热能与电力一样,是现代能源体系中不可或缺的能量形态。
如何在“可存、可用、可控”的前提下实现高效储存与快速释放,既关系到工业过程节能改造,也影响新能源消纳与终端用能安全。
长期以来,相变储热因具有较高的能量密度而被寄予厚望,但在工程应用中普遍面临“充热慢”的瓶颈:储热材料往往导热性能有限,热量从换热壁面向材料内部传递效率不高,导致设备体积做大后更难兼顾功率与容量。
此次浙江大学能源工程学院范利武团队与合作者的研究,试图从相变过程中的关键环节——接触式传热入手,给出新的解题路径。
研究提出“滑移强化接触熔化”机制:在相变热池内壁构造“全固态复合表面”,由可实现脉冲加热的薄膜与覆盖其上的超光滑类液涂层组成。
其核心思路在于,脉冲加热使材料与壁面接触处可在极短时间形成极薄液膜,固态相变材料因而更易“解黏”并产生滑移;而纳米级超光滑涂层进一步降低摩擦阻力,促使材料在重力作用下持续下沉并保持与热源紧密接触,从而让传热过程更连续、更高效。
从“问题—原因”角度看,相变储热的结构性矛盾主要在于:一方面需要高能量密度以降低系统体积与成本,另一方面又需要高功率密度以实现快速充放热;传统路线往往通过加入高导热填料、设置复杂换热结构等方式提升速率,但可能带来储热密度下降、结构复杂度上升、循环稳定性与维护成本增加等工程代价。
上述新机制强调改善“接触状态”而非单纯堆叠导热材料或扩大换热面积,为性能兼顾提供了不同的技术维度。
从“影响”层面看,实验结果显示该方案在提升“快充”能力的同时仍保持较高储能水平:在普通有机相变材料条件下,热池功率密度达到850kW/m³,能量密度保持31kWh/m³;与导热增强的复合相变材料结合后,功率密度提升至1100kW/m³,能量密度仍有27kWh/m³。
若这一性能在更大尺度和更多材料体系中得到验证,将有望改变相变储热装置“容量够但反应慢”的应用印象,促进其从示范走向规模化场景。
从“对策”角度看,研究的工程价值不仅在于提出机理,也在于改造路径相对清晰:通过对热池内壁进行功能化处理即可提升充热效率,理论上可适配多种温区、不同类型的相变材料,并具备对现有储热装备进行升级改造的可能性。
这意味着相关技术或可与工业余热回收系统耦合,在不大幅增加系统复杂度的前提下,提高热量回收与调峰能力;在太阳能热利用方面,也有望缓解辐照波动带来的供热不稳;在电力电子与高功率设备热控领域,则可能为快速热管理提供新的方案。
从“前景”判断看,储热技术的推广往往取决于三个关键因素:规模放大后的传热一致性、长期循环的可靠耐久性、制造与维护成本的可控性。
研究团队已在有机相变材料上实现上万小时稳定运行,显示出一定工程可行性。
但面向产业化仍需进一步验证:例如更大尺寸热池中液膜形成与滑移行为是否稳定,涂层在热循环、化学环境与机械磨损下的寿命边界如何,不同相变材料体系在高频脉冲加热条件下的兼容性是否存在限制等。
与此同时,跨学科协同仍是推进此类技术落地的关键,包括表面工程、热物理机理、材料学与系统工程的联合攻关。
这项研究成果代表了中国科学家在能源领域的创新实力,也展现了基础研究与工程应用相结合的典范。
从破解单一技术难题到推动整个行业进步,这一创新突破有望为全球能源可持续发展注入新动能。
在双碳目标驱动下,类似的储能创新技术将在优化能源结构、提高能源利用效率中发挥越来越重要的作用,为建设清洁低碳的现代能源体系贡献科技力量。