太阳能蓄热材料

太阳能蓄热材料1引言1.1太阳能利用的研究背景跨入新世纪后，经济和社会的可持续发展成为实现人类进步的重大挑战，在有限的资源和环保双重压力下发展经济已成为全球关注的热点问题，而能源问题则更加突出。能源是人类生存和社会发展的物质基础，地球供给人类消耗的能源有限，据《BP世界能源统计》的数据表明，化石能源的枯竭不可避免，将在本世纪末基本开采殆尽。这就意味着在能源消耗殆尽之前，人类必须找到新的替代能源——可再生能源。世界大部分国家和地区能源供应不足，各国正在努力寻找稳定充足的能源供应，同时对发展能源新战略决策给予极大地重视，特别是可再生能源的开发与利用尤为引人注目。常规能源的匮乏，化石能源的开发利用带来了一系列的问题，如环境污染，温室效应等都与化石燃料的燃烧有关。人类要解决能源危机和环境问题，实现经济和社会的可持续发展，只能大规模的开发利用可再生的清洁能源。在所有可再生清洁能源中，太阳能等是被各国专家都看好的未来替代能源。如果说20世纪是石油世纪的话，21世纪则是可再生能源的世纪，太阳能的世纪。据权威专家估计，如果实施可再生能源的发展战略，到2020年新的可再生能源（不包括传统生物质能和水电）将占全球能源消费的20%，在能源消费结构中总的比例将达到30%。太阳能在世界能源结构转移中担当重任，成为21世纪后期的主导能源。正如世界观察研究所的一期报告所指出：正在兴起的“太阳经济”将成为未来全球能源的主流。作为全球能源市场日趋重要的一个组成部分，中国的能源消费已占世界能源消费总量的11.36%，世界能源消费将越来越向中国和亚太地区聚集。我国人口众多，化石能源消耗量大，煤炭国内生产量基本能够满足国内消费量，原油和天然气的生产则不能满足需求，特别是原油的缺口最大。注重能源资源的节约，提高能源利用效率，加快可再生能源的开发利用，对我国来说是迫在眉睫。在2009年的中国两会上，开发太阳能、风能等清洁能源，被明确写进政府工作报告中，这意味着一个新能源产业发展的春天即将到来。2009年12月26日，十一届全国人大常委会第十二次会议表决通过了关于修改可再生能源法的决定，新的可再生能源自2010年4月1日起实施，修改后的可再生能源法增加了对各类可再生能源的开发利用作出统筹规划的规定，并确立了全额保障性收购这一重要制度，还明确建立可再生能源发展基金等内容。太阳是一个炽热的球体，其内部氢原子失去核外电子后剩下原子核—质子，质子在高温下因高速的热运动而相互碰撞、发生热核反应，由4个质子聚合为一个氦核，并释放出大量的热。图1-1是地球上的能流图，从图中可以看出，广义上来说，几乎所有的可再生能源（地热能除外）都来自太阳能，就连不可再生能源都可以说是一种储存下来的太阳能。1.2太阳能的利用方式太阳能利用主要包括光-热转换、光-电转换和光-化学转换三种方式。1.2.1光-热转换光-热转换就是通过太阳光加热水箱中的水以备利用，这是光热转换最常见的、最基本的形式，太阳能热利用的本质在于将太阳辐射能转化为热能。太阳集热器主要包括平板集热器和聚光集热器，平板集热器是一种不聚光的集热器，它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积相等，它主要用于太阳能热水、采暖和制冷等方面的应用；平板集热器提供的温度一般来说比较低，这就限制了它的使用范围。为了在较高温度条件下利用太阳能，聚光式集热器就应运而生，它可将太阳光聚集在比较小的吸热面上，散热损失少，吸热效率高，可以达到较高的温度。它还有利用廉价反射器代替昂贵集热器以降低造价的优点。1.2.2光-电转换在光照条件下，半导体p-n结的两端产生电位差的现象称为光生伏特效应。其过程是半导体吸收光子后，产生了附加的电子和空穴，这些自由载流子在半导体内的局部电场作用下，各自运动到界面层两侧积累起来，形成净空间电荷而产生电位差。光生伏特效应的实际应用导致太阳能电池的出现，太阳能电池应用范围和规模近来都得到了较大的发展。太阳能电池产生电力与火力、水力、风力、核能等的发电原理存在着本质的差别，其工作原理主要基于“光生伏打效应”，这种效应在固体、液体和气体中均可产生。半导体太阳能电池按材料分类可分为：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池和有机半导体太阳能电池等。1.2.3光-化学转换光-化学转换尚处于研究开发阶段，这种转换技术包括半导体电极产生电而电解水产生氢，利用氢氧化钙或金属氢化物热分解储能等形式。太阳能制氢问题解决了，才能有真正意义上的氢能利用包括燃料电池），这将引起时代的变革。1.3太阳能蓄热技术太阳能短期蓄热是太阳能蓄热中一种简单常见的形式，它的充放热循环周期较短，最短可以24h作为一个循环周期。一般地说，短期蓄热的蓄热容积较小，与太阳能短期蓄热相对应，蓄热容积比较大、充放热循环周期比较长（一般为一年）的称为季节性蓄热（长期蓄热）。季节性蓄热的蓄热装置可置于地面以上，一般较常见的有钢质蓄热水塔。但钢质蓄热水塔的投资相对来说较高，并且其蓄热容积有一定的限制，对保温性能要求较高，从长期运行的经济性来看，置于地面以下的蓄热装置更为有效。由于土壤和岩石的热传导系数比较低，从而使在地面以下一定容积内进行蓄热成为可能，然而蓄热损失却因蓄热容积的不同而相差很大。实验表明：在一定的温度下，一个边长为3m的立方形地下蓄热装置，在几天之后，其蓄热量的50%将损失掉。而相应的边长为100m的地下蓄热装置，在六个月后，其热损失只有10%。因此，蓄热容积应该尽可能的大，以提高蓄热效率。所以，季节性蓄热主要用于与集中供热系统联合运行的大型蓄热。2太阳能蓄热材料的分类及特点2.1蓄热材料的性能要求蓄热材料的一般要求是:（1）蓄热量大。对显热储存材料要求材料的热容大，对潜热储存材料要求相变热大；对反应热要求反应的热效应大。（2）温度适宜。显热型材料通常不能满足这一要求。对潜热型材料，要求凝固时无过冷现象，熔化时温度变化小。（3）稳定性好。在多组分时，各组分间的结合要牢固，不能发生离析、分解及其它变化。（4）无毒、无腐蚀，不易燃易爆。（5）成本低。（6）材料的导热系数高。要求材料无论是液态还是固态，都有较高的导热率，以使热量可以方便地储存和释放。（7）在冷、热状态下或固、液状态下，材料的体积变化小[5]。2.2分类及特点材料蓄热的本质在于它可将一定形式的热量在特定的条件下贮存起来，并能在特定的条件下加以释放和利用，因此可以实现能量供应与人们需求一致性的目的，并达到节能降耗的作用。正是这一本质，决定了蓄热材料必须具有可逆性好、贮能密度高、可操作性强的特点。2.2.1按蓄热温度高低分类低温蓄热的温度一般低于60℃，采用结构简单的低温平板型集热器，因为是从低的给水温度开始加热，所以低温平板型集热器效率较高，甚至在日照比较短的时候，也能高效地集热。由于蓄热温度低，不能直接用于供热，从而需在用户和蓄热装置之间加热泵装置以提高温度。热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象。高温蓄热的蓄热温度一般高于60℃，可直接用于供热，但需要高温（效）太阳能集热器。一种高温蓄热系统，不附加热泵装置。另一种高温蓄热系统，附加热泵装置，当蓄热温度较高时直接供热；当运行一段时间后，温度降低，则改为和热泵联合运行。2.2.2按蓄热方式分类按蓄热方式划分，蓄热材料一般可分为:显热型、潜热型和化学反应型3大类。显热型的蓄热材料在储存和释放热能时，材料自身只是发生温度的变化，而不发生其他任何变化。这种蓄热方式的优点是操作简单，成本低，但在释放能量时，其温度发生连续变化，不能保持恒温，因此无法达到控温的目的，该类材料蓄热密度较低，盛装容器体积庞大，应用价值不是很高。引人注目的几种显热蓄热材料有土壤、地下蓄水层、温度分层型蓄热材料、砖石、水泥及将OLi2、32OAl、2TiO、32OB、2ZrO等混合高温烧结成型的显热蓄热材料。潜热型是利用蓄热材料在相变时吸热或放热的现象，来进行热能储存和温度调节控制，这类材料不仅具有容积蓄热密度大，而且具有设备简单、体积小、设计灵活、使用方便且易于管理等优点。它在相变蓄热过程中，材料近似恒温，可以此来控制体系的温度。化学反应型储热材料是利用可逆化学反应通过热能和化学能的转换进行蓄热的。它在受热和受冷时可发生可逆反应，分别对外吸热或放热，这样就可以吧热能储存起来。典型的化学蓄热体系有水合氧化钙、水合氧化镁等。反应时是否采用催化剂视反应体系而定。一般情况下，反应结束后，反应体系要分开单独存放，当需要时，再将反应物混合即可。故反应蓄热将化学能储存起来，它是一种高能量密度的储存方式，但它在使用时存在技术复杂、一次性投资大及整体效率不高等缺点，从而限制了它的发展。在这3大类蓄热材料中，潜热型最具有发展前途，也是目前应用最多和最重要的蓄热方式。物质由固态转变为液态，由液态转变为气态，或由固态直接转变为气态（升华）时，则将释放相变热，这是潜热型蓄热运用的基本原理。所以，潜热型蓄热按照相变的方式一般分为4类：固-固相变、固-液相变、固-气相变及液-气相变。由于固-气相变和液-气相变材料相变时体积变化太大，使用时需要很多的复杂装置，因此尽管它们有很大的相变潜热，但在实际应用中很少被采用。综上所述，固-固相变和固-液相变是目前蓄热材料中研究的重点。另外，相变蓄热材料按相变温度的范围可分为:高温、中温和低温蓄热材料，按材料的组成成分可分为无机类和有机类（包括高分子类）蓄热材料。蓄热材料通常是由多组分体系构成的，包括蓄热剂、相变温度调整剂、防过冷剂（成核剂）、悬浮剂、防相分离剂（当固、液相共存时因密度差易发生相分离）和促进剂。2.3各种蓄热材料的经济性分析（1）粘土蓄热粘土热容量相对来说比较高约为1kwh/m3℃，而其热传导系数比岩石低，因此较适合于蓄热。粘土蓄热属于低温蓄热，需要热泵来提升温度。粘土蓄热一般将U型管或软管埋入土壤中，深度约为20～30m，它们组成封闭的回路，中间流动着能量载体。在夏季，被太阳能集热器加热的热流体通过循环流动将地下的粘土加热，从而将热量储存在地下。在冬季，流过热泵蒸发器端的冷流体，通过循环流动被粘土加热，从而将热量传给热泵。（2）岩石中的井孔蓄热岩石中常见的片麻岩和花岗岩的热容量约为0.6kwh/m3℃，由井孔的位置和深度所决定的井孔蓄热的容积和形状对热损失的影响很大，随着容积的增大热损失减少很多。井孔蓄热一般在岩石中打数百个或更多个深度约为60～50m的井孔，井孔之间的距离约为4m，井孔的直径约为110～150mm。能量载体（比如水）在井孔中循环流动，和岩石进行热交换。（3）充水的岩洞蓄热水的热容量约为1.16kwh/m3℃，热水可被储存在岩洞中，其温度可超过100℃岩洞蓄热的充放水温差可高至50℃，在去掉热损失后，其储存能量密度约50kwh/m3℃，充水的岩洞蓄热必须设置在尽可能深的地下，以便上面有足够厚的岩石层覆盖，最好远低于地下水层，以平衡其内部的水压力。（4）储水层蓄热天然的地下储水层也可以用于季节性蓄热，将深井打入地下储水层，通过循环工质使太阳能集热器和地下水之间进行热交换。为了使热损失减少到合理的程度，这种蓄热方式的容积应尽可能的大，一般要超过100万3m。储水层蓄热的蓄热温度一般为20～30℃若储水层足够的深，蓄热温度可达60～90℃。（5）相变蓄热材料相变的潜热比温度变化的显热（蓄热器中温度变化区间并不大）要大的多。因此，在储存同样多热量时，需要相变蓄热材料的质相变蓄热材料特别适宜储存温度变化范围小的热量，而这时如果用单相蓄热材料，则需要的质量和容积就庞大多了。但相变蓄热投资较高，还不能大规模用于实践。太阳能蓄热技术要具有市场竞争力，必须具有节约能源。可带来尽可能高的经济效益，减少对生态环境的影响等特点。国内外多年的研究和实践表明：太阳能蓄热技术在这些方面具有很大的潜能，粘土、井孔、岩洞、水池、储水层等用于季节性蓄热时，都比传统的钢质蓄热水塔更具有市场竞争力，特别是当蓄热容积很大时，经济性能远优于钢质蓄热水塔。它们可以减少电能和矿物燃料的消耗，可以高效地利用太阳能源；同时，它们一个显著特点即