太阳能热储存技术

太阳能热储存技术太阳能是一种清洁可再生能源，在所有的可再生能源中，太阳能分布最广，获取最容易。但是太阳能受地理、昼夜和季节等规律性变化的影响以及阴晴云雨等随机因素的制约，能流密度低，通常每平方米不到一千瓦，此外，能量随着时间和天气的变化呈现不稳定性和不连续性。为了保证太阳能利用稳定运行,就需要储热装置把太阳能储存起来,在太阳能不足时再释放出来,以满足生产和生活用能连续和稳定供应的需要。几乎所有用于采暖、供应热水、生产过程用热等的太阳能热利用装置都需要储存热能。太阳能储存有三层含义，一是将白天接收到的太阳能储存到晚间使用，二是将晴天接收到的太阳能储存到阴雨天气使用，三是将夏天接收到的太阳能储存到冬天使用。现在国内外研究太阳能的储存方法主要有两大类:第一类是将太阳能直接储存，即太阳能热储存，主要分为三种类型：显热储存、相变储存和化学反应储存；第二类是把太阳能先转换成其他能量形式,然后再储存,如先转变为电能和机械能。本文旨在对太阳能热储存技术的现状进行调研，以期促进太阳能热储存技术的进一步研究与发展。显热储存显热储存是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。显热储存原理简单，材料来源丰富，成本低廉，是研究最早，利用最广泛，技术最成熟的太阳能热储存方式。低温范围内，水、土壤、砂石及岩石是最为常见的显热储热材料。德国汉堡生态村的设计中，采用了一个容量为4500的大储水罐作为储存一年四季中所采集的太阳能的储存设备。Kreetz提出了在太阳能烟囱电站集热棚内布置水管作为储能系统的构想。集热器地面上并排排列着黑色水管，数值计算结果表明利用水储热装置可以保证太阳能烟囱发电系统昼夜连续工作。在太阳能高温储存场合常用的显热储存介质有沙石-石-矿物油、混凝土、导热油、和液态钠等。从储热能力、成本和安全性考虑，混凝土是比较有前途的储热材料。德国航天航空研究中心的Tammeetal在研究砂石混凝土和玄武岩混凝土的基础上，研究开发耐高温混凝土和铸造陶瓷等固体储热材料，在阿尔梅里亚太阳能实验基地与槽式系统进行联合试验，效果良好，现在正准备MW级的试验。目前太阳能显热储存有向地下发展的趋势。太阳能的地下显热储存比较适合于长期储存，而且成本低，占地少，因此是一种很有发展前途的储热方式。美国华盛顿地区利用地下土壤储存太阳能用于供暖和提供生活热水，在夏季结束时，土壤温度可以上升至80℃，而在供暖季节结束时，温度降至40℃。此外，地下岩石储存太阳能和地下含水层储存太阳能都得到了广泛的研究。然而，由于显热储存材料是依靠储热材料温度变化来进行热量的储存，放热过程不能恒温，储热密度小，使得储热装置体积庞大，而且与周围环境存在温度差，造成热量损失，热量不能长期储存，不适合长时间、大容量储存热量，限制了显热储存技术的进一步发展。相变储存相变储存是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。相变储存具有储能密度高，放热过程温度波动范围小等优点得到了越来越多的重视。将相变储热材料应用于温室来储存太阳能始于80年代，应用到的相变材料主要有CaCl?6H2O、NaSO4?10H2O和聚乙二醇。太阳能热发电储热系统中的相变储热材料主要为高温水蒸气和熔融盐，利用熔融盐作为储热介质具有温度使用范围宽，热容量大，粘度低，化学稳定性好等优点，但盐类相变材料在高温下对储热装置有较强的腐蚀性。现有研究表明可以应用于空间太阳能热动力系统的相变材料主要为金属及合金和氟盐及其共晶混合物等，目前研究较多的是氟盐及其共晶混合物，但其液固相变转化时体积收缩较大及热导率低的缺点，容易导致“热松脱”和“热斑”现象，对储热装置的长期稳定非常不利。有机物相变材料具有相变温度适应性好、相变潜热大、理化性能稳定等优点,因而在太阳能储热利用中受到普遍关注，常用材料为一些醇、酸、高级烷烃等。BuddhiandSahoo提出将熔点为55.1℃，热容160kJ/kg的硬脂酸作为相变储热材料应用于太阳能灶，实验表明这一措施解决了在部分时间没有阳光时使用太阳能灶的问题。Sharmaetal.在2000年报道了将熔点为82℃，热容为263kJ/kg乙酰胺作为相变储热材料应用于改良型太阳灶的研究。在建筑墙体内添加有机物是一种非常有效的太阳能储存方式。Feldmanetal.对硬脂酸丁酯（49%）和丁基棕榈酸酯（48%）的混合酯研究，结果表明该混合酯适合作为建筑物储能材料用于储存太阳能。此外Feldmanetal将该混合酯（20~25%）作为相变储热材料应用于石膏墙板，和普通石膏墙板相比，储热能力增加了11倍，耐火能力也明显提高，随着添加的混合酯的质量变化，墙板导热系数在±15%之间变化。Athienitisetal.研究了一个墙面含有硬脂酸丁酯的被动太阳能房，含有硬脂酸丁酯垂直石膏墙板总面积约为20平方米，总共用相变温度为16~20.8℃的硬脂酸丁酯47kg。实验在冬季环境下进行，结果表明添加了硬脂酸丁酯的石膏墙板白天可以使室内温度降低4℃，避免了室内温度过高，晚上添加相变材料的石膏墙板的表面温度较普通石膏墙板的温度升高约3.2℃。Leeetal.等对由不同材料制成的墙砖及在墙砖中注入不同有机物时,墙砖在受到空气加热和冷却过程中的温度变化进行了实验对比研究,提出了最佳本体材料和相变材料的组合。研究表明在太阳能储存中,应用组合式相变材料代替传统的单一相变材料，相变传热速度明显提高，储热放热速率的均匀性得到明显改善。1998年，美国对氨矾和硝酸铵二元相变材料体系进行研究，并将其应用于太阳能热水器。王剑峰等对使用组合相变材料储能系统的相变传热过程进行了研究,通过对具有3层同心环形组合相变材料储能装置的实验,研究发现这种装置的相变时间比采用单一相变材料缩短37%以上。GongZhenXiang等对用2种以上相变材料进行组合以提高储能系统可用能效率进行了理论分析,认为只要选用合适的相变材料进行组合,储能系统的可用能效率可随相变材料种类的增加而提高。此外，胶囊封装技术、翅管强化传热和金属填料等均能有效地提高相变材料的导热率。M.N.Hawladeretal.用复凝聚法，以阿拉伯树胶和明胶为壁材，石蜡为芯材，制成了直径在微米量级的相变储能微胶囊，该相变材料相变潜热在145~240J/g之间，相变温度在50~60℃之间，在热力循环过程中表现出较好的力学性质和储热能力，是一种很有发展潜力的太阳能储能材料。Choi和Kim研究了在双翅片管内CaCl?6H2O的传热速率特征曲线，其传热速率系数是光滑管的3.5倍。郭茶秀等提出了采用铝片强化太阳能热力发电系统高温相变储能系统传热性能,要求储能系统在无日照时能尽快释放出相变热,以产生蒸汽，并用fluent软件模拟了该系统在释能过程中的瞬态二维传热过程,计算结果表明,增加铝片能有效强化高温相变储能系统传热性能。化学反应储存化学反应储存是利用化学反应的反应热的形式来进行储热，具有储能密度高，可长期储存等优点。用于贮热的化学反应必须满足：反应可逆性好，无副反应；反应迅速；反应生成物易分离且能稳定贮存；反应物和生成物无毒、无腐蚀、无可燃性；反应热大，反应物价格低等条件。1988年，美国太阳能研究中心指出，化学反应储热是一种非常有潜力的太阳能高温储热方式，而且成本又可能降低到相对较低的水平。Brownetal.采用CaO与H2O，进行了小规模的储热试验研究，指出化学反应储热系统约束条件苛刻，价格偏贵，但认为氢氧化物与氧化物之间的热化学反应将是化学反应储热的潜在对象。澳大利亚国立大学提出一种储存太阳能的方式叫做“氨闭合回路热化学过程”，在这个系统里，氨吸热太阳能分解成氢与氮，储存太阳能，然后在一定条件下进行放热反应，重新生成氨，同时放出热量。天然气的太阳能热化学重整是使低链烃CH4与H2O或CO2发生反应，重整后的产物主要是CO和H2的混合物，太阳能通过吸热的化学反应储存为燃料的化学能，反应产物（混合气）的热值得以提升。以色列摩西?莱维教授领导的一个科研小组，利用水和甲烷作为“太阳能仓库”来储存太阳能。他们在阳光充足的地方建了一座高54米的高塔，在塔内装上甲烷和水，当塔内温度加热到872℃时，塔中的CH4和水蒸气开始发生化学反应，变为CO和H2，同时吸收大量的热能，使其中所含的能量比CH4高出30%。但是由于太阳能甲烷重整需要800~1000℃的高温，对重整器要求很高，同时需要庞大的定日镜场，不利于工程应用。为此，HuiHongetal.提出了中温太阳能裂解甲醇的动力系统，系统中太阳能化学反应装置是通过地聚光比的抛物槽式集热器，聚集中温太阳热能与碳氢燃料热解或重整的热化学反应相结合，将中低温太阳能提升为高品位的燃料化学能，从而实现了低品位太阳能的高效能量转换与储存。此外，有别于以反应热的形式储存太阳能，降冰片二烯类化合物作为储能材料得到了广泛的研究。紫外光照射下,降冰片二烯类化合物发生双烯环加成反应,转化为它的光异构体，太阳能以张力能的形式储存起来，在加热或催化剂或另一种波长的紫外光的照射下,又逆转为降冰片二烯类化合物,同时张力能以热的形式释放出来，这一转化方式有效地实现了太阳能的储存与转化。结束语太阳能热储存技术是一项复杂的技术，无论从技术层面和投资成本来看，太阳能热储存技术都是太阳能利用中的关键环节。从现有的研究来看，显热储存研究比较成熟，已经发展到商业开发水平，但由于显热储能密度低，储热装置体积庞大，有一定局限性。化学反应储热虽然具有很多优点，但化学反应过程复杂、有时需催化剂、有一定的安全性要求、一次性投资较大及整体效率仍较低等困难，目前只处于小规模实验阶段，在大规模应用之前仍有许多问题需要解决。相变储存凭借其优越性吸引着人们对其进行大量的研究，发展势头强劲。然而常规相变材料在实际应用过程中存在的种种问题，诸如无机相变材料的过冷和相分离现象以及有机相变材料的导热率低等问题，严重制约了相变储存技术在太阳能热储存中的应用。此外，降低相变储热的应用成本亦是将相变储存技术大规模应用太阳能热储存前必须解决的一个现实问题。值得高兴的是，近年来，随着纳米复合相变储热材料、定形相变材料和功能热流体等新型相变材料的出现，上述问题有望得到解决。新型相变材料的出现，必将在很大程度上推动相变储存技术在太阳能热储存中的应用。沁园春·雪北国风光，千里冰封，万里雪飘。望长城内外，惟余莽莽；大河上下，顿失滔滔。山舞银蛇，原驰蜡象，欲与天公试比高。须晴日，看红装素裹，分外妖娆。江山如此多娇，引无数英雄竞折腰。惜秦皇汉武，略输文采；唐宗宋祖，稍逊风骚。一代天骄，成吉思汗，只识弯弓射大雕。俱往矣，数风流人物，还看今朝。克出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也。臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。受命以来，夙夜忧叹，恐托付不效，以伤先帝之明；故五月渡泸，深入不毛。今南方已定，兵甲已足，当奖率三军，北定中原，庶竭驽钝，攘除