Technologie de stockage de chaleur : améliorez l'efficacité de l'utilisation complète de l'énergie thermique
À l'heure actuelle, dans de nombreux systèmes d'utilisation de l'énergie, il existe une contradiction entre l'offre et la demande d'énergie, ce qui entraîne une utilisation déraisonnable de l'énergie et une grande quantité de déchets. L'efficacité énergétique telle que l'énergie solaire et la chaleur résiduelle industrielle est faible, ce qui non seulement gaspille des ressources, mais provoque également une pollution thermique non négligeable de l'environnement atmosphérique.
Pour cette raison, l'amélioration de la conversion et de l'utilisation de l'énergie est devenue un problème majeur auquel les pays doivent donner la priorité pour mettre en œuvre des stratégies de développement durable, et le développement de technologies de stockage de chaleur pour une utilisation complète et efficace de l'énergie thermique est d'une importance primordiale.
Des ressources abondantes disponibles
L'énergie solaire est la source d'énergie de base la plus importante parmi les sources d'énergie renouvelables. C'est"inépuisable et inépuisable" et est largement distribué et sans pollution. C'est une énergie propre et économique. Le soleil peut libérer une énergie de 391 × 1021 kW par seconde. Même si l'énergie rayonnée à la surface de la terre n'est que d'un à 2,2 milliardièmes, elle équivaut à 80 000 fois la production d'électricité mondiale. mon pays est un pays relativement riche en énergie solaire. Plus des deux tiers du pays ont un rayonnement solaire annuel de plus de 6 GJ·m2 et des heures d'ensoleillement annuelles de plus de 2 200 h. L'énergie radiante solaire annuelle reçue par la surface de la terre's dans mon pays est d'environ 50 × 1019 kJ, ce qui équivaut à 170 milliards de tonnes de charbon standard. Des ressources d'énergie solaire aussi abondantes offrent également de bonnes conditions pour le développement et l'utilisation de la production d'énergie solaire de mon pays &. La chaleur résiduelle industrielle provient principalement d'industries telles que la métallurgie, les matériaux de construction et les produits chimiques. Les statistiques de 2010 ont montré que les ressources de chaleur résiduelle industrielle représentaient jusqu'à 67 % de la chaleur totale du combustible, dont le taux de récupération atteignait 60 %. Cependant, le taux d'utilisation global des ressources de chaleur résiduelle dans mon pays est faible et le taux d'utilisation de la chaleur résiduelle des grandes entreprises sidérurgiques est d'environ 30 %. ~50%.
Le taux d'utilisation des ressources de chaleur résiduelle industrielle dans mon pays peut encore être amélioré. Prenons l'exemple de l'industrie métallurgique. En 2010, la production d'acier brut de mon pays était de 627 millions de tonnes. L'énergie contenue dans les gaz de combustion produits équivalait à 30 millions de tonnes de charbon standard, et la quantité de scories d'acier produites était d'environ 280 millions de tonnes, et l'énergie thermique contenue équivalait à 10 millions de tonnes de charbon standard. . À l'heure actuelle, le taux d'utilisation de la chaleur résiduelle des gaz de combustion dans les entreprises sidérurgiques nationales est d'environ 30 %, et le taux d'utilisation de la chaleur résiduelle des scories de fer et d'acier est presque nul. Si le taux d'utilisation de la chaleur résiduelle des gaz de combustion peut être augmenté à 90 % et le taux d'utilisation de la chaleur résiduelle des scories d'acier peut être augmenté à 60 %, 21,6 millions de tonnes de charbon standard peuvent être économisées chaque année, une réduction des émissions de CO2 d'environ 50 millions tonnes et 3,3 milliards de kWh de production d'électricité peuvent être générés.
On peut voir que la récupération de la chaleur résiduelle est une exigence majeure de la stratégie énergétique de mon pays's, avec des avantages économiques incommensurables, et est d'une grande importance pour le développement économique de mon pays', le progrès social , et la sécurité énergétique nationale. Cependant, qu'il s'agisse d'énergie solaire ou de ressources de chaleur résiduelle industrielle, il existe des problèmes d'intermittence et d'instabilité, qui entravent sérieusement la promotion et l'application des technologies connexes.
Besoin urgent de technologie de stockage de chaleur latente à moyenne et haute température
L'utilisation de la technologie de stockage de chaleur peut atténuer la contradiction entre l'offre et la demande d'énergie thermique en termes de temps, d'intensité et d'espace, et constitue un moyen important pour un fonctionnement optimisé des systèmes d'énergie thermique. Le stockage de chaleur comprend principalement trois formes : le stockage de chaleur sensible, le stockage de chaleur latente et le stockage de chaleur par réaction chimique.
Le stockage de chaleur par réaction chimique est encore au stade de la recherche expérimentale en raison de son système complexe, de ses difficultés techniques et de sa faible opérabilité ; bien que la technologie de stockage de chaleur sensible ait été largement utilisée, le stockage de chaleur est causé par la faible densité de stockage de chaleur par unité de volume de matériaux de stockage de chaleur La grande quantité de matériaux rend le système de stockage de chaleur de grande capacité encombrant, compliqué dans le processus et élevé en coût .
Le stockage de chaleur latente consiste à utiliser la chaleur latente libérée ou absorbée par le processus de changement de phase du matériau de stockage de chaleur pour stocker et libérer de la chaleur. Par rapport à la technologie de stockage de chaleur sensible, le stockage de chaleur latente a l'avantage d'une grande densité de stockage de chaleur par unité de volume, et a une plus grande absorption et libération d'énergie dans la plage de température de transition de phase, et la plage de température de stockage et de libération est étroite, ce qui est bénéfique pour charger et relâcher La température du processus thermique est stable.
Afin d'améliorer l'efficacité de la conversion d'énergie et de réduire les coûts, la technologie d'utilisation de l'énergie solaire thermique évolue vers des températures de fonctionnement plus élevées. La température de fonctionnement de la production d'énergie thermique a dépassé 600°C, et la température d'une grande quantité de chaleur résiduelle industrielle est également très élevée (par exemple, la température des fumées du convertisseur est de 1600°C environ).
Tous ces éléments ont un besoin urgent de rechercher et de développer des technologies de stockage de chaleur latente à moyenne et haute température. Bien que de nombreux chercheurs nationaux et étrangers aient mené des recherches à différents niveaux, tels que les matériaux et les processus, jusqu'à présent, il n'existe toujours pas de système mature de stockage de chaleur latente à moyenne et haute température qui fonctionne de manière stable.
Après de nombreuses années de recherches approfondies dans ce domaine par de nombreuses unités de recherche nationales et étrangères, combinées à l'état actuel et aux tendances du développement des technologies nationales et étrangères, on pense que la technologie de stockage de chaleur latente à moyenne et haute température est principalement confrontée aux problèmes suivants problèmes en suspens.
Premièrement, il y a un manque de matériaux de stockage de chaleur latente à moyenne et haute température avec des propriétés complètes telles qu'une densité de stockage de chaleur élevée et une forte conductivité thermique. Les matériaux à changement de phase sont à la base de la technologie de stockage de chaleur latente. À l'heure actuelle, les recherches sur les matériaux de stockage de chaleur à basse température (& lt;100°C) à base de cire de paraffine et de sel hydraté ont été approfondies et ont également été appliquées dans les domaines de la construction et de l'habillement. Cependant, les matériaux de stockage de chaleur à moyenne et haute température, en particulier les matériaux de stockage de chaleur à changement de phase à haute température avec un point de fusion>600°C, font encore défaut.
Deuxièmement, les matériaux de stockage de chaleur à changement de phase à moyenne et haute température sont principalement des sels et alliages inorganiques. D'une part, la sélection des matériaux candidats nécessite une compréhension approfondie de la thermodynamique et des mécanismes cinétiques du processus de transition de phase du matériau. D'autre part, il est nécessaire de révéler l'influence de la microstructure sur les propriétés thermiques des matériaux sous deux aspects : un transfert de chaleur amélioré et un stockage de chaleur efficace.
De plus, l'encapsulation de matériaux à changement de phase liquide-solide et la dégradation des propriétés thermiques au cours du processus de service sont également des contenus indispensables dans la recherche de matériaux à changement de phase à moyenne et haute température. Il s'agit souvent d'un problème de goulot d'étranglement dans la recherche et le développement de tels matériaux. Des matériaux de stockage de chaleur performants à développer
De nombreux scientifiques au pays et à l'étranger ont étudié les métaux comme matériaux de stockage de chaleur. En 1980, Birchenall et al. mesuré et analysé les propriétés thermophysiques d'alliages binaires et ternaires composés d'Al, Cu, Mg, Si et Zn, qui sont abondants sur Terre, et a constaté que la température de transition de phase est comprise entre 780 et 850 K et riche en Si. Ou les alliages d'aluminium ont la densité de stockage de chaleur la plus élevée, puis les matériaux de stockage de chaleur à changement de phase en alliage à base d'aluminium et de silicium ont été largement étudiés.
Les matériaux salins inorganiques ont une large gamme de sources, de grandes valeurs d'enthalpie à changement de phase et des prix modérés, et sont particulièrement adaptés à une utilisation comme matériaux de stockage de chaleur à changement de phase à moyenne et haute température. Les chercheurs ont étudié les propriétés thermophysiques du sel fondu à une température supérieure à 450 et ont étendu l'application du sel eutectique inorganique avec une plage de température de 220 à 290 au domaine de la production d'énergie solaire thermique, et ont réussi des tests tels que le différentiel calorimétrie à balayage. Méthode, les propriétés thermophysiques du sel fondu ont été mesurées.
De plus, le taux de changement de volume de nombreux systèmes de sels fondus avant et après le changement de phase dépasse 10 %. Le taux de changement de volume plus élevé augmente les vides dans le système de matériau à changement de phase de sel fondu, affecte le taux de stockage/libération de chaleur et augmente le stockage de chaleur. La difficulté de conception de l'équipement du système réduit l'efficacité du stockage de la chaleur. Pour cette raison, les chercheurs ont étudié la compatibilité des matériaux de stockage de chaleur à changement de phase des sels fondus avec l'acier inoxydable, et les résultats montrent que l'acier inoxydable a un bon effet anti-corrosion sur la plupart des sels fondus.
Dans le même temps, les performances de cycle des matériaux à changement de phase en alliage ternaire à base d'aluminium et la compatibilité avec les conteneurs ; la compatibilité des sels fondus fluorés avec les aciers alliés au cobalt, au nickel et aux éléments métalliques réfractaires ; la compatibilité de l'hydroxyde de lithium avec des matériaux d'alliage structurels Dans d'autres aspects, les scientifiques ont également mené des recherches.
Bien que certains résultats aient été obtenus dans la recherche de matériaux de stockage de chaleur à changement de phase à moyenne et haute température, le coût des matériaux à changement de phase en métal et alliage est élevé et la densité de stockage de chaleur par unité de masse est limitée. De plus, l'activité chimique des matériaux à changement de phase en alliage métallique est plus forte après le changement de phase. , La corrosion sévère à haute température limite considérablement sa large application dans le domaine du stockage de chaleur à moyenne et haute température.
En tant que matériau de stockage de chaleur à changement de phase, le sel fondu a une grande enthalpie de changement de phase, une densité de stockage de chaleur élevée et un prix modéré. Il a un grand potentiel de développement dans le domaine des applications de stockage de chaleur à moyenne et haute température. Cependant, le sel fondu a une mauvaise conductivité thermique et présente de sérieux problèmes de corrosion à haute température avec les matériaux à changement de phase en alliage métallique, ce qui reste un problème qui limite son application à grande échelle.
Par conséquent, le développement de matériaux de stockage de chaleur haute performance et de leurs méthodes de préparation est une tendance inévitable dans la recherche de matériaux de stockage de chaleur à moyenne et haute température et une voie inévitable pour le développement de la technologie de stockage de chaleur.
La dispersion de l'énergie solaire, la chaleur résiduelle industrielle, la grande portée énergétique et la nature intermittente des énergies renouvelables nécessitent toutes une technologie de stockage de chaleur à changement de phase à moyenne et haute température.
La recherche sur la technologie de stockage de chaleur à grande échelle implique l'intersection de la science des matériaux, du génie chimique, du génie mécanique, du transfert de chaleur et de masse et de l'écoulement polyphasique.
Le développement de matériaux de stockage de chaleur à changement de phase à moyenne et haute température à hautes performances est d'une grande importance pour le domaine du stockage de chaleur à moyenne et haute température, en particulier la production d'énergie solaire thermique, la récupération de chaleur résiduelle industrielle et d'autres domaines.
