动力工程中的热能转换与存储技术研究

动力工程中的热能转换与存储技术研究

王子宁

210904199203022512

摘要：动力工程领域中，热能转换与存储技术对提升能源利用效率、缓解能源供需矛盾至关重要。本文深入探究这些技术，涵盖多种热能转换方式，如热电、热化学、热机转换，将热能高效转化为其他形式能量。在存储技术方面，包括显热、潜热、化学能存储，有效解决热能供需时间错配问题。这些技术在电力、工业、建筑等多领域广泛应用，降低能耗、减少排放。通过对相关技术的研究，为动力工程行业发展提供理论依据，助力能源可持续发展，对优化能源结构、应对能源挑战具有重要现实意义，推动动力工程向高效、清洁方向迈进。

关键词：动力工程；热能转换；热能存储；能源利用；可持续发展

一、引言

在全球能源需求持续增长且能源结构亟待优化的大背景下，动力工程作为能源转换与利用的关键领域，其技术发展备受关注。热能作为能源的重要形式，在动力工程中占据核心地位。传统能源的大量消耗带来环境污染、资源短缺等问题，促使人们积极探索高效、清洁的能源利用途径。热能转换与存储技术成为解决这些问题的关键突破口。高效的热能转换技术能将热能更充分地转化为电能、机械能等其他形式能量，提高能源利用效率。而热能存储技术可有效应对热能生产与使用在时间和空间上的不匹配，实现热能的灵活调配。深入研究动力工程中的热能转换与存储技术，对保障能源安全、推动经济可持续发展、改善生态环境具有深远意义，是应对能源挑战的必然选择。

二、热能转换技术

2.1热电转换技术

热电转换技术基于塞贝克效应和帕尔贴效应，能够实现热能与电能的直接相互转换。在热电转换装置中，由两种不同的半导体材料组成的热电偶，当两端存在温度差时，会产生电动势，实现热能向电能的转化，此为塞贝克效应，常用于温差发电。例如，在一些工业余热回收场景中，利用热电材料将工业废热的温差转化为电能，实现能源的二次利用，减少能源浪费。反之，当有电流通过热电偶时，会在两端产生温差，实现电能向热能的转换，即帕尔贴效应，常见于制冷领域，如小型热电制冷器，因其无制冷剂、结构紧凑、响应速度快等优点，在电子设备散热、医疗设备制冷等领域有广泛应用，通过精准控制电流大小与方向，可灵活调节制冷量与温度。

2.2热化学转换技术

热化学转换技术借助化学反应实现热能与化学能的相互转化。热解反应是典型的热化学转换方式，在无氧或缺氧条件下，对有机物质进行加热，使其分解为小分子气体、液体燃料和固体炭，实现热能向化学能的存储与转化。例如生物质热解，将农林废弃物等生物质转化为生物燃气、生物油等清洁能源，既解决了废弃物处理问题，又实现了能源的增值利用。而一些吸热化学反应，如金属氧化物的热还原反应，在吸收热能后生成具有化学能的产物，在需要时通过逆反应释放热能，实现热能的存储与按需释放，为能源存储与利用提供了新途径，尤其在大规模储能与分布式能源系统中有较大应用潜力。

2.3热机转换技术

热机转换技术通过热机将热能转化为机械能，是动力工程中应用广泛的技术。常见的热机有蒸汽机、内燃机和燃气轮机等。蒸汽机利用蒸汽的热能推动活塞运动，将热能转化为机械能，早期在工业革命中发挥了重要作用，如今在一些特殊场合如某些船舶动力系统中仍有应用。内燃机以燃油在气缸内燃烧产生的热能推动活塞做功，转化为机械能，广泛应用于汽车、摩托车等交通运输工具，其高效、灵活的特点使其成为现代交通动力的主流。燃气轮机则利用高温高压燃气推动涡轮旋转，输出机械能，在航空航天领域作为飞机发动机的核心部件，以及在大型发电站中作为高效发电设备，凭借其高功率、高效率的优势，为能源转换与动力输出提供强大支持，在不同领域满足人们对动力与能源的需求。

三、热能存储技术

3.1显热存储技术

显热存储技术是最为基础且应用广泛的热能存储方式，它依靠物质温度的变化来储存和释放热能。常见的显热存储介质有水体、岩石和陶瓷等。以水体为例，由于水具有较高的比热容，在吸收或释放热量时温度变化相对较小，能够储存大量热能。在太阳能热水系统中，通过太阳能集热器将水加热，热水储存于保温水箱中，在需要时可用于生活热水供应或供暖。岩石和陶瓷等固体材料也因其良好的热稳定性与较高的比热容，常用于工业余热存储与释放。在工业生产过程中，当有余热产生时，将热量传递给岩石或陶瓷蓄热体，在生产需要热能时，再从蓄热体中提取热量，实现热能在时间上的转移，提高能源利用效率，减少对持续供热源的依赖。

3.2潜热存储技术

潜热存储技术利用物质在相变过程中吸收或释放大量潜热的特性来存储和释放热能，相变材料（PCM）是实现潜热存储的关键。常见的相变材料包括石蜡、盐类水合物和金属合金等。石蜡作为一种有机相变材料，在熔化时吸收大量热量，凝固时释放热量，且性能稳定、价格相对低廉，在建筑节能领域应用广泛。例如，将石蜡封装在建筑材料中，当室内温度升高时，石蜡熔化吸收热量，降低室内温度上升速度；当温度降低时，石蜡凝固释放热量，维持室内温度相对稳定，起到调节室内温度、减少空调与供暖能耗的作用。盐类水合物和金属合金等相变材料则具有更高的相变潜热和更适宜的相变温度范围，在中高温热能存储领域，如太阳能热发电系统中的储热环节，发挥着重要作用，通过将相变材料与传热流体结合，实现高效的热能存储与释放，保障发电系统稳定运行。

3.3化学能存储技术

化学能存储技术通过化学反应将热能以化学能的形式存储起来，在需要时再通过逆反应释放热能。一些可逆的化学反应，如金属氢化物的吸氢与放氢反应，可用于热能存储。在高温环境下，金属氢化物吸收氢气，发生吸热反应，将热能转化为化学能存储在金属氢化物中；当环境温度降低时，金属氢化物释放氢气，发生放热反应，释放存储的热能。这种存储方式具有较高的能量存储密度，且存储的化学能可在不同地点、不同时间释放，灵活性高。此外，一些有机化合物的热化学反应也可用于热能存储，如某些醇类和醚类化合物，通过热解与合成反应实现热能与化学能的相互转换，为热能存储提供了多样化选择，尤其适用于对能量存储密度和存储时间要求较高的应用场景，如分布式能源存储系统，可有效解决能源供需在时空上的矛盾。

四、总结

动力工程中的热能转换与存储技术是实现能源高效利用、推动能源可持续发展的核心关键。热电、热化学、热机等多种热能转换技术以及显热、潜热、化学能等热能存储技术，在电力、工业、建筑等众多领域展现出巨大应用价值，显著提升能源利用效率，减少能源浪费与环境污染。在实际应用中，需综合考虑不同领域的能源需求特点、技术成本、环境影响等因素，因地制宜地选择与集成合适的热能转换与存储技术方案。政府应加大政策支持力度，鼓励企业与科研机构加强技术研发与创新，突破技术瓶颈，降低技术成本。随着科技不断进步，热能转换与存储技术将不断完善与发展，在能源领域发挥更大作用，助力全球能源结构优化与绿色低碳转型，为人类社会的可持续发展提供坚实的能源保障。

参考文献

[1]艾旭.节能降耗中热能与动力工程的实际应用分析[J].智能建筑与智慧城市,2021,(07):149-150.

[2]徐小国.热能与动力工程在锅炉应用中的问题分析[J].中国金属通报,2021,(02):223-224.

[3]杨泽一.节能减排在热能与动力工程中的应用研究[J].冶金管理,2020,(11):204-205.