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英国伯明翰大学教授丁玉龙:全面解析储热技术:专利、应用、前景...

北极星储能网  来源:北极星储能网    2018/4/2 11:37:52  我要投稿  

北极星储能网讯: 为助力中国储能企业与国际接轨,同时致力于推动中国储能产业机制的建立,实现储能技术商业化,中关村储能产业技术联盟举办的“储能国际峰会暨展览会2018(ESIE 2018)”于2018年4月2-4日在北京国家会议中心举行。英国伯明翰大学教授、伯明翰储能研究中心主任丁玉龙发表题为《储热技术》的演讲,速记内容如下:

为什么要储能?大家都讲过了,我也不介绍了,以电力系统为例,这个图已经不少人用过,从陈所那儿偷过来的,借过来的。读书人不叫偷。

但是储能只是解决以上问题的之种主要手段之一,第一个新的电网技术,新的能源网的技术,不止电网。储能是其中之一,由于储能在另外三种当中都有应用,储能技术需要与其他技术进行竞争。下边简单介绍以下,储能研究的十年的状况,我们做了一些简单的分析,没有做非常透彻的分析,从过去十年期刊文章发表数量来看,锂离子电池确实是增长非常快,2009年的时候储热储能方向发表的文章数差不多,大概2015年的时候锂离子电池的文章,大概是储热储能方向的3.5倍,2014年以来这个图平缓,这个热点已经有一段时间了。

下边是专利情况,也是类似的,主要是锂离子电池方向跟储热储能方向,它比较古老,但是从应用方面还是有不少科学的东西需要做的。2006年锂离子电池方面专利从500件增长到1500件。这个图不太准确,我从DOE网页找出来的数据做的这张图。这个量基本上是对的,抽水储能从以前的98%降到目前的91%,化学储能大概占30%,储热储能占65%,数据库的问题,这里面不是很准,但是大概量是对的,未来5-10年之间,抽水储能仍然保持优势,但是份额会大幅度下降,下降到多少现在说不清楚,可能70%左右有可能,其他储能技术的快速发展。

另外市场有很多人对这个已经做了介绍,大概在千亿美元左右,有很多计算,结果各差异,但是量级差不多,不同领域做自己的方向,对自己的领域增加译一些。

为什么储热和储能,这是我想给大家介绍的,热能是二次能源,全球能源中大概90%的能源是基于热的转换输送和储存。这个数据是比较准确的,另外一个能源的中端应用制造,热热能大概占60%到70%,某些地方更高。从冷的角度,全球大概10%到20%的电力用来制冷,25%用来在数据中心的制冷。

两年多以前有一个政策性的报告,这是我们牵头,英国政府做的政策型的报告,在新的情况下,热和冷,热是占据绝对优势,冷占的量比较少的。原因是什么?因为中产阶级的崛起,冷链技术的发展,大家可能没有在这个领域,在这个领域里大概知道,在最近一两年热钱跑到冷链里面去了,大家可以查一查这方面。另外储热的不少功能是其他储能不能实现的,右边包括传统煤电的,附加储热可以提高系统响应速度,太阳能发电,弃风点,电动汽车不讲了,大家可能做电动车的同事知道,空调大概消耗电动车电池的30%到40%的电量,30%到40%是用在汽车空调,60%到70%是用来开车的。从这个角度热能的储存储可以为这个提供方面的。

另外一个过程工业余热,中国大概20亿吨标煤,一半以上以废热的形式排除,这个是热的应用,其实比任何其他的都重要。

另外储热和储冷技术用在哪儿?这个过程很简单,能量到能量网络,到能量用户,假如说有多余的,假如不是热的话,不是冷的话,可能有个能量转换,变成热和冷,到一个装置里面去。需要热的时候反过来进行,这样跟我们电池的存储和释放的过程基本上差不多的。

由于热和冷全负荷释放的过程中涉及到传热过程,这个技术的反应速度不会太快,大概分钟级,分钟级,适用于能量型的应用,不太适合于功率型的应用,除非一些特殊的方式,储热储能另领域的挑战,一个是材料领域的,第二单元和装饰,有了材料还不行,材料到装饰过程还比较长,从装饰到系统集成有一个过程,集成与应用,主要在应用这个层面。实际上这几个图大家可能已经碰到过,我们以前的系统,没有处存储的时候这个系统比较刚性,柔性很差,加了存储以后柔性有了,但是系统变得更复杂了,因为存储可以在能量的产生端,输送端,也可以在用户端,这个系统更复杂,这个答案不是一个答案,可能是有多个正确答案,所以你的优化和集成更复杂。

下边简单介绍以下储热储能技术的分类,这个图,文件当中大家看到的图我想可能不少都是错的,纵轴是系统的能量密度,有时候能量密度的时候,可能有材料的能量密度,装置的能量密度,系统的能量密度

把材料的能量密度和系统的能量密度去比这是不公平的,这是系统能量密度。显热储能已经用了及百年以上了,相变储热刚刚开始应用,吸附处于早期,大家在能源领域作的时间长了以后,这里面有很多是相通的一部分。这个图大家可以看到,这几种存储技术,温度范围不一样,能量密度没有说一定那哪一个高,哪一个低,同样温度下,以后化学储热能量密度高一些,相当于好多交叉,全球热化学的储能能量密度高基本上不一定对,因为化学储热和储能还有一部分没有算,比如说他的储气罐,有些误区。

下边聚焦一下,有气相液相和固相区,超过这个临界点,固液相变,气液相变和固液相变都可以通过这些机理进行。

由于气液和固气之间的相变体积变化太大,基本上是不用的。除非比如说我们传统的用来发电的水蒸气,以后是不用的,大部分聚焦在液固,因为体积变化小,体积变化大了以后,材料的性能都会有很大问题。这就是我所要聚焦的这一部分。原理很简单,加热的时候,熔化过程中温度不变,会吸收好多存储或者释放能量,这是所谓的相变过程。

我更要聚焦的主要是定定型复合相变,固体变成液体的时候机械性能就没有了,因为液体它的形状,它容器的形状,你让它变它就变,我们聚焦把它变成这样一个定型的,定型怎么做?结构很简单,它是多层次材料结构,这是一个典型的定型相变材料的模块,把它用显微镜放大,这里头有结构材料,有相变材料。配方也是这样的,配方的时候你需要考虑它的至少三种材料,因为三种材料混合不均匀的话是混合不均匀的,这个代表材料模块,这是复合相变出来的,看着像砖,但是实际上是复合材料。它的机械性能基本上不会有太大变化。

传统的制造方法,传统的方法就是把它颗粒更小,混合,shaping,然后再干燥,这是过去十年左右做的工作,从实验室到商业化的过程。最近这一年多我们发展一个新的方法叫挤压法,这个具体不讲了,大家感兴趣我们有文章发表出来,这个比我们传统的方法难很多,这个门槛比较高。

一个是储热电暖器的应用,这个看起来小,但是很重,200公斤,抬到楼上去很难,很沉,密度大概4千公斤每平方米。过去两年期间,基于相变储热,一个是比传统的高一些,第二材料密度低一些,第三个它有相变测量。相变储热技术比传统的储热技术轻译写,基于复合材料,反应速度快一些。

简单讲以下低谷电的应用,把电变成热是不是太划算的东西,未来高温热泵的技术发展好了,比如600度的情况下,这时候一度电的能量可以变成3度或者4度的热,这样我再存储就没有这个问题了。但是高温热泵技术还是比较有挑战性的。现在做的是150的左右的UEDF,再高的200度,但是很难。这个系统是36兆瓦小时,这部分的投资大概在500万人民币,算下来每千瓦130块钱,140块钱。这个大家可以看到,跟电池,电化学储能的比较,可能差10倍左右。这是我们最新的研究,主要是把储热储能用于空调,温度波动减少40%,效率提升20%,节电18%,这个系统未来应用到市场上去,最后非常感谢大家!

以上发言未经嘉宾审核发布。

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