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金属氢化物在储热领域的应用

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金属氢化物在储热领域的应用

       储能技术是可再生能源大规模推广应用需要解决的核心难题,目前已引起了国内外学者和工业界的广泛关注。按储热原理分,储热技术可分为为显热储热、潜热储热和热化学反应储热三类。目前太阳能发电储热系统,属于显热储热,存在储热密度低、成本高、低温凝固、高温分解和腐蚀等问题。潜热储热的储热密度大,但存在着导热系数低等问题,阻碍了商业化应用。热化学反应储热具有更大的能量储存密度,且不需要保温,可以在常温下无损失地长期储存热能热量。作为新型的热化学储热材料,金属氢化物具有储热能量密度高、反应速度快、循环性能好、热导率高等优点,目前成为热能存储领域的研究热点。

       金属氢化物是由一种或多种金属元素与氢元素化合形成的化合物。按化合状态,金属氢化物可分为离子型氢化物和金属型氢化物两类。离子型氢化物,一般由碱金属或碱土金属与氢元素化合形成。而金属型氢化物是由过渡金属元素与氢元素结合形成,具有部分金属的特征。传统的相变储热材料如水,其质量储热密度仅有333 kJ/kg,而金属氢化物通常具有更高的储热密度,如TiH2、CaH2的质量储热密度分别为2840和4275 kJ/kg。因此,这2种氢化物均是理想的高温储热材料。LiH的最高温度达760℃,可为近地轨道卫星的能量转换系统提供连续的热量。TiH2 具有较好的成本优势,储热温度为600-800℃,可用于大型太阳能热电站。CaH2的工作温度范围为900-1100℃,质量储热密度高达4312 kJ/kg,也是理想的高温氢化物储热材料。镁基氢化物是较典型的中温储热材料,如MgH2,Mg2FeH6和NaMgH3。MgH2适用温度区间在300-500 ℃,具有较低的反应滞后、良好的循环性能以及较高的热导率的优点,可被用于小型发电站、新能源车用空调。Mg2FeH6反应焓和使用温度比MgH2略高,可用于工业废热的回收。NaMgH3的储热温度比Mg2FeH6略高,可作为太阳能热电应用的储热介质。

       金属氢化物的储热原理是利用其可逆吸放氢化学反应的反应焓进行热能的储存或释放。储氢合金的吸放氢反应式如下:

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       式中ΔH为反应焓,即单位物质在反应过程中释放或吸收的热量。金属氢化物储热是基于化学能与热能的转换,单氢化物床储热系统的工作示意图如图1所示。在放能过程中,氢气被导入氢化物床,金属或合金吸收氢气同时释放热量;在蓄能过程中,氢化物床中的金属氢化物吸收热量,分解释放出氢气,氢气储存在氢气罐内。通过控制氢化物的可逆吸放氢反应,系统实现重复的热能充放循环。

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图1 金属氢化物储热系统的工作原理


结合近年来的研究动态,金属氢化物在储热领域主要有以下应用:

(1)太阳能热电领域

       储热系统是太阳能热电的关键配套技术之一。在太阳能热电应用中,电站在白天收集的太阳能,一部分需要以热能的形态储存起来,在晚上释放热量驱动电机提供电力。根据太阳能集热方式的不同,储热系统可分为高温和中温储热系统。高温储热系统可作为太阳能集热辅助储热。对于大型太阳能热电站的储热系统,储热温度要求在700—1100℃甚至更高。高温氢化物主要有LiH,TiH2和 CaH2等,其中LiH是最早用于太阳能集热系统研究的高温储氢材料。

(2)低温储热(储冷)领域

       低温储氢氢化物,一般要求材料在室温附近储存和释放氢气,被用作低温储热(储冷)领域。在选择低温氢化物时,成本和可靠性是较多关注的因素。经过多年的研究,已有较成熟的储氢合金材料可供挑选,如TiFe,LaNi5,TiMn2等。

(3)热泵领域

       氢化物热泵的原理也是利用储氢合金的热化学反应进行制冷、制热、增热,与储热系统的区别在于内置的储氢合金用于热能转化而非用作储热材料,其系统的工作原理与上述氢化物储热的工作原理一致。金属氢化物的热泵系统既可利用电能驱动,也能够利用工业废热、太阳能等低品热能实现制冷和制热等功能。甚至,金属氢化物热泵用于载人航天生命保障系统,其与辐射器相结合可组成航天服热控系统的冷源,用于航天设备的冷却和航天员备用食品的冷冻保鲜等。

       总的来说,金属氢化物储热具有储热能量密度高、易于控制、反应速度快热损失小等优点,是一种极具应用前景的新型储能技术,对可再生能源开发利用、降低常规能源能耗和环境污染物排放具有十分重要的意义。然而,目前其实际商业化应用并不广泛。相比于传统技术而言,金属氢化物储热技术具有许多独特性和潜在优势,因而在新能源存储、电网调峰储能、废热回收、采暖等许多领域有广泛的应用前景。

本文来源:中国热管理产业技术创新战略联盟   版权归原作者所有,转载仅供学习交流,如有不适请联系我们,谢谢。

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