太阳能高效存储和能质传递-修改版.

工程热物理研究所InstituteofEngineeringThermophysics,ChongqingUniversity太阳能高效存储与能质传递的机理和方法廖强低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆大学一背景简介二太阳能存储技术三其中的热物理问题四拟开展研究工作汇报提纲一背景简介二太阳能存储技术三其中的热物理问题四拟开展研究工作汇报提纲•太阳能是免费的•太阳能是可再生且环境友好的能源•可以替代化石能源•分布广泛•中国日照丰富优势背景简介能源危机环境污染寻求可再生能源太阳能：一种最有前景的可再生能源太阳能在中国的分布太阳能产业发展迅速背景简介全球可利用太阳能分布情况最典型的太阳能利用方式直接利用：光伏发电太阳能无法运输稳定可靠形式多样化地域分布不均能量不稳定直接或间接的能量传输无法保证能量供应的连续性太阳能存储太阳能高效存储的必要性太阳能直接利用存在的问题背景简介太阳能储存热能储存热化学燃料储存利用储热材料的热容量，通过升高或降低材料的温度而实现热量的储存或释放的过程。利用储热材料在热作用下发生相变而产生热量储存的过程。利用化学反应的反应热的形式来进行储热显热储存潜热储存反应热储存甲烷重整耦合化学反应蓄热是一种非常有潜力的高温蓄热方式，太阳能热驱动的甲烷重整可逆反应，煤气化和化石燃料重整，化石燃料裂解等成为太阳能蓄热的研究重点。背景简介煤气化化石燃料裂解一背景简介二太阳能存储技术三其中的热物理问题四拟开展研究工作汇报提纲一背景简介二太阳能存储技术三其中的热物理问题四拟开展研究工作汇报提纲熔融盐（moltensalt）：熔融盐是盐的熔融态液体。形成熔融态的无机盐其固态大部分为离子晶体，在高温下熔化后形成离子熔体。该蓄热方式对于提高太阳能光热发电技术具有重要意义，利用熔融盐作为蓄热工质是未来太阳能光热发电研究的重点。太阳能存储技术-熔融盐蓄热熔融盐研究和应用：美国国家太阳能实验中心美国SolarTwo太阳能电站意大利阿基米德太阳能电站熔融盐的优点：1、使用温度范围广2、高温下的性质稳定3、工作压力低4、比热容高5、具有良好的导电性6、易于获得熔融盐的缺点：1、高温分解问题和腐蚀问题2、熔盐的低温凝固问题熔融盐工作流程：冷罐熔融盐运送至加热位置熔融盐吸收太阳能热罐熔融盐放热发电太阳能存储技术-熔融盐蓄热主要用于显热储存，其是储存太阳能的简便方法。自然界的岩石、石英砂、土壤等是常用的固体储能材料。这类储能材料导热系数较高、温度承受能力强、材料成本低。该类材料可以广泛应用于民用太阳能热水、采暖储能，以及太阳能热力发电储能。太阳能存储技术-固体材料存储岩石储能：▲导热系数大，能量可以及时存储和取出，可耐受高温▲利用热空气将太阳能集热器收集的能量对流换热存储到岩石床层固体材料蓄热石英砂储能：▲热稳定性好，可耐受高温▲利用空气作为传热介质，通过气固换热器或者换热管将太阳能集热器中的热能储存到石砂体中太阳能存储技术-固体材料存储土壤储能：▲使用成本低、维护成本低▲利用太阳照射将太阳能以热能的形式存储在地表或者利用空气的等介质将热能引入较深的土壤层存储太阳能存储技术-固体材料存储蓄热相变材料的性质化学性质稳定、无腐蚀性无毒、无危害、不易燃较小的过冷度、高的晶体生长速率凝固时体积变化小高的热导率可循环利用太阳能存储技术-相变材料存储常见蓄热相变材料基本原理：相变材料存储太阳能的利用运用在建筑节能运用在电厂发电运用在太阳能厨具太阳能存储技术-相变材料存储太阳能存储的方法之一，是将装有芒硝(Na2SO4)的密闭塑料管安装在房屋的外墙内，当太阳照射时，他能把太阳能转化为化学能，达到蓄热作用，使室内保持较低温度；晚上它能将化学能转化为热能放出，使室内温暖这种作用是利用。太阳能存储技术-Na2SO4工人搜集芒硝加工处理太阳能小屋Na2SO4+10H2ONa2SO4·10H2O+QNa2SO4·10H2O+QNa2SO4+10H2O反应方程式：通过中温太阳热能与甲醇吸热分解特性的有机集成，低品位的中低温太阳能转换为高品位化学能，并以合成气(CO,H2)的形式被储存。太阳能热解甲醇太阳能热解甲醇热化学能量转化过程机制太阳能/甲醇裂解的发电系统太阳能热化学能量转化过程太阳能存储技术-热解甲醇太阳能存储技术-天然气重整制氢太阳能驱动天然气重整制氢天然气重整制氢是一个强吸热反应。通过重整反应，提升为化学能的太阳能占甲烷热值份额为28%。反应产物的合成气可以通过传统的联合循环进行发电，可实现CO2减排20%。反应方程式：太阳能驱动天然气重整制氢过程世界首台50MW太阳能驱动天然气重整示范发电站太阳能存储技术-天然气裂解太阳能驱动天然气裂解太阳能高温裂解化石燃料过程是讲天然气，油和其他碳氢化合物加热到高温下发生分解反应，反应后生成固态的碳和气态的氢气。这样，分离制取高纯度的氢气只需简单地将固态的碳黑分离出去即可，同时在该过程中发生脱碳。太阳能驱动天然气裂解制氢过程反应方程式：太阳能存储技术-太阳能驱动的煤气化太阳能驱动的煤气化煤与CO2或者水蒸气的气化过程是一个强吸热反应，决定于能源和高温热量供给。煤气化包括两个过程：高温分解和焦炭气化。理想情况下，反应吸热的太阳能约占煤热值的44%-45%。产生的合成气可用于发电。反应方程式：太阳能驱动的煤气化太阳能存储技术-光流体的应用光流体=光+流体常规反应光流体微反应器比表面积60010000–300000传质距离1-10m10-200um光程1-10m10-200um光照情况NonuniformUniform反应时间hoursseconds光流体微反应器对太阳能有更好的吸收和转化能力光流体技术对于太阳能高效存储有巨大的应用潜力光流体微反应器的特征一背景简介二太阳能存储技术三其中的热物理问题四拟开展研究工作汇报提纲一背景简介二太阳能存储技术三其中的热物理问题四拟开展研究工作汇报提纲太阳能光热技术太阳能光热技术是以各种形式的集热器技术将太阳辐射收集并存储为热能形式加以应用。太阳能热存储技术是以特定技术装置存储已经转换并收集的太阳热，并能够以非即收即用的形式，在太阳辐射较弱的时间或无太阳辐射的夜间，能够重新取用的能量存储技术。非聚光集热器聚光集热器太阳能存储与能质传递显热存储反应热存储潜热存储太阳能热存储形式采用水、岩石、土壤、地下岩层及水层等显热存储材料采用相变蓄热存储材料（PCM)利用正反向化学反应的吸热与放热，将热量转化为化学能蓄放紧凑式储热床显热太阳能空气系统相变储热自然循环开环太阳热水系统相变储热水箱太阳能存储与能质传递设计选择性吸收材料及其结构将太阳辐射能收集起来，通过光与物质的相互作用转换成热能加以利用。能量传递示意图显热：太阳光辐射能储热介质（砾石、水等）蓄热量计算公式：e.g.水的单位质量的热容量相当高，1kg水客储存4.18kJ/℃的热能，金属铜、铁、铝分别为3.73，3.64，2.64kJ/℃，固体岩石约为1.7kJ/℃。潜热：太阳光辐射能相变材料（结晶水合盐、有机材料如石蜡等）。以固体蓄热材料为例，蓄热量计算公式：21TTQCdT0+sfssfTTllslfllTTQCdTHCdT利用热容量相变时温度保持但持续吸热光热转换的基本原理：太阳能存储与能质传递反应热存储：太阳光辐射能储热材料（结晶水合物、无极氢氧化物等）。蓄热量计算公式：e.g.结晶水合物无机氢氧化物金属氧（氢）化物类似此类储热体系的还有AB+heatA+B2222NaSnHO()+HNaS+nHO固（固）（气）22242442MgClHOHSOHONHAl(SO)12HO、、催化剂、产物分离等22Mg(OH)=MgO+HO热2224KO+=2KO+3O热太阳能存储与能质传递由于世界的飞速发展，大自然留给我们的资源越来越少，从能源方面考虑，光解水制氢是光化学转化与存储的最好途径。氢燃烧后生成水，是便于储存于运输的可再生能源。太阳能光催化分解水制氢太阳能光催化分解水制氢，是太阳能转化为化学能最理想的途径光化学能转化光合作用和光催化水解制氢是最主要的方式太阳能存储与能质传递)光能（光量子）电能（电子）活跃的化学能（质子、ATP、NADPH）稳定的化学能（碳水化合物等）原初反应电子传递光合磷酸化碳同化光合作用能质传递太阳能存储与能质传递光催化水解制氢能质传递激发活化配位络合能量传递电子传递电子迁移及光转化机理能级激发与转化机理太阳能存储与能质传递photocatalyst光催化还原CO2能质传递Hydrocarbon激发活化光生电子（强还原性）光生空穴（强氧化性）H2OCO2还原反应（O2+H++e-）氧化反应H+e-燃料+氧气CO2光还原反应中不同电子下的还原电势ReactionE0redox/(VvsNHE)CO2+H++2e-→HCO2––0.49CO2+2H++2e-→CO+H2O–0.53CO2+4H++4e-→HCHO+H2O–0.48CO2+6H++6e-→CH3OH+H2O–0.38CO2+8H++8e-→CH4+2H2O–0.24太阳能存储与能质传递一背景简介二太阳能存储技术三其中的热物理问题四拟开展研究工作汇报提纲一背景简介二太阳能存储技术三其中的热物理问题四拟开展研究工作汇报提纲光热效应导致的传热特性和高效蓄热界面传热及特性相变传热与界面处相间能质传递耦合机理及特性多孔固体蓄热材料内传热特性光化学反应导致的传热特性和高效蓄热光催化反应和化学反应的界面传热及特性光流体技术促进太阳能高效存储跨尺度太阳能蓄热能质传输理论跨尺度多场耦合理论模型的建立理论计算方法太阳能存储及能质传递的机理和方法研究光热转化及能质传递光化学能转化及能质传递拟开展的研究工作请各位专家批评指正！谢谢!