車(chē)企關(guān)注蓄熱技術(shù):讓電動(dòng)汽車(chē)跑得更遠

盡管純電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)日益活躍，但如果被人問(wèn)“想買(mǎi)嗎?”，則很難點(diǎn)頭。消費者猶豫要不要買(mǎi)的主要原因應該是充電一次可行駛的續航距離太短。不消除這些擔憂(yōu)，電動(dòng)汽車(chē)就難以普及。

面對這個(gè)問(wèn)題，有一項技術(shù)被重點(diǎn)提出，那就是蓄熱技術(shù)。自19世紀后半期發(fā)明汽車(chē)后，100多年來(lái)一直是通過(guò)發(fā)動(dòng)機這一內燃機構燃燒燃料，把燃燒獲得的能量轉換成動(dòng)力來(lái)驅動(dòng)汽車(chē)。為了不讓發(fā)動(dòng)機過(guò)熱，會(huì )邊通過(guò)冷卻裝置冷卻邊行駛，因此我們一直含糊地認為“熱”是個(gè)障礙。但在電動(dòng)汽車(chē)時(shí)代，“熱”則變得非常寶貴。

技術(shù)目標1千千焦

作為驅動(dòng)源的充電電池也發(fā)熱，但與發(fā)動(dòng)機的發(fā)熱相比并不大?，F在車(chē)內暖氣使用的發(fā)動(dòng)機余熱的喪失，意味著(zhù)冬天提高電動(dòng)汽車(chē)續航距離需要其他的新熱源。

冬天為了使車(chē)內保持一定的溫度，電動(dòng)汽車(chē)的用電量容易增大。因為外部空氣與車(chē)內的溫差有可能比夏天還大。例如，室外溫度零下時(shí)，要想使車(chē)內溫度保持在20℃左右，溫差就超過(guò)了20℃。當然，夏天的冷氣也消耗電力，但假如在室外溫度為35℃時(shí)把車(chē)內溫度設定為25℃，其溫差也只有10℃。為了冬天不過(guò)度消耗充電電池中存儲的電力，確保新的熱源也是純電動(dòng)汽車(chē)不可或缺的重要技術(shù)。因此，眾多汽車(chē)廠(chǎng)商對新蓄熱技術(shù)的出現給予了熱切關(guān)注。

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

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

為將來(lái)用于電動(dòng)汽車(chē)，作為汽車(chē)相關(guān)行業(yè)研發(fā)目標之一的蓄熱密度為低溫區(0℃—100℃)“1000kJ/kg”。當然，使用大量蓄熱材料(介質(zhì))就能大量蓄熱，但配備于汽車(chē)的話(huà)，最好能以盡量小的重量和體積大量蓄熱。因此，作為未來(lái)目標，提出了1000kJ/kg的目標值。當然，這并不是能立即實(shí)現的值，“1000”這個(gè)數字只是目前的挑戰目標。

那么，這個(gè)數值究竟是什么水平呢?以最常見(jiàn)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)習過(guò)，“世界上升降溫最慢的物質(zhì)就是水”。實(shí)際上，無(wú)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約為340—400kJ/kg。由此可知，實(shí)現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(chē)和飛機等。從身邊的例子來(lái)看，有停電后仍可使用的冰箱、保暖性出色的住宅、能長(cháng)久保溫的暖瓶以及帶制冷劑的飯盒等，應用范圍非常廣。

兩方式實(shí)現熱能存蓄

通過(guò)輕松局部蓄熱，例如組合使用家用空調和蓄熱材料，利用夜間電力蓄熱的話(huà)，有望大幅節電，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)現實(shí)用化。據估算，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(shí)，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(wú)機水和物，以及石蠟等有機物化合物。不過(guò)，蓄熱密度都跟水差不多。從身邊的例子來(lái)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?業(yè)界以前就設想過(guò)熱量短缺的情況，雖然很多研究機構早就自行展開(kāi)了研究，但直到目前好像還都沒(méi)開(kāi)發(fā)出能實(shí)現實(shí)用化的技術(shù)。

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

關(guān)于前者，即提高現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，德國研究機構弗勞恩霍夫研究所正與德國ZeoSys公司共同開(kāi)發(fā)組合使用沸石和水的蓄熱技術(shù)?，F在主要設想把發(fā)電設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(zhù)蓄熱容器的尺寸能削減至只使用水時(shí)的1/4左右。

不過(guò)，雖然基本原理以前就廣為人知，但并沒(méi)有實(shí)際作為蓄熱技術(shù)應用的例子。研究團隊最初利用1.5升和15L容器驗證了蓄熱工藝的可能性?，F在正以750L的規模實(shí)施削減成本的實(shí)驗。該技術(shù)能長(cháng)時(shí)間保存能量，經(jīng)過(guò)幾千次循環(huán)也沒(méi)發(fā)現劣化，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，還有很多研究機構從同樣的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，正在開(kāi)發(fā)利用納米技術(shù)把蓄熱材料加工成微細顆粒物的技術(shù)，以及使之附著(zhù)在具備微孔的材料上的技術(shù)等。

另外，也有觀(guān)點(diǎn)認為光憑現有蓄熱材料的改進(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(kāi)發(fā)出特性大幅超過(guò)現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(kāi)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)的共同研究團隊還積極展開(kāi)了材料開(kāi)發(fā)，比如利用分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)設計蓄熱材料等。此外，最近1—2年，與熱傳導的重要要素“聲子”有關(guān)的研究(稱(chēng)為聲子學(xué)的研究領(lǐng)域)突然活躍起來(lái)。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(huì )誕生超越以往技術(shù)的蓄熱技術(shù)。

無(wú)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(kāi)發(fā)。對全球技術(shù)趨勢非常敏感的歐美風(fēng)險企業(yè)也在自主推進(jìn)研究開(kāi)發(fā)，不難想象，圍繞蓄熱技術(shù)將展開(kāi)激烈的技術(shù)競爭。