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節能儲能的好搭檔—相變化儲熱材料

2015/10/05 經濟部能源局 點閱人次: 921

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文字/經濟部能源局

近年來為減緩氣候變遷,抑制溫室氣體排放成為重要議題,因為能源使用與溫室氣體排放息息相關,透過提升能源效率、改善運輸效率、區域供熱整合及使用低碳電力等不同手段,可達到能源轉型及降低溫室氣體排放的目的。

為了促進能源轉型並減少溫室氣體排放,各國除利用政策補貼支持外,同時積極投入再生能源的技術發展,例如太陽光電,更是公認最能普及的應用之一。但是太陽能等再生能源大都具有間歇不穩定的特性,需藉由能量的儲存或釋放的調控運用,以擴大其應用及穩定性,目前常用機械能、電能、熱能等不同能量型態的轉換,來達成儲存能量及調控運用的目的。例如利用熔融狀態鹽類混合物儲存太陽熱能,用過熱蒸氣推動渦輪發電機,而產生電力,可解決再生能源不穩定及間歇性的限制。透過儲能技術的發展,一方面增進低碳排放量的再生能源應用,另一方面增加能源使用效率,實為目前全球科學家共同努力的目標。

能量儲存密度高,潛熱儲存備受關注

儲存熱能的形式大致可分為3 種,分別為顯熱能儲存(Sensible heat storage)、潛熱能儲存(Latent heat storage) 與熱化學能儲存(Thermochemical energy storage)。潛熱儲存由於具備高能量儲存密度,且可在特定溫度下進行熱量儲存應用的優點,因此特別受到關注,具有此類儲熱型式的物質一般稱為相變化儲熱材料(Phase change material,PCM)。相變化材料基於相變化類別可以再細分成下列幾種形式,如固相-固相、固相-液相、液相-氣相、固相-氣相等,其中以固相-固相及固相-液相的變化較具有應用潛力。相變化材料可分為有機、無機及共熔(Eutectic)物質,常見的材料如石蠟(Paraffin)、脂肪酸、鹽類水合物(Salt hydrates)等,因適用溫度範圍不同且儲熱容量差異,需要根據應用範圍及特性選擇合適的相變化儲熱材料。

藉由溫度的改變,可控制物質的相轉移變化,進而調控能量的儲存與釋放,除了溫度外,近來更發現許多材料可以藉由外在的驅動力,如壓力、光輻射、電流等方式進行相變化,增進對儲熱技術及系統的發展潛力。

應用廣泛,發展潛力大

相變化材料可應用的範圍相當廣泛,例如結合太陽熱能發電整合運用,可以將太陽的熱能透過熔鹽(molten salt)作為儲熱介質及儲存能量,根據當時發電量需求進行調控,加熱產生過熱蒸氣以推動渦輪發電機而產生電力,不但轉換效率高且可彈性運用。儲熱材料亦可與一般的太陽能電池結合,進行熱能的管控,改善運轉時因溫度升高所造成電池效率降低的問題。

綠建築設計也有運用相變化材料的實例,將材料用於建築物的外牆、天花板或地板中,當白天日照強時可儲存多餘的熱量,有效吸收熱量避免室內溫度上升,到晚上氣溫下降時,由建材釋放出白天吸收的熱能可維持或提升室內溫度,如此可大幅降低冷暖氣機的使用量,以達成節能的效果。

相變化材料現今已逐步應用於冷藏運輸櫥櫃、保溫設備、衣物、航太等領域中,除此之外,科學家也持續努力地開發具有突破性的新儲熱材料,日本東京大學化學系大越慎一教授與筑波大學數理物質系所裕子准教授,研究相變化儲熱陶瓷材料,發現特殊型態氧化鈦於室溫至530 K之間,存在λ相及β相之固態-固態相轉變,而相變化潛熱值達230 kJ/L,且λ相可藉由外施加極小壓力即能造成相轉變為β相同時將儲存的大量潛熱釋出,而轉換β相後,亦可經由加熱、照光,甚至通電流的方式,回復到λ相,因此這個材料除了一般的儲熱模式外,尚能吸收多餘電力或太陽光等能量,將不同型態能量儲存在此特殊材料中,並於適當控制外加壓力時釋出能量,達到能量儲存或釋放,該研究成果刊登在2015年《自然通訊》(Nature Communications)期刊中,其後續發展與應用值得關注。

儲熱材料與應用技術能幫助我們更有效率地使用能源,目前已在特定領域中展現應用實例,但如何擴展使用溫度範圍、增進能量密度、降低成本、提升使用壽命及穩定性,仍需進一步針對材料特性、系統設計、原理機制等研究來大幅開發及驗證新的儲熱材料應用範疇。透過結合更多元的能源產生、使用及儲存技術(包含儲電及儲熱等),提升區域能源穩定性、可控制性及使用效率,將是逐步邁向低碳社會與綠色環境的重要路徑。


關鍵字:儲能,相變化儲熱材料

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