网讯：摘要：铝硅合金相变材料的密度和热导率高，稳定性强，在储能储热系统中有着极大的研究价值和应用潜力。本文针对铝硅合金材料在储能领域的应用发展进行综述，文章首先回顾了铝硅相变材料国内外研究实例，总结核心物理参数，以此为基础提出相变储热材料与换热技术的研发方向，包括容器材料稳定性、铝硅相变物理性以及相变蓄热器的结构优化，最后总结了铝硅合金的未来应用发展方向。
传热储热是储能技术中的一项重点研究项目，在国家节能减排、可再生能源利用方面具有重要作用。而储热项目效果受到储热材料的影响较大，从市场反应来看，在常规储热材料中，无机水合盐很容易实现材料析出，而熔盐相变材料则有低密度和导热性能差等问题。其他复合型相变材料虽然有的综合应用效果较好，但是自身材料制作工艺复杂，推广难度大，更多还处在实验理论阶段。与上述材料相比，合金材料的密度和热导率较高，更容易降低热能存储单元量，稳定性更优。可以应用于未来太阳能发电和工业回收等领域。本研究以金属基合金材料为核心，重点分析了铝硅合金在储能技术中的应用与发展前景。
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铝硅合金储热材料的国内外研究
1.1铝硅合金储热研究现状
在当前的市场环境下，常规合金相变材料一般以铝、镁、锌为核心制备，其中铝基合金的综合应用效果最好。单一的金属铝由于自身相变潜热高达450 kJ/kg、相变温度高达680℃，且熔融铝液具有较强腐蚀性，所以很难找到容器材料，应用范围和相关研究也较少。而铝硅合金储热材料的导热系数适中，一般为120～220 W/(m·K)，储能密度高，相变潜热达到400～500 kJ/kg，而且铝硅合金的工作温度高且稳定(自身相变温度为580℃，工作温度可以达到600℃)，自身腐蚀性低，目前已经是较为重要的合金相变储热材料，在高温储能与太阳能发电领域具有优异的研究潜力和应用前景。
传统单一的金属铝，自身相变潜热和相变温度较高，分别为450 kJ/kg和680℃，且熔融铝液腐蚀性强，容器材料的选择面较为狭窄，导致其应用范围和相关研究较少。反之，铝硅合金具有较为合适的导热系数且储能密度较好，工作温度耐受度达到580℃，且极为稳定。自身腐蚀性较低，目前是市场上较为优质的合金相变储热材料，在储能与发电领域具有较大的开发和研究潜力。
目前国内外相关领域学者均对其进行了研究。在国内，研究主要集中在铝硅合金储热材料的制备工艺、性能优化和应用拓展等方面。一些研究团队通过调整合金成分和比例，以提高铝硅合金的储热密度和储热效率。同时，他们还研究了铝硅合金与其他材料的复合效应，以改善其储热性能和稳定性。一些研究还关注铝硅合金储热材料在实际应用中的性能表现和成本效益，以推动其市场化进程。
在国外，对铝硅合金储热材料的研究同样活跃。一些研究机构关注铝硅合金的相变储热特性，通过深入研究其相变过程和热学性能，探索提高储热效率的新方法。此外，他们还研究了铝硅合金储热材料在太阳能集热、工业余热回收等领域的应用，以推动可再生能源的利用和节能减排。
1.2铝硅合金研究实例
从日常使用和储热性出发，对一系列合金如：Al、Si、Cu、Mg等不同元素合金的热量参数进行实验分析。通过实验数据发现，铝基合金的综合性能最好，其相变潜热和导热率等实验参数较优。已有研究结果表明，铝基合金材料的热容量极值为1800 kJ/L，再一次证明了铝基材料的稳定性和耐热度。2023年7月，中国科学院广州能源研究所分析研究出了Al-Si合金，证实了铝硅合金在抗氧化领域的优越性。同年9月，广东工业大学研究组通过介质改变等形式，改良了相变储能设备结构，对铝硅合金进行深入探索。通过一系列综合分析，可以肯定，实验分析的相变储热材料其相变温度可以达到650℃左右，具有较大的相变潜热。
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相变储热换热器
目前针对铝硅合金的相变材料制备研究较为广泛，但是合金相变储热器的研究则相对薄弱。相变储热换热器的日常工作需要借助相变材料的储热特征。这是一种可以在一定温度内进行吸放热的物质，且在这一过程中自身温度不变。
相变储热换热器需要储存热能时，相变材料吸收热量并发生相变，将热量储存在材料内部。而在需要释放热能时，相变材料则通过相变过程释放之前储存的热量，传递给外部系统。通过控制相变材料的相变温度和相变热，可以实现对热能的精准调控。
目前市场上，相变储热器大多都是管板式的，也就是将相变储热材料装在管式或者板状的容器中，再集中添加到大型换热器，提前预留供传热流管道。
从现有环境来看，对相变储热换热器的研究更多集中在合金相变储热材料的改性研究、相变机理、相变储能材料应用方面，对相变储热装置自身的原理以及结构改进则相对薄弱。想要真正实现储能储热技术的快速发展，必须结合相变储热器的原理结构研究才能实现。
而对于合金相变储热材料来说，同样有必要强化金属换热性能理论的分析研究，提高其工质流量、温度变化，通过总结其相变储热换热性能，探究应用规律。
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铝硅合金储热材料与性能规律研究
3.1合金容器材料分析
铝硅合金具有较强的储热能力和导热系数。这是铝硅合金可以应用于储能领域的重要优势。但是铝硅合金具有一定腐蚀性，尤其是在高温状态下其腐蚀性更强。这就衍生了铝硅合金容器材料选择问题，这也是限制铝硅合金应用推广的核心原因。
目前针对这一问题，国内外不少研究团队已经开展了大量相关实验。国内已有研究以陶瓷钢管作为相变材料容器主材，用陶瓷钢制备复合无缝钢管，内层使用玉瓷，这样可以较好保留钢管强度，提高其韧性、耐冲击性，同时也能发挥陶瓷耐高温腐蚀的优势。从实验数据来看，这种材料的综合性能较好，较为适合承装铝硅高温相材料。
3.2铝硅相变材料物理性
储热材料是储热换热技术的核心，其性能直接影响储热效率和换热效果。未来，储热材料的研发将朝着高储热密度、高稳定性、低成本的方向发展。
高储热密度材料：通过优化材料的结构和成分，提高单位体积或质量的储热能力，实现更高效的热能储存。例如，研发新型相变材料，利用其高潜热和显热特性，提高储热密度。
高稳定性材料：针对现有储热材料易老化、易分解等问题，研发具有高稳定性和长寿命的储热材料。这涉及到对材料化学性质、物理性质以及热稳定性的深入研究，确保储热材料在长期使用过程中能够保持稳定的性能。
低成本材料：降低储热材料的生产成本，是推动储热换热技术广泛应用的关键。未来，可以通过优化生产工艺、提高材料利用率、寻找替代原料等方式，降低储热材料的制造成本。
3.3相变蓄热器结构优化
未来可以通过建立铝硅合金的相变储热模型，以模拟实验和仿真分析等形式，构建铝硅合金相变储热结构参数分析单元，该单元可以囊括不同物理结果中的参数特征关系，以此确定系统热能存储量和释放量的最大差值。进而分析出相变储热过程中的无量纲相关参数，并以此建立数据集合。未来对相变储热器结构的优化需要从储热系统的换热率和材料出发，深入探究铝硅合金的流动特性，根据相变储热介质的管排和支撑传热，计算相关数据。最后，相关研究还需要关注流体传热中的物理温度情况，分析铝硅合金相变储热结构参数之间的内部联系，以此建立科研理论，并与实际相结合，为后续合金材料的储能应用提供规模化和实践化条件。
3.4智能化与自动化控制
随着信息技术和人工智能技术的快速发展，储热换热技术的智能化与自动化控制成为未来研发的重要方向。
智能化控制系统：通过引入先进的传感器、控制器和执行器等设备，实现对储热换热系统的实时监测和精准控制。利用大数据分析和机器学习算法，对系统的运行数据进行处理和分析，为优化系统性能提供决策支持。
自动化运行管理：通过自动化设备和系统的应用，实现储热换热系统的自动化运行和管理。这包括自动调节储热和释热过程、自动优化换热效率、自动处理系统故障等功能，提高系统的运行效率和可靠性。
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总结与展望
铝硅合金储热材料具有较高热导率，储能密度高，在长时间热循环中，具有良好的稳定性，在现代储热技术开发中值得进一步推广应用。
（1）铝硅合金的储热性能明显高于传统应用的熔盐，更多的需要着眼其液态腐蚀性问题。因此铝硅合金容器材料的封装与相容性是亟需解决的问题。
（2）储热换热器的结构会影响储热介质和换热单元的传热性，通过对现有的储热换热器结构参数进行优化分析，可以确定各个参数之间的影响关系，明确储热系统的耦合机理，丰富其相关理论，为后续优化研究奠定基础。
