2014年01月13日08:54
【相關(guān)新聞】
在中國(guó)改型并走向世界，日產(chǎn)新“騏達(dá)”尺寸雖小看起來大氣
【盤點(diǎn)2013】燃效競(jìng)爭(zhēng)篇：輕型轎車的JC08模式燃效由30.2km/L提高至35.0km/L
上汽推出插電混動(dòng)車，開發(fā)自主品牌確保份額
“純電動(dòng)汽車（EV）用起來到底怎么樣？”
應(yīng)該有很多讀者都有這種疑問。
EV與汽油車相比運(yùn)行成本低，不排放破壞環(huán)境的有害物質(zhì)（二氧化碳和氮氧化物），作為汽車的未來形態(tài)頻繁成為熱門話題。另外，發(fā)生災(zāi)害時(shí)還能當(dāng)電源使用，所以在東日本大地震后關(guān)注度進(jìn)一步升高。
 |
| 純電動(dòng)汽車的開發(fā)日益活躍。照片是日產(chǎn)汽車的純電動(dòng)汽車“日產(chǎn)LEAF”的特款車“Aero Style”。將于2014年1月上市。日產(chǎn)LEAF截至2013年10月在日本已累計(jì)售出3萬輛。 |
但如果被人問“想買嗎？”，則很難點(diǎn)頭。目前在街上EV也確實(shí)還不多見。
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。例如，2013年8月日產(chǎn)汽車官網(wǎng)上記載的EV“LEAF”（中國(guó)名：聆風(fēng)）的官方續(xù)航距離（JC08模式）為228km。比過去大幅延長(zhǎng)，理想的情況下能在東京-宇都宮間往返。
另外，還存在充電基礎(chǔ)設(shè)施的問題。電池沒電了怎么辦？而且使用期間充電電池還會(huì)劣化。不消除這些擔(dān)憂，EV就難以普及。
筆者前不久碰巧乘坐了一次EV出租車。慶幸之余，筆者問出租車司機(jī)，“純電動(dòng)汽車怎么樣�。俊��！鞍�，冷天電池消耗尤其快。暖氣好像很費(fèi)電”。
這個(gè)回答有點(diǎn)令筆者意外。EV提高燃效的關(guān)鍵在于暖氣。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(dòng)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(dòng)力來驅(qū)動(dòng)汽車。
為了不讓發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，會(huì)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(gè)障礙。但在EV時(shí)代，“熱”則變得非常寶貴。筆者重新認(rèn)識(shí)了這一點(diǎn)。
隨著EV時(shí)代的到來，有一項(xiàng)技術(shù)被重點(diǎn)提出。那就是蓄熱技術(shù)。雖然作為驅(qū)動(dòng)源的充電電池也發(fā)熱，但與發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)余熱的喪失，意味著冬天提高EV續(xù)航距離需要其他的新熱源。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的要素技術(shù)之一就是蓄熱技術(shù)。
行業(yè)的目標(biāo)值是1000kJ/kg
冬天為了使車內(nèi)保持一定的溫度，EV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(shí)，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(shí)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(chǔ)的電力，確保新的熱源也是純電動(dòng)汽車不可或缺的重要技術(shù)。因此，眾多汽車廠商對(duì)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EV。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(huì)整體的能源對(duì)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(chǔ)多少熱量，單位為“kJ/kg”。
為將來用于EV，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(gè)數(shù)字只是目前的挑戰(zhàn)目標(biāo)。
那么，這個(gè)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?cè)谛W(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(chǔ)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(zhǎng)久保溫的暖瓶以及帶制冷劑的飯盒等，應(yīng)用范圍非常廣。
實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的兩條路
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2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(chǔ)或釋放熱能的物質(zhì)。
例如，把滿滿一桶水放在零下30℃的溫度下，水會(huì)逐漸結(jié)冰。但在完全凍住之前，桶中的水溫為0℃。也就是說，水會(huì)持續(xù)釋放0℃的熱能。反之，把滿滿一桶冰放在零上30℃的溫度下，在冰完全融化之前，桶內(nèi)的水溫也保持在0℃。水處于持續(xù)吸熱（蓄熱）的狀態(tài)。
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(guó)研究機(jī)構(gòu)弗勞恩霍夫研究所（Fraunhofer Institute）正與德國(guó)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(chǔ)在水罐中的用途。與只使用水相比，利用沸石能存儲(chǔ)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(shí)的1/4左右。
沸石是擁有巨大表面積的多孔性礦石。1g沸石顆粒的表面積達(dá)到1000m2。沸石顆粒利用巨大的表面積強(qiáng)力吸附水蒸氣。水蒸氣通過物化反應(yīng)變成水時(shí)失去的熱移動(dòng)到了沸石中，而沸石的溫度不會(huì)像只使用水時(shí)那樣上升。由此，應(yīng)該容易長(zhǎng)時(shí)間蓄熱。
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1.5L（升）和15L容器驗(yàn)證了蓄熱工藝的可能性。現(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(zhǎng)時(shí)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。
大公司與風(fēng)險(xiǎn)公司魚龍混雜的開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)
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。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(shì)，新蓄熱材料的研究日益興起。
例如，不利用此前主流的潛熱蓄熱材料型蓄熱技術(shù)，而是利用化學(xué)反應(yīng)的發(fā)熱和吸熱的“化學(xué)反應(yīng)型”方式。
化學(xué)反應(yīng)型蓄熱利用伴隨發(fā)熱和吸熱的可逆化學(xué)反應(yīng)。蓄熱利用吸熱反應(yīng)，散熱利用發(fā)熱反應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)是，蓄熱密度大，能以一定的溫度發(fā)熱，而且分離反應(yīng)物質(zhì)的話還易于保管。
我們身邊的物質(zhì)中，具有代表性的例子是在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上畫線時(shí)使用的水氧化鈣（熟石灰）。為水氧化鈣加熱的話，會(huì)產(chǎn)生氧化鈣（生石灰）和水。反之，在氧化鈣中加水，會(huì)發(fā)熱生成水氧化鈣。這種化學(xué)性吸熱和發(fā)熱反應(yīng)有望用于蓄熱。
氧化鈣也是用作食品干燥劑的常見物質(zhì)。這種干燥劑加入水分后會(huì)迅速發(fā)熱，因此干燥劑上都有“請(qǐng)勿沾水”的提醒。干燥劑是把氧化鈣和水分離后密封的，有時(shí)還用來給便當(dāng)和罐裝日本酒加熱。氧化鈣與水的反應(yīng)熱為1500kJ/kg。很多觀點(diǎn)認(rèn)為，如果靈活控制反應(yīng)的機(jī)制能實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，將成為重大突破。
另外，東京大學(xué)與美國(guó)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(dòng)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(huì)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(duì)全球技術(shù)趨勢(shì)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(jìng)爭(zhēng)。
在不久的將來，如果現(xiàn)在正在進(jìn)行中的研究開發(fā)取得成功，就能減少EV續(xù)航距離因暖氣和冷氣問題而大幅縮短的擔(dān)心。蓄熱技術(shù)不但是促進(jìn)EV普及的一大契機(jī)，還將成為與蓄電技術(shù)聯(lián)動(dòng)解決能源問題的核心技術(shù)。（作者：星野 達(dá)也, 日經(jīng)技術(shù)在線！供稿）
