车企关注蓄热技术:让电动汽车跑得更远

中国科技网 综合报道

  尽管纯电动汽车的开发日益活跃,但如果被人问”想买吗?”,则很难点头。消费者犹豫要不要买的主要原因应该是充电一次可行驶的续航距离太短。不消除这些担忧,电动汽车就难以普及。

  面对这个问题,有一项技术被重点提出,那就是蓄热技术。自19世纪后半期发明汽车后,100多年来一直是通过发动机这一内燃机构燃烧燃料,把燃烧获得的能量转换成动力来驱动汽车。为了不让发动机过热,会边通过冷却装置冷却边行驶,因此我们一直含糊地认为”热”是个障碍。但在电动汽车时代,”热”则变得非常宝贵。

  技术目标1千千焦

  作为驱动源的充电电池也发热,但与发动机的发热相比并不大。现在车内暖气使用的发动机余热的丧失,意味着冬天提高电动汽车续航距离需要其他的新热源。

  冬天为了使车内保持一定的温度,电动汽车的用电量容易增大。因为外部空气与车内的温差有可能比夏天还大。例如,室外温度零下时,要想使车内温度保持在20℃左右,温差就超过了20℃。当然,夏天的冷气也消耗电力,但假如在室外温度为35℃时把车内温度设定为25℃,其温差也只有10℃。为了冬天不过度消耗充电电池中存储的电力,确保新的热源也是纯电动汽车不可或缺的重要技术。因此,众多汽车厂商对新蓄热技术的出现给予了热切关注。

  如果能开发出具备高蓄热特性的新技术,其涉及的应用领域不仅仅是电动汽车。以家庭和办公室等使用夜间电力的冷暖气系统为首,有望广泛用作社会整体的能源对策。

  表示蓄热技术特性的指标之一是蓄热密度,是指1kg材料能存储多少热量,单位为”kJ/kg”(千焦/公斤)。

  为将来用于电动汽车,作为汽车相关行业研发目标之一的蓄热密度为低温区(0℃——100℃)”1000kJ/kg”。当然,使用大量蓄热材料(介质)就能大量蓄热,但配备于汽车的话,最好能以尽量小的重量和体积大量蓄热。因此,作为未来目标,提出了1000kJ/kg的目标值。当然,这并不是能立即实现的值,”1000”这个数字只是目前的挑战目标。

  那么,这个数值究竟是什么水平呢?以最常见的蓄热材料(介质)”水(H2O)”为例,我们在小学的自然科学课上学习过,”世界上升降温最慢的物质就是水”。实际上,无论是冬天使用的”热水袋”,还是利用夜间电力的”冰蓄冷”,都利用了水作为蓄热材料的效果。水的蓄热密度在低温区约为340——400kJ/kg。由此可知,实现1000kJ/kg需要使用蓄热密度约为水的3倍的材料。

  能以较轻的重量存储大热能的作用非常大。这与充电电池同理。如果能在较轻的重量中高效蓄热,就有望用于有重量限制的汽车和飞机等。从身边的例子来看,有停电后仍可使用的冰箱、保暖性出色的住宅、能长久保温的暖瓶以及带制冷剂的饭盒等,应用范围非常广。

  两方式实现热能存蓄

  通过轻松局部蓄热,例如组合使用家用空调和蓄热材料,利用夜间电力蓄热的话,有望大幅节电,而且有助于耗电量的平均化。利用夜间电力制冰或烧水,用于白天的冷气和暖气的技术已经实现实用化。据估算,如果热泵蓄热中心利用夜间蓄热,能把白天的最大用电量削减两成。

  工业用途的蓄热材料大多利用潜热蓄热材料。潜热蓄热材料是指,从液体变为固体,或从固体变为液体时,能存储或释放热能的物质。已经实用化的潜热蓄热材料除了水以外还有很多。例如,氯化钙水和物、硫酸钠水和物、醋酸钠水和物等无机水和物,以及石蜡等有机物化合物。不过,蓄热密度都跟水差不多。从身边的例子来看,已用于制冷剂、冰枕、蓄冷装置等。

  那么,蓄热密度为1000kJ/kg的蓄热技术能否实现?业界以前就设想过热量短缺的情况,虽然很多研究机构早就自行展开了研究,但直到目前好像还都没开发出能实现实用化的技术。

  实现1000kJ/kg的蓄热密度有两条路可走。一是利用现有蓄热材料,进一步提高其蓄热特性。二是开发新的蓄热材料。

  关于前者,即提高现有蓄热材料特性的方法,目前正在进行多方面的研究。

  例如,德国研究机构弗劳恩霍夫研究所正与德国ZeoSys公司共同开发组合使用沸石和水的蓄热技术。现在主要设想把发电设施排放的热作为水存储在水罐中的用途。与只使用水相比,利用沸石能存储3——4倍的热。这意味着蓄热容器的尺寸能削减至只使用水时的1/4左右。

  不过,虽然基本原理以前就广为人知,但并没有实际作为蓄热技术应用的例子。研究团队最初利用1.5升和15L容器验证了蓄热工艺的可能性。现在正以750L的规模实施削减成本的实验。该技术能长时间保存能量,经过几千次循环也没发现劣化,而且不排放有害物质,这些优点被寄予厚望。

  欧美日竞相逐”热”

  除此之外,还有很多研究机构从同样的观点出发,正在开发利用纳米技术把蓄热材料加工成微细颗粒物的技术,以及使之附着在具备微孔的材料上的技术等。

  另外,也有观点认为光凭现有蓄热材料的改进难以大幅改善特性。但要想取得根本性突破,提高蓄热材料本身的性能才是捷径。如果能开发出特性大幅超过现有蓄热材料的新材料,就有望一举降低蓄热技术整体的成本。因此,作为研究开发趋势,新蓄热材料的研究日益兴起。

  另外,东京大学与美国麻省理工学院(MIT)的共同研究团队还积极展开了材料开发,比如利用分子动力学模拟来设计蓄热材料等。此外,最近1——2年,与热传导的重要要素”声子”有关的研究(称为声子学的研究领域)突然活跃起来。除蓄热外还包括隔热和散热的热管理相关研究也日渐兴起。这些研究中或许会诞生超越以往技术的蓄热技术。

  无论采用哪种方式,总之目前正在积极推进尚未确立的技术的研究开发。对全球技术趋势非常敏感的欧美风险企业也在自主推进研究开发,不难想象,围绕蓄热技术将展开激烈的技术竞争。

来源:中国科技网

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