问题—— 在“双碳”目标与新型能源体系加快构建的背景下,热能存储在工业余热回收、建筑供暖、可再生能源调峰等场景中的作用日益凸显。
相变热池因可利用材料固液转换时的相变潜热实现高密度储热,被视为重要技术路线之一。
但长期以来,“储得多”与“充得快”难以兼得:高潜热材料能量密度高,却往往导热差,导致充放热速率受限,成为制约相变储热工程化应用的关键瓶颈。
原因—— 从机理看,石蜡、水合盐、糖醇等相变材料在固态阶段导热能力偏弱,传统依赖整体导热或简单换热结构的方式很难在短时间内把热量高效送入材料内部。
与此同时,固态相变材料在加热过程中易与热池内壁发生粘附或接触不良,界面热阻增大、传热不稳定,进一步拉低热通量。
也就是说,影响速率的“卡点”不仅在材料本体,更在界面接触与传热路径的组织方式。
影响—— 充放热速度不足会带来一系列应用端问题:在需要快速响应的工业过程供热、热泵系统、储热式调峰等场景中,储热装置难以实现高功率输出;在同等输出要求下,系统可能被迫增加换热面积、提高结构复杂度或采用更昂贵的材料方案,进而推高成本、增加维护难度。
更重要的是,若相变储热无法兼顾能量密度与功率密度,其在与电化学储能、显热储热等路线的协同竞争中将处于不利位置,制约储热产业规模化推广。
对策—— 针对上述矛盾,浙江大学能源工程学院研究团队提出“滑移强化接触熔化”新机制,核心思路是把传热关键环节从“材料改良”转向“界面环境优化”。
研究提出一种“全固态复合表面”结构:由可脉冲加热的薄膜预热层与覆盖其上的“类液涂层”组成滑移界面。
通过这种设计,固态相变材料在受热时不易粘附内壁,并在重力作用下持续与底部热源保持紧密接触,形成稳定、高效的接触式传热路径;同时,熔化过程中产生的液膜被重力挤压得更薄,有利于降低热阻、维持较高热通量,使热池在充热阶段尽可能保持高传热速率。
该路线强调“结构与界面”带来的普适增益,不依赖特定相变材料的特殊配方,为不同材料体系的应用打开了新的设计空间。
前景—— 从发展趋势看,热能存储正从单一储热容量竞争转向“容量—功率—寿命—成本”综合指标比拼。
界面传热强化若能在工程尺度上实现稳定、耐久与可制造,将有望提升相变热池在高功率密度场景中的适配性,并与工业余热回收、分布式供热、新能源消纳等需求形成更紧密的技术耦合。
下一步仍需在多循环工况、长期可靠性、不同相变材料兼容性以及大尺寸装置的结构设计等方面开展系统验证,同时完善相关标准与测试评价体系,推动从实验室机理创新走向可复制、可推广的工程方案。
能源转型与碳达峰目标的实现,需要在储能技术上实现突破。
浙江大学团队的这一创新成果,通过改变传统的研究思路,在看似矛盾的问题中找到了平衡点,体现了基础研究对实际应用的深刻指导意义。
随着该技术的进一步完善与产业化推进,相变热池有望成为支撑能源结构优化的重要技术手段,为建设清洁低碳的能源体系贡献力量。