相变储热及卡诺电池研究进展

来源 | 传热传质青委会

研究背景

随着双碳目标的全面推进，新型储能技术的规模化应用势在必行。其中，储热及热机械储能是大规模新型储能技术的重要组成部分。作为储热技术之一，相变储热因其储热密度较高、运行温度恒定等特点受到广泛关注，正逐步得到规模化应用；而卡诺电池作为一种新兴的热机械储能技术，具有容量大、响应快、往返效率高等优点，且不受地理条件的限制，在电力系统调控和区域供能等方面具有广阔的应用前景。

研究内容

一、固液相变及强化传热机理研究

固液相变问题的模拟广泛采用焓值法，相界面温度与相变温度是保持一致的，而在实际的相变过程中，因表面张力或相界面运动的作用，相界面温度与相变温度之间会有偏差，即出现过冷或过热现象，这是焓值法无法解决的。本研究基于相场法建立了可考虑过冷或过热效应的固液相变模型，研究了半无限大区域内的双区域凝固问题和二维方腔考虑自然对流的熔化问题，探讨了动力学参数与过冷效应的定量关系，验证了相场法处理固液相变过冷与过热问题的可靠性；基于相场法进一步建立了表征体元尺度的金属泡沫内固液相变的数学模型，研究了瑞利数、金属泡沫孔隙形貌对相变材料熔化与凝固过程的影响，揭示了熔化与凝固过程中相场、流场和温度场的演变规律，明晰了动力学参数对凝固过程的影响。该研究成果克服了焓值法无法考虑固液相变过冷或过热效应的缺点，可以模拟更加真实的固液相变过程，具有一定的理论价值。

图1 固液相变及强化传热机理研究：(a) 双区域凝固问题；(b) 二维方腔自然对流熔化问题；(c) 表征体元尺度金属泡沫内固液相变问题

二、高温金属相变材料的制备与可靠性研究

在太阳能热发电、高温余热回收等高温应用领域，铝硅合金在单位体积储热量和导热能力等方面比无机盐相变材料更具优势，且组成元素储量高，成本可控，但循环稳定性和高温腐蚀性严重限制了铝硅合金作为相变材料的推广应用。本研究探讨了铝硅合金用作高温相变储热材料的循环稳定性，观测了不同循环次数下微观组织形貌的变化，得到了储热与传热性能的演变机制；揭示了熔融铝硅合金与工程陶瓷材料的高温腐蚀机理，找到了以Al2O3、AlN和SiC为代表的安全封装材料。该研究成果为以铝硅合金为基础的储热单元封装及其在太阳能热发电、高温余热回收系统的应用打下了基础。

图2 铝硅合金相变材料的制备与可靠性研究：(a) 多次循环后的组织形貌；(b) 多次循环后的热物性参数；(c) 高温腐蚀性测试

三、相变储热单元传热储热特性及结构优化研究

尽管金属是性能优异的相变材料，但基于经济成本、可靠性和应用场景等因素考量，有机物及无机盐依旧是目前普遍使用的相变材料，而装置层面的传热优化也是克服有机物及无机盐相变材料低导热系数短板的途径之一。

（1）管壳式相变储热单元传热结构的拓扑优化研究

肋片与流道等传热结构在性能稳定性、制造可行性、技术成熟性和经济性等方面具备明显优势，非常适用于相变储热单元的传热强化，但其结构优化多半依靠工程经验，缺乏明确的理论指导，难以实现传热效果最优化。本研究基于拓扑优化理论构建了二维相变储热单元肋片模型，研究了数值参数与最佳肋片构型的关联机制，得到了熔化过程自然对流对最佳肋片构型的影响，验证了优化后的肋片在传热过程中的优越性；基于拓扑优化理论建立了二维相变储热单元流道模型，讨论了传热/流动权重系数对流道结构的作用机制，探究了优化流道结构的传热与流动特性，证实了拓扑优化对流道设计的可靠性。该研究成果可实现明确优化目标下肋片和流道结构的高自由度优化，并与以3D打印为代表的先进加工与快速成型技术有机结合，具有一定的理论先进性和切实的技术可行性。

图3 管壳式相变储热单元传热结构的拓扑优化研究：(a) 肋片优化；(b) 流道优化

（2）梯级相变储热单元的热力学特性研究

梯级相变储热可以存储多品位热能与冷能，符合“量热度需、热尽其用，温度对口、梯级利用”的基本原则。然而，梯级相变储热的研究工作集中于理论分析和数值模拟，实验验证较少，尤其是中高温梯级相变储热实验。本研究搭建了中高温三级相变储热实验平台，测量了储热单元内部的温度变化，基于热力学定律和火积原理开展了单个单元及整个梯级储热装置的热力学分析，研究了储热单元级数、进口温度、流体流量等因素对梯级相变储热平台热力学性能的影响，验证了梯级相变储热在传热与储热方面的优势。本研究成果在合理的温度、流量、压力测试基础上成功实现了最高温度为450 ℃的热能三级存储，热存储效率、㶲存储效率和火积存储效率分别提升了23%、21%和24%。

图4 梯级相变储热单元的热力学特性研究

（3）小直径比填充床相变储热单元流动与传热规律研究

填充床模型较多采用基于表征体元尺度的均匀模型，无法考虑真实情况下孔隙率的径向波动，从而造成了速度场和温度场与实际情况的偏离，这种现象在小直径比填充床中尤为明显。本研究建立了小直径比填充床的三维随机堆积模型，得到了小直径比填充床孔隙率在径向上的统计变化规律，研究了填充床内部流动、传热及储热性能与径向孔隙率的耦合关系，探究了不同进口温度和流量下的填充床流动、传热与储热特性。该研究成果拓展了当前填充床储热单元在小直径比情况下的研究内涵。

图5 小直径比填充床相变储热单元流动与传热规律研究：(a) 数值模拟；(b) 实验研究

四、卡诺电池系统的热力学特性及经济性研究

卡诺电池（也称热泵储电）是基于热力循环和储热（冷）技术发展而来的新型大规模储能系统，并可由纯储电系统拓展为冷热电联供系统。常用的热力循环包括布雷顿循环、跨临界循环和（有机）朗肯循环等，而常见的储热技术，如显热储热、相变储热和热化学储热均可用于相应的储热/冷装置。本研究对比了布雷顿循环和跨临界CO2循环卡诺电池在采用显热储热材料时的热力学和经济性指标，得到了热经济性最优的系统配置；为提升系统储能密度，进一步建立了基于布雷顿循环和相变填充床的卡诺电池系统模型，研究了压缩机压比、填充床孔隙率、压缩机与膨胀机等熵效率、系统流速等因素对卡诺电池系统往返效率、功率密度等性能参数的影响，得到了卡诺电池系统内部不可逆损失的分布规律；基于有机朗肯循环卡诺电池可在余热资源丰富的条件下实现电能超高效存储的特性（即理论往返效率超过100%），讨论了其在300 MW热电厂调峰过程中的适用性，发现耦合有机朗肯循环卡诺电池的热电厂可成功满足94%的用电峰值负荷；提出了基于双罐储冷装置的有机朗肯循环卡诺电池， 评估了储冷介质流量、储冷温度、蒸发温度、夹点温度等关键设计参数对往返效率、平准化存储成本等系统性能参数的影响；建立了梯级相变单元的热力学与经济性模型，讨论了相变单元纯储电模式和热电/冷电联供模式对热力学性能与经济性指标的影响，奠定了将卡诺电池由纯储电系统拓展为可同时提供电能、不同品位冷能和热能的智慧能源管理系统的基础。该研究成果对各类型的卡诺电池进行了较为系统的探讨。

图6 卡诺电池系统的热力学特性研究：(a) 布雷顿循环卡诺电池；(b) 有机朗肯循环卡诺电池

总结与展望

作为大规模储热与热机械储能技术的重要组成部分，相变储热和卡诺电池已受到学术界、产业界和政府部门的广泛关注，相变储热和卡诺电池的研究与开发工作在机理、材料、装置和系统等层面也取得了长足的进步。在此，就上述研究基础对相变储热和卡诺电池做如下四点展望：(1) 固液相变机理需进一步揭示，尤其是纳米尺度到宏观尺度的系列模型构建与实验验证；(2) 金属相变材料在多次循环下的传热储热特性与微观结构的关系待深入探究，尤其是定量关系；(3) 相变储热单元结构的多目标多层次高自由度优化待开展，比如流道与肋片两级结构优化；(4) 卡诺电池关键部件研发、多场景系统耦合、智能运行调控、经济性评价等是卡诺电池技术推广应用的关键。

论文信息

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作者介绍

赵耀，上海交通大学智慧能源创新学院副教授，入选上海市领军人才（海外）计划。中南大学学士、硕士，上海交通大学博士，先后在上海交通大学和帝国理工学院开展博士后研究，从事储热及热机械储能研究，聚焦相变储热和卡诺电池。发表高水平期刊论文16篇、会议论文10篇，撰写中英文专著章节2章，授权发明专利2项。主持国家自然科学基金青年项目、全国博管会博士后国际交流计划派出项目、能源清洁利用国家重点实验室开放基金、国家电投-上海交大未来能源计划联合基金等科研项目4项，参与国家自然科学基金重大项目/重点项目、973计划、英国工程和自然科学研究基金等国内外大型科研项目多项。获全国博管会博士后国际交流计划学术交流项目基金等奖励。担任 Energy Storage and Saving、Green Energy and Resources等期刊青年编委，Applied Thermal Engineering热储能专刊客座编辑，第十五届国际传热、流体力学和热力学会议学术委员会成员及分会场主席，第一届碳中和国际会议组委会成员等学术职务。欢迎各位专家学者和企业界朋友莅临指导，开展交流合作。