Teknologi penyimpanan panas: meningkatkan efisiensi pemanfaatan energi panas secara komprehensif
Saat ini, di banyak sistem pemanfaatan energi, terdapat kontradiksi antara ketidaksesuaian pasokan dan permintaan energi, yang mengakibatkan pemanfaatan energi yang tidak wajar dan sejumlah besar pemborosan. Efisiensi energi seperti energi matahari dan panas limbah industri rendah, yang tidak hanya membuang sumber daya, tetapi juga menyebabkan polusi termal yang tidak dapat diabaikan ke lingkungan atmosfer.
Untuk alasan ini, peningkatan konversi dan pemanfaatan energi telah menjadi isu utama yang harus diprioritaskan oleh negara-negara untuk menerapkan strategi pembangunan berkelanjutan, dan pengembangan teknologi penyimpanan panas untuk penggunaan energi panas yang komprehensif dan efektif adalah sangat penting.
Sumber daya yang melimpah tersedia
Energi matahari merupakan sumber energi dasar yang paling penting di antara sumber energi terbarukan. Ini adalah"tak habis-habisnya dan tak habis-habisnya" dan didistribusikan secara luas dan bebas polusi. Ini adalah energi bersih yang ekonomis. Matahari dapat melepaskan energi sebesar 391×1021 kW per detik. Bahkan jika energi yang terpancar ke permukaan bumi hanya satu-2.2 miliar, itu setara dengan 80.000 kali pembangkit listrik dunia'. negara saya adalah negara yang relatif kaya energi surya. Lebih dari dua pertiga negara ini memiliki radiasi matahari tahunan lebih dari 6 GJ·m2 dan jam sinar matahari tahunan lebih dari 2.200 jam. Energi radiasi matahari tahunan yang diterima oleh permukaan bumi' di negara saya adalah sekitar 50×1019 kJ, yang setara dengan 170 miliar ton batu bara standar. Sumber energi surya yang melimpah juga memberikan kondisi yang baik bagi negara saya' pengembangan dan pemanfaatan pembangkit listrik tenaga surya. Panas limbah industri terutama berasal dari industri seperti metalurgi, bahan bangunan, dan bahan kimia. Statistik pada tahun 2010 menunjukkan bahwa sumber panas limbah industri menyumbang hingga 67% dari total panas bahan bakar, di mana tingkat pemulihannya mencapai 60%. Namun, tingkat pemanfaatan keseluruhan sumber daya panas limbah di negara saya rendah, dan tingkat pemanfaatan limbah panas dari perusahaan besi dan baja besar adalah sekitar 30%. ~50%.
Ada banyak ruang untuk perbaikan dalam tingkat pemanfaatan sumber daya panas limbah industri di negara saya. Ambil contoh industri metalurgi. Pada tahun 2010, produksi baja mentah negara saya adalah 627 juta ton. Energi yang terkandung dalam gas buang yang dihasilkan setara dengan 30 juta ton batubara standar, dan jumlah terak baja yang dihasilkan sekitar 280 juta ton, dan energi panas yang terkandung setara dengan 10 juta ton batubara standar. . Saat ini, tingkat pemanfaatan panas limbah gas buang di perusahaan besi dan baja domestik sekitar 30%, dan tingkat pemanfaatan panas limbah terak besi dan baja hampir nol. Jika tingkat pemanfaatan limbah panas gas buang dapat ditingkatkan hingga 90% dan tingkat pemanfaatan limbah panas terak baja dapat ditingkatkan hingga 60%, 21,6 juta ton batubara standar dapat dihemat setiap tahun, pengurangan emisi CO2 sekitar 50 juta ton, dan 3,3 miliar kWh pembangkit listrik dapat dihasilkan.
Dapat dilihat bahwa pemanfaatan kembali limbah panas merupakan permintaan utama dari strategi energi negara saya' dengan manfaat ekonomi yang tak terukur, dan sangat penting bagi pembangunan ekonomi, kemajuan sosial negara saya' , dan ketahanan energi nasional. Namun, apakah itu energi surya atau sumber panas limbah industri, ada masalah intermiten dan ketidakstabilan, yang secara serius menghambat promosi dan penerapan teknologi terkait.
Kebutuhan mendesak akan teknologi penyimpanan panas laten suhu sedang dan tinggi
Penggunaan teknologi penyimpanan panas dapat mengurangi kontradiksi antara pasokan dan permintaan energi panas dalam hal waktu, intensitas dan ruang, dan merupakan sarana penting untuk operasi sistem energi panas yang dioptimalkan. Penyimpanan panas terutama mencakup tiga bentuk: penyimpanan panas sensibel, penyimpanan panas laten, dan penyimpanan panas reaksi kimia.
Penyimpanan panas reaksi kimia masih dalam tahap penelitian eksperimental karena sistemnya yang kompleks, kesulitan teknis, dan pengoperasian yang buruk; Meskipun teknologi penyimpan panas sensibel telah banyak digunakan, penyimpanan panas disebabkan oleh densitas penyimpanan panas yang rendah per satuan volume bahan penyimpan panas Jumlah bahan yang besar membuat sistem penyimpanan panas berkapasitas besar menjadi besar, rumit dalam proses, dan berbiaya tinggi .
Penyimpanan panas laten adalah menggunakan panas laten yang dilepaskan atau diserap oleh proses perubahan fasa dari bahan penyimpan panas untuk menyimpan dan melepaskan panas. Dibandingkan dengan teknologi penyimpanan panas yang masuk akal, penyimpanan panas laten memiliki keuntungan dari kepadatan penyimpanan panas yang besar per satuan volume, dan memiliki penyerapan dan pelepasan energi yang lebih besar dalam rentang suhu transisi fase, dan kisaran suhu penyimpanan dan pelepasan sempit, yang bermanfaat untuk mengisi dan melepaskan Suhu proses termal stabil.
Untuk meningkatkan efisiensi konversi energi dan mengurangi biaya, teknologi pemanfaatan panas matahari bergerak menuju suhu operasi yang lebih tinggi. Suhu operasi pembangkit listrik termal telah melebihi 600 °C, dan suhu sejumlah besar panas limbah industri juga sangat tinggi (misalnya, suhu gas buang konverter sekitar 1600 °C).
Ini semua sangat perlu untuk meneliti dan mengembangkan teknologi penyimpanan panas laten suhu menengah dan tinggi. Meskipun banyak sarjana di dalam dan luar negeri telah melakukan penelitian dari berbagai tingkat seperti bahan dan proses untuk waktu yang lama, sejauh ini, masih belum ada sistem penyimpanan panas laten suhu menengah dan tinggi yang beroperasi secara stabil.
Setelah bertahun-tahun penelitian mendalam di bidang ini oleh banyak unit penelitian domestik dan asing, dikombinasikan dengan status dan tren perkembangan teknologi dalam dan luar negeri saat ini, diyakini bahwa teknologi penyimpanan panas laten suhu menengah dan tinggi terutama menghadapi hal-hal berikut masalah yang luar biasa.
Pertama, ada kekurangan bahan penyimpanan panas laten suhu menengah dan tinggi dengan sifat komprehensif seperti kepadatan penyimpanan panas yang tinggi dan konduktivitas termal yang kuat. Dasar dari teknologi penyimpanan panas laten adalah bahan perubahan fasa. Saat ini, penelitian tentang bahan penyimpan panas suhu rendah (<100 °c)="" berbasis="" lilin="" parafin="" dan="" garam="" terhidrasi="" telah="" ekstensif,="" dan="" juga="" telah="" diterapkan="" di="" bidang="" konstruksi="" dan="" pakaian.="" namun,="" bahan="" penyimpan="" panas="" suhu="" menengah="" dan="" tinggi,="" terutama="" bahan="" penyimpan="" panas="" perubahan="" fasa="" suhu="" tinggi="" dengan="" titik="" leleh="">600 °C, masih kurang.
Kedua, bahan penyimpanan panas perubahan fase suhu menengah dan tinggi terutama garam dan paduan anorganik. Di satu sisi, pemilihan bahan kandidat membutuhkan pemahaman mendalam tentang termodinamika dan mekanisme kinetik dari proses transisi fasa material. Di sisi lain, perlu untuk mengungkapkan pengaruh struktur mikro pada sifat termal bahan dari dua aspek: perpindahan panas yang ditingkatkan dan penyimpanan panas yang efisien.
Selain itu, enkapsulasi bahan perubahan fasa cair-padat dan peluruhan sifat termal selama proses layanan juga merupakan konten yang sangat diperlukan dalam penelitian bahan perubahan fasa suhu menengah dan tinggi. Hal ini sering menjadi masalah hambatan dalam penelitian dan pengembangan bahan tersebut. Bahan penyimpanan panas berkinerja tinggi untuk dikembangkan
Banyak ilmuwan di dalam dan luar negeri telah mempelajari logam sebagai bahan penyimpan panas. Pada tahun 1980, Birchenall et al. mengukur dan menganalisis sifat termofisika paduan biner dan terner yang terdiri dari Al, Cu, Mg, Si dan Zn, yang melimpah di bumi, dan menemukan bahwa suhu transisi fase berada di kisaran 780～850 K dan kaya akan Si. Atau paduan Al memiliki densitas penyimpanan panas tertinggi, dan kemudian bahan penyimpan panas perubahan fasa berbasis aluminium dan silikon telah dipelajari secara ekstensif.
Bahan garam anorganik memiliki berbagai sumber, nilai entalpi perubahan fasa yang besar, dan harga yang moderat, dan sangat cocok untuk digunakan sebagai bahan penyimpan panas perubahan fasa suhu menengah dan tinggi. Para peneliti mempelajari sifat termofisika garam cair dengan suhu lebih tinggi dari 450 , dan memperluas penerapan garam eutektik anorganik dengan kisaran suhu 220 hingga 290 ke bidang pembangkit listrik panas matahari, dan lulus tes seperti diferensial pemindaian kalorimetri. Metode, sifat termofisika garam cair diukur.
Selain itu, laju perubahan volume banyak sistem garam cair sebelum dan sesudah perubahan fasa melebihi 10%. Laju perubahan volume yang lebih besar meningkatkan rongga dalam sistem material perubahan fasa garam cair, mempengaruhi laju penyimpanan/pelepasan panas, dan meningkatkan penyimpanan panas. Kesulitan desain peralatan sistem mengurangi efisiensi penyimpanan panas. Untuk alasan ini, para peneliti telah mempelajari kompatibilitas bahan penyimpan panas perubahan fasa garam cair dengan baja tahan karat, dan hasilnya menunjukkan bahwa baja tahan karat memiliki efek anti korosi yang baik pada sebagian besar garam cair.
Pada saat yang sama, kinerja siklus bahan perubahan fasa paduan berbasis aluminium terner dan kompatibilitas dengan wadah; kompatibilitas garam cair fluorida dengan kobalt, nikel dan baja paduan elemen logam tahan api; kompatibilitas lithium hidroksida dengan bahan paduan struktural Dalam aspek lain, para ilmuwan juga telah melakukan penelitian.
Meskipun beberapa hasil telah dicapai dalam penelitian bahan penyimpan panas perubahan fasa suhu menengah dan tinggi, biaya bahan pengubah fasa logam dan paduan tinggi, dan densitas penyimpanan panas per satuan massa terbatas. Selain itu, aktivitas kimia bahan perubahan fasa paduan logam lebih kuat setelah perubahan fasa. , Korosi suhu tinggi yang parah sangat membatasi aplikasinya yang luas di bidang penyimpanan panas suhu sedang dan tinggi.
Sebagai bahan penyimpan panas perubahan fasa, garam cair memiliki entalpi perubahan fasa yang besar, densitas penyimpanan panas yang tinggi, dan harga yang moderat. Ini memiliki potensi pengembangan yang besar di bidang aplikasi penyimpanan panas suhu menengah dan tinggi. Namun, garam cair memiliki konduktivitas termal yang buruk dan memiliki masalah korosi suhu tinggi yang serius dengan bahan perubahan fasa paduan logam, yang masih menjadi masalah yang membatasi aplikasi skalanya.
Oleh karena itu, pengembangan bahan penyimpanan panas berkinerja tinggi dan metode persiapannya merupakan tren yang tak terhindarkan dalam penelitian bahan penyimpanan panas suhu menengah dan tinggi dan cara yang tak terhindarkan untuk pengembangan teknologi penyimpanan panas.
Penyebaran energi matahari, panas limbah industri, rentang energi yang besar, dan sifat energi terbarukan yang berselang-seling, semuanya memerlukan teknologi penyimpanan panas perubahan fase suhu menengah dan tinggi.
Penelitian teknologi penyimpanan panas skala besar melibatkan persimpangan ilmu material, teknik kimia, teknik mesin, perpindahan panas dan massa dan aliran multifase.
Pengembangan bahan penyimpanan panas perubahan fase suhu menengah dan tinggi kinerja tinggi sangat penting untuk bidang penyimpanan panas suhu menengah dan tinggi, terutama pembangkit listrik panas matahari, pemulihan panas limbah industri dan bidang lainnya.
