431-56.

[9] Xinjie Xue, Yao Zhao, Changying Zhao. Multi-criteria thermodynamic analysis of pumped-thermal electricity storage with thermal integration and application in electric peak shaving of coal-fired power plant. Energy Conversion and Management, 2022, 258: 115502.

[10] Yao Zhao, Jian Song, Changying Zhao, Yongliang Zhao, Christos N. Markides. Thermodynamic investigation of latent heat storage for pumped-thermal electricity storage, Journal of Energy Storage, 2022, 55: 105802.

[11] Qasir Iqbal, Song Fang, Yao Zhao, Yubo Yao, Zhuoren Xu, Haoran Gan, Hanwei Zhang, Limin Qiu, Christos N. Markides, Kai Wang. Thermo-economic assessment of sub-ambient temperature pumped-thermal electricity storage integrated with external heat sources, Energy Conversion and Management, 2023, 285: 116987.

[12] Yao Zhao, Changying Zhao, Zhiguo Xu. Numerical study of solid-liquid phase change by phase field model. The 5th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow (ASCHT 2015), Busan, Republic of Korea, 2015.11.22-25.

[13] Yao Zhao, Hongbing Liu, Yin You, Changying Zhao. Numerical and experimental study on topology optimization of fin configuration in latent heat storage. ISES Solar World Conference 2019 (SWC 2019), Santiago, Chile, 2019.11.4-7.

[14] Hongbing Liu, Yao Zhao, Changying Zhao. The effect of radial porosity oscillation on the heat transfer performance in packed bed latent heat storage system. ISES Solar World Conference 2019 (SWC 2019), Santiago, Chile, 2019.11.4-7.

[15] Yao Zhao, Christos N. Markides, Changying Zhao. Thermodynamic analysis of a cascaded latent heat store in a pumped thermal electricity storage system. The 13th International Conference on Solar Energy for Buildings and Industry (EuroSun 2020), Athens, Greece, 2020.9.1-3.

[16] Yao Zhao, Hongbing Liu, Changying Zhao, Christos N. Markides. Experimental investigation on the flow and heat transfer in a packed-bed latent heat store. The 15th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (HEFAT 2021), Amsterdam, Netherlands, 2021.7.25-28.

作者介紹

趙耀，上海交通大學(xué)智慧能源創(chuàng)新學(xué)院副教授，入選上海市領(lǐng)軍人才（海外）計(jì)劃。中南大學(xué)學(xué)士、碩士，上海交通大學(xué)博士，先后在上海交通大學(xué)和帝國(guó)理工學(xué)院開展博士后研究，從事儲(chǔ)熱及熱機(jī)械儲(chǔ)能研究，聚焦相變儲(chǔ)熱和卡諾電池。發(fā)表高水平期刊論文16篇、會(huì)議論文10篇，撰寫中英文專著章節(jié)2章，授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、全國(guó)博管會(huì)博士后國(guó)際交流計(jì)劃派出項(xiàng)目、能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金、國(guó)家電投-上海交大未來能源計(jì)劃聯(lián)合基金等科研項(xiàng)目4項(xiàng)，參與國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目/重點(diǎn)項(xiàng)目、973計(jì)劃、英國(guó)工程和自然科學(xué)研究基金等國(guó)內(nèi)外大型科研項(xiàng)目多項(xiàng)。獲全國(guó)博管會(huì)博士后國(guó)際交流計(jì)劃學(xué)術(shù)交流項(xiàng)目基金等獎(jiǎng)勵(lì)。擔(dān)任 Energy Storage and Saving、Green Energy and Resources等期刊青年編委，Applied Thermal Engineering熱儲(chǔ)能?？妥庉嫞谑鍖脟?guó)際傳熱、流體力學(xué)和熱力學(xué)會(huì)議學(xué)術(shù)委員會(huì)成員及分會(huì)場(chǎng)主席，第一屆碳中和國(guó)際會(huì)議組委會(huì)成員等學(xué)術(shù)職務(wù)。歡迎各位專家學(xué)者和企業(yè)界朋友蒞臨指導(dǎo)，開展交流合作。