車企關(guān)注蓄熱技術(shù):讓電動汽車跑得更遠(yuǎn)

盡管純電動汽車的開發(fā)日益活躍，但如果被人問“想買嗎?”，則很難點(diǎn)頭。消費(fèi)者猶豫要不要買的主要原因應(yīng)該是充電一次可行駛的續(xù)航距離太短。不消除這些擔(dān)憂，電動汽車就難以普及。

面對這個問題，有一項(xiàng)技術(shù)被重點(diǎn)提出，那就是蓄熱技術(shù)。自19世紀(jì)后半期發(fā)明汽車后，100多年來一直是通過發(fā)動機(jī)這一內(nèi)燃機(jī)構(gòu)燃燒燃料，把燃燒獲得的能量轉(zhuǎn)換成動力來驅(qū)動汽車。為了不讓發(fā)動機(jī)過熱，會邊通過冷卻裝置冷卻邊行駛，因此我們一直含糊地認(rèn)為“熱”是個障礙。但在電動汽車時代，“熱”則變得非常寶貴。

技術(shù)目標(biāo)1千千焦

作為驅(qū)動源的充電電池也發(fā)熱，但與發(fā)動機(jī)的發(fā)熱相比并不大。現(xiàn)在車內(nèi)暖氣使用的發(fā)動機(jī)余熱的喪失，意味著冬天提高電動汽車?yán)m(xù)航距離需要其他的新熱源。

冬天為了使車內(nèi)保持一定的溫度，電動汽車的用電量容易增大。因?yàn)橥獠靠諝馀c車內(nèi)的溫差有可能比夏天還大。例如，室外溫度零下時，要想使車內(nèi)溫度保持在20℃左右，溫差就超過了20℃。當(dāng)然，夏天的冷氣也消耗電力，但假如在室外溫度為35℃時把車內(nèi)溫度設(shè)定為25℃，其溫差也只有10℃。為了冬天不過度消耗充電電池中存儲的電力，確保新的熱源也是純電動汽車不可或缺的重要技術(shù)。因此，眾多汽車廠商對新蓄熱技術(shù)的出現(xiàn)給予了熱切關(guān)注。

如果能開發(fā)出具備高蓄熱特性的新技術(shù)，其涉及的應(yīng)用領(lǐng)域不僅僅是電動汽車。以家庭和辦公室等使用夜間電力的冷暖氣系統(tǒng)為首，有望廣泛用作社會整體的能源對策。

表示蓄熱技術(shù)特性的指標(biāo)之一是蓄熱密度，是指1kg材料能存儲多少熱量，單位為“kJ/kg”(千焦/公斤)。

為將來用于電動汽車，作為汽車相關(guān)行業(yè)研發(fā)目標(biāo)之一的蓄熱密度為低溫區(qū)(0℃—100℃)“1000kJ/kg”。當(dāng)然，使用大量蓄熱材料(介質(zhì))就能大量蓄熱，但配備于汽車的話，最好能以盡量小的重量和體積大量蓄熱。因此，作為未來目標(biāo)，提出了1000kJ/kg的目標(biāo)值。當(dāng)然，這并不是能立即實(shí)現(xiàn)的值，“1000”這個數(shù)字只是目前的挑戰(zhàn)目標(biāo)。

那么，這個數(shù)值究竟是什么水平呢?以最常見的蓄熱材料(介質(zhì))“水(H2O)”為例，我們在小學(xué)的自然科學(xué)課上學(xué)習(xí)過，“世界上升降溫最慢的物質(zhì)就是水”。實(shí)際上，無論是冬天使用的“熱水袋”，還是利用夜間電力的“冰蓄冷”，都利用了水作為蓄熱材料的效果。水的蓄熱密度在低溫區(qū)約為340—400kJ/kg。由此可知，實(shí)現(xiàn)1000kJ/kg需要使用蓄熱密度約為水的3倍的材料。

能以較輕的重量存儲大熱能的作用非常大。這與充電電池同理。如果能在較輕的重量中高效蓄熱，就有望用于有重量限制的汽車和飛機(jī)等。從身邊的例子來看，有停電后仍可使用的冰箱、保暖性出色的住宅、能長久保溫的暖瓶以及帶制冷劑的飯盒等，應(yīng)用范圍非常廣。

兩方式實(shí)現(xiàn)熱能存蓄

通過輕松局部蓄熱，例如組合使用家用空調(diào)和蓄熱材料，利用夜間電力蓄熱的話，有望大幅節(jié)電，而且有助于耗電量的平均化。利用夜間電力制冰或燒水，用于白天的冷氣和暖氣的技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。據(jù)估算，如果熱泵蓄熱中心利用夜間蓄熱，能把白天的最大用電量削減兩成。

工業(yè)用途的蓄熱材料大多利用潛熱蓄熱材料。潛熱蓄熱材料是指，從液體變?yōu)楣腆w，或從固體變?yōu)橐后w時，能存儲或釋放熱能的物質(zhì)。已經(jīng)實(shí)用化的潛熱蓄熱材料除了水以外還有很多。例如，氯化鈣水和物、硫酸鈉水和物、醋酸鈉水和物等無機(jī)水和物，以及石蠟等有機(jī)物化合物。不過，蓄熱密度都跟水差不多。從身邊的例子來看，已用于制冷劑、冰枕、蓄冷裝置等。

那么，蓄熱密度為1000kJ/kg的蓄熱技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)?業(yè)界以前就設(shè)想過熱量短缺的情況，雖然很多研究機(jī)構(gòu)早就自行展開了研究，但直到目前好像還都沒開發(fā)出能實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)1000kJ/kg的蓄熱密度有兩條路可走。一是利用現(xiàn)有蓄熱材料，進(jìn)一步提高其蓄熱特性。二是開發(fā)新的蓄熱材料。

關(guān)于前者，即提高現(xiàn)有蓄熱材料特性的方法，目前正在進(jìn)行多方面的研究。

例如，德國研究機(jī)構(gòu)弗勞恩霍夫研究所正與德國ZeoSys公司共同開發(fā)組合使用沸石和水的蓄熱技術(shù)?，F(xiàn)在主要設(shè)想把發(fā)電設(shè)施排放的熱作為水存儲在水罐中的用途。與只使用水相比，利用沸石能存儲3—4倍的熱。這意味著蓄熱容器的尺寸能削減至只使用水時的1/4左右。

不過，雖然基本原理以前就廣為人知，但并沒有實(shí)際作為蓄熱技術(shù)應(yīng)用的例子。研究團(tuán)隊(duì)最初利用1.5升和15L容器驗(yàn)證了蓄熱工藝的可能性?，F(xiàn)在正以750L的規(guī)模實(shí)施削減成本的實(shí)驗(yàn)。該技術(shù)能長時間保存能量，經(jīng)過幾千次循環(huán)也沒發(fā)現(xiàn)劣化，而且不排放有害物質(zhì)，這些優(yōu)點(diǎn)被寄予厚望。

歐美日競相逐“熱”

除此之外，還有很多研究機(jī)構(gòu)從同樣的觀點(diǎn)出發(fā)，正在開發(fā)利用納米技術(shù)把蓄熱材料加工成微細(xì)顆粒物的技術(shù)，以及使之附著在具備微孔的材料上的技術(shù)等。

另外，也有觀點(diǎn)認(rèn)為光憑現(xiàn)有蓄熱材料的改進(jìn)難以大幅改善特性。但要想取得根本性突破，提高蓄熱材料本身的性能才是捷徑。如果能開發(fā)出特性大幅超過現(xiàn)有蓄熱材料的新材料，就有望一舉降低蓄熱技術(shù)整體的成本。因此，作為研究開發(fā)趨勢，新蓄熱材料的研究日益興起。

另外，東京大學(xué)與美國麻省理工學(xué)院(MIT)的共同研究團(tuán)隊(duì)還積極展開了材料開發(fā)，比如利用分子動力學(xué)模擬來設(shè)計(jì)蓄熱材料等。此外，最近1—2年，與熱傳導(dǎo)的重要要素“聲子”有關(guān)的研究(稱為聲子學(xué)的研究領(lǐng)域)突然活躍起來。除蓄熱外還包括隔熱和散熱的熱管理相關(guān)研究也日漸興起。這些研究中或許會誕生超越以往技術(shù)的蓄熱技術(shù)。

無論采用哪種方式，總之目前正在積極推進(jìn)尚未確立的技術(shù)的研究開發(fā)。對全球技術(shù)趨勢非常敏感的歐美風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)也在自主推進(jìn)研究開發(fā)，不難想象，圍繞蓄熱技術(shù)將展開激烈的技術(shù)競爭。