中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：摘要：鋁硅合金相變材料的密度和熱導(dǎo)率高，穩(wěn)定性強(qiáng)，在儲(chǔ)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)中有著極大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力。本文針對(duì)鋁硅合金材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展進(jìn)行綜述，文章首先回顧了鋁硅相變材料國(guó)內(nèi)外研究實(shí)例，總結(jié)核心物理參數(shù)，以此為基礎(chǔ)提出相變儲(chǔ)熱材料與換熱技術(shù)的研發(fā)方向，包括容器材料穩(wěn)定性、鋁硅相變物理性以及相變蓄熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后總結(jié)了鋁硅合金的未來(lái)應(yīng)用發(fā)展方向。
傳熱儲(chǔ)熱是儲(chǔ)能技術(shù)中的一項(xiàng)重點(diǎn)研究項(xiàng)目，在國(guó)家節(jié)能減排、可再生能源利用方面具有重要作用。而儲(chǔ)熱項(xiàng)目效果受到儲(chǔ)熱材料的影響較大，從市場(chǎng)反應(yīng)來(lái)看，在常規(guī)儲(chǔ)熱材料中，無(wú)機(jī)水合鹽很容易實(shí)現(xiàn)材料析出，而熔鹽相變材料則有低密度和導(dǎo)熱性能差等問題。其他復(fù)合型相變材料雖然有的綜合應(yīng)用效果較好，但是自身材料制作工藝復(fù)雜，推廣難度大，更多還處在實(shí)驗(yàn)理論階段。與上述材料相比，合金材料的密度和熱導(dǎo)率較高，更容易降低熱能存儲(chǔ)單元量，穩(wěn)定性更優(yōu)?？梢詰?yīng)用于未來(lái)太陽(yáng)能發(fā)電和工業(yè)回收等領(lǐng)域。本研究以金屬基合金材料為核心，重點(diǎn)分析了鋁硅合金在儲(chǔ)能技術(shù)中的應(yīng)用與發(fā)展前景。
1
鋁硅合金儲(chǔ)熱材料的國(guó)內(nèi)外研究
1.1鋁硅合金儲(chǔ)熱研究現(xiàn)狀
在當(dāng)前的市場(chǎng)環(huán)境下，常規(guī)合金相變材料一般以鋁、鎂、鋅為核心制備，其中鋁基合金的綜合應(yīng)用效果最好。單一的金屬鋁由于自身相變潛熱高達(dá)450 kJ/kg、相變溫度高達(dá)680℃，且熔融鋁液具有較強(qiáng)腐蝕性，所以很難找到容器材料，應(yīng)用范圍和相關(guān)研究也較少。而鋁硅合金儲(chǔ)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)適中，一般為120～220 W/(m·K)，儲(chǔ)能密度高，相變潛熱達(dá)到400～500 kJ/kg，而且鋁硅合金的工作溫度高且穩(wěn)定(自身相變溫度為580℃，工作溫度可以達(dá)到600℃)，自身腐蝕性低，目前已經(jīng)是較為重要的合金相變儲(chǔ)熱材料，在高溫儲(chǔ)能與太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域具有優(yōu)異的研究潛力和應(yīng)用前景。
傳統(tǒng)單一的金屬鋁，自身相變潛熱和相變溫度較高，分別為450 kJ/kg和680℃，且熔融鋁液腐蝕性強(qiáng)，容器材料的選擇面較為狹窄，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍和相關(guān)研究較少。反之，鋁硅合金具有較為合適的導(dǎo)熱系數(shù)且儲(chǔ)能密度較好，工作溫度耐受度達(dá)到580℃，且極為穩(wěn)定。自身腐蝕性較低，目前是市場(chǎng)上較為優(yōu)質(zhì)的合金相變儲(chǔ)熱材料，在儲(chǔ)能與發(fā)電領(lǐng)域具有較大的開發(fā)和研究潛力。
目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者均對(duì)其進(jìn)行了研究。在國(guó)內(nèi)，研究主要集中在鋁硅合金儲(chǔ)熱材料的制備工藝、性能優(yōu)化和應(yīng)用拓展等方面。一些研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整合金成分和比例，以提高鋁硅合金的儲(chǔ)熱密度和儲(chǔ)熱效率。同時(shí)，他們還研究了鋁硅合金與其他材料的復(fù)合效應(yīng)，以改善其儲(chǔ)熱性能和穩(wěn)定性。一些研究還關(guān)注鋁硅合金儲(chǔ)熱材料在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)和成本效益，以推動(dòng)其市場(chǎng)化進(jìn)程。
在國(guó)外，對(duì)鋁硅合金儲(chǔ)熱材料的研究同樣活躍。一些研究機(jī)構(gòu)關(guān)注鋁硅合金的相變儲(chǔ)熱特性，通過深入研究其相變過程和熱學(xué)性能，探索提高儲(chǔ)熱效率的新方法。此外，他們還研究了鋁硅合金儲(chǔ)熱材料在太陽(yáng)能集熱、工業(yè)余熱回收等領(lǐng)域的應(yīng)用，以推動(dòng)可再生能源的利用和節(jié)能減排。
1.2鋁硅合金研究實(shí)例
從日常使用和儲(chǔ)熱性出發(fā)，對(duì)一系列合金如：Al、Si、Cu、Mg等不同元素合金的熱量參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鋁基合金的綜合性能最好，其相變潛熱和導(dǎo)熱率等實(shí)驗(yàn)參數(shù)較優(yōu)。已有研究結(jié)果表明，鋁基合金材料的熱容量極值為1800 kJ/L，再一次證明了鋁基材料的穩(wěn)定性和耐熱度。2023年7月，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所分析研究出了Al-Si合金，證實(shí)了鋁硅合金在抗氧化領(lǐng)域的優(yōu)越性。同年9月，廣東工業(yè)大學(xué)研究組通過介質(zhì)改變等形式，改良了相變儲(chǔ)能設(shè)備結(jié)構(gòu)，對(duì)鋁硅合金進(jìn)行深入探索。通過一系列綜合分析，可以肯定，實(shí)驗(yàn)分析的相變儲(chǔ)熱材料其相變溫度可以達(dá)到650℃左右，具有較大的相變潛熱。
2
相變儲(chǔ)熱換熱器
目前針對(duì)鋁硅合金的相變材料制備研究較為廣泛，但是合金相變儲(chǔ)熱器的研究則相對(duì)薄弱。相變儲(chǔ)熱換熱器的日常工作需要借助相變材料的儲(chǔ)熱特征。這是一種可以在一定溫度內(nèi)進(jìn)行吸放熱的物質(zhì)，且在這一過程中自身溫度不變。
相變儲(chǔ)熱換熱器需要儲(chǔ)存熱能時(shí)，相變材料吸收熱量并發(fā)生相變，將熱量?jī)?chǔ)存在材料內(nèi)部。而在需要釋放熱能時(shí)，相變材料則通過相變過程釋放之前儲(chǔ)存的熱量，傳遞給外部系統(tǒng)。通過控制相變材料的相變溫度和相變熱，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱能的精準(zhǔn)調(diào)控。
目前市場(chǎng)上，相變儲(chǔ)熱器大多都是管板式的，也就是將相變儲(chǔ)熱材料裝在管式或者板狀的容器中，再集中添加到大型換熱器，提前預(yù)留供傳熱流管道。
從現(xiàn)有環(huán)境來(lái)看，對(duì)相變儲(chǔ)熱換熱器的研究更多集中在合金相變儲(chǔ)熱材料的改性研究、相變機(jī)理、相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用方面，對(duì)相變儲(chǔ)熱裝置自身的原理以及結(jié)構(gòu)改進(jìn)則相對(duì)薄弱。想要真正實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能儲(chǔ)熱技術(shù)的快速發(fā)展，必須結(jié)合相變儲(chǔ)熱器的原理結(jié)構(gòu)研究才能實(shí)現(xiàn)。
而對(duì)于合金相變儲(chǔ)熱材料來(lái)說，同樣有必要強(qiáng)化金屬換熱性能理論的分析研究，提高其工質(zhì)流量、溫度變化，通過總結(jié)其相變儲(chǔ)熱換熱性能，探究應(yīng)用規(guī)律。
3
鋁硅合金儲(chǔ)熱材料與性能規(guī)律研究
3.1合金容器材料分析
鋁硅合金具有較強(qiáng)的儲(chǔ)熱能力和導(dǎo)熱系數(shù)。這是鋁硅合金可以應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要優(yōu)勢(shì)。但是鋁硅合金具有一定腐蝕性，尤其是在高溫狀態(tài)下其腐蝕性更強(qiáng)。這就衍生了鋁硅合金容器材料選擇問題，這也是限制鋁硅合金應(yīng)用推廣的核心原因。
目前針對(duì)這一問題，國(guó)內(nèi)外不少研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開展了大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)已有研究以陶瓷鋼管作為相變材料容器主材，用陶瓷鋼制備復(fù)合無(wú)縫鋼管，內(nèi)層使用玉瓷，這樣可以較好保留鋼管強(qiáng)度，提高其韌性、耐沖擊性，同時(shí)也能發(fā)揮陶瓷耐高溫腐蝕的優(yōu)勢(shì)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，這種材料的綜合性能較好，較為適合承裝鋁硅高溫相材料。
3.2鋁硅相變材料物理性
儲(chǔ)熱材料是儲(chǔ)熱換熱技術(shù)的核心，其性能直接影響儲(chǔ)熱效率和換熱效果。未來(lái)，儲(chǔ)熱材料的研發(fā)將朝著高儲(chǔ)熱密度、高穩(wěn)定性、低成本的方向發(fā)展。
高儲(chǔ)熱密度材料：通過優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)和成分，提高單位體積或質(zhì)量的儲(chǔ)熱能力，實(shí)現(xiàn)更高效的熱能儲(chǔ)存。例如，研發(fā)新型相變材料，利用其高潛熱和顯熱特性，提高儲(chǔ)熱密度。
高穩(wěn)定性材料：針對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)熱材料易老化、易分解等問題，研發(fā)具有高穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命的儲(chǔ)熱材料。這涉及到對(duì)材料化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)以及熱穩(wěn)定性的深入研究，確保儲(chǔ)熱材料在長(zhǎng)期使用過程中能夠保持穩(wěn)定的性能。
低成本材料：降低儲(chǔ)熱材料的生產(chǎn)成本，是推動(dòng)儲(chǔ)熱換熱技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。未來(lái)，可以通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高材料利用率、尋找替代原料等方式，降低儲(chǔ)熱材料的制造成本。
3.3相變蓄熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化
未來(lái)可以通過建立鋁硅合金的相變儲(chǔ)熱模型，以模擬實(shí)驗(yàn)和仿真分析等形式，構(gòu)建鋁硅合金相變儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)參數(shù)分析單元，該單元可以囊括不同物理結(jié)果中的參數(shù)特征關(guān)系，以此確定系統(tǒng)熱能存儲(chǔ)量和釋放量的最大差值。進(jìn)而分析出相變儲(chǔ)熱過程中的無(wú)量綱相關(guān)參數(shù)，并以此建立數(shù)據(jù)集合。未來(lái)對(duì)相變儲(chǔ)熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化需要從儲(chǔ)熱系統(tǒng)的換熱率和材料出發(fā)，深入探究鋁硅合金的流動(dòng)特性，根據(jù)相變儲(chǔ)熱介質(zhì)的管排和支撐傳熱，計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)。最后，相關(guān)研究還需要關(guān)注流體傳熱中的物理溫度情況，分析鋁硅合金相變儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的內(nèi)部聯(lián)系，以此建立科研理論，并與實(shí)際相結(jié)合，為后續(xù)合金材料的儲(chǔ)能應(yīng)用提供規(guī)?；蛯?shí)踐化條件。
3.4智能化與自動(dòng)化控制
隨著信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，儲(chǔ)熱換熱技術(shù)的智能化與自動(dòng)化控制成為未來(lái)研發(fā)的重要方向。
智能化控制系統(tǒng)：通過引入先進(jìn)的傳感器、控制器和執(zhí)行器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)熱換熱系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)控制。利用大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，為優(yōu)化系統(tǒng)性能提供決策支持。
自動(dòng)化運(yùn)行管理：通過自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱換熱系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行和管理。這包括自動(dòng)調(diào)節(jié)儲(chǔ)熱和釋熱過程、自動(dòng)優(yōu)化換熱效率、自動(dòng)處理系統(tǒng)故障等功能，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。
4
總結(jié)與展望
鋁硅合金儲(chǔ)熱材料具有較高熱導(dǎo)率，儲(chǔ)能密度高，在長(zhǎng)時(shí)間熱循環(huán)中，具有良好的穩(wěn)定性，在現(xiàn)代儲(chǔ)熱技術(shù)開發(fā)中值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
（1）鋁硅合金的儲(chǔ)熱性能明顯高于傳統(tǒng)應(yīng)用的熔鹽，更多的需要著眼其液態(tài)腐蝕性問題。因此鋁硅合金容器材料的封裝與相容性是亟需解決的問題。
（2）儲(chǔ)熱換熱器的結(jié)構(gòu)會(huì)影響儲(chǔ)熱介質(zhì)和換熱單元的傳熱性，通過對(duì)現(xiàn)有的儲(chǔ)熱換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，可以確定各個(gè)參數(shù)之間的影響關(guān)系，明確儲(chǔ)熱系統(tǒng)的耦合機(jī)理，豐富其相關(guān)理論，為后續(xù)優(yōu)化研究奠定基礎(chǔ)。
