第三讲 太阳能热储存方式

第三讲：太阳能的热储存没太阳时（阴雨天、晚上）怎么办？想办法把阳光充足时的太阳能储存起来，以供无阳光时使用——这就是太阳能热储存要讨论的问题。热能储存显热储存潜热储存化学储存显热蓄热：利用储热介质的热容量进行蓄热，把已经过高温或低温变换的热能贮存起来加以利用，具有化学和机械稳定性好、安全性好、传热性能好，但单位体积的蓄热量较小，很难保持在一定温度下进行吸热和放热。潜热蓄热：利用相变材料(PCM)相变时单位质量（体积）的潜热蓄热量非常大的特点，把热量贮存起来加以利用。一般具有单位重量（体积）蓄热量大、在相变温度附近的温度范围内使用时可保持在一定温度下进行吸热和放热、化学稳定性好和安全性好，但相变时液固两相界面处的热传导效果较差。储热方式显热储热、潜热储热、化学储热1t00t2t100kt3tABCDEF01Q3352Q3Q22574Q5Q热焓量（kJ/kg）不同状态下水的显热与相变潜热比较TmCTTmCQpp)(21热水显热储存系统的储热量计算公式m－总水量(kg)－水的比热容(kJ/kg.℃)4.18kJ/kg.℃－水的温度差(℃)pcT典型太阳热水系统示意图其它固体显热储热系统：水的单位质量的热容量相当高，1kg水可储存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/℃。相变储热（潜热储热）潜热储热（LatentThermalEnergyStorage，LTES）或称相变储能，它是利用物质在物态变化（固-液、固-固或汽-液）时，单位质量（体积）潜热蓄热量非常大的特点把热能储存起来加以利用。相变材料（PhaseChangeMaterial，PCM）利用潜热蓄放热的这类物质我们称它们为相变储能材料。相变储能技术（phasechangeenergystoragetechnology)采用相变储热方式，利用特定的装置，将暂时不用或多余的热能通过相变材料储存起来，需要时再利用的方法称为相变储能技术。相变材料按相变方式一般可分为以下四类：1.固-固相变材料；2.固-液相变（熔化、凝固）材料；3.液-汽相变（汽化、液化）材料；4.固-气相变（升华、凝聚）材料。一般说来，从1到4相变潜热逐渐增大。但由于第3类和第4类相变过程中有大量气体，相变时物质的体积变化很大，因此尽管这两类相变过程中相变潜热很大，但在实际应用中很少被选用。无机水合盐熔点（℃）潜热（J/g）密度（g/cm3）比热(J/g﹒K)固液固液KF·4H2O18.5231.01.451.451.842.39Na2CO3·10H2O332471.46－1.883.34Na2S2O3·5H2O~502011.751.671.482.41NaOAc·3H2O58.52261.451.282.79－NH4Al(SO4)2·12H2O94.52591.64－1.7063.05Na2SO4·10H2O32.42541.48－－－CaCl2·6H2O29.61741.801.49－－表1部分常用无机水合盐相变材料的热物性能Table1Thethermo-physicalperformancesofsomesalt-hydrate表2部分单元熔融无机盐相变储能材料的热物性能Table2Thethermo-physicalperformancesofsomesingleinorganicsalts相变材料熔点(℃)密度（g/cm3）比热(固)(J/g﹒K)潜热（J/g）LiF8482.2951.5361035NaF9952.5581.114789NaCl8912.1650.839486Na2SO48842.7790.958169.5KCl7761.9840.681346Na2CO3858285MgCl2715454Ca(NO3)2561130表3部分共晶混合盐相变储能材料热物性能Table3Thethermo-physicalperformancesofsomeinorganiceutecticssalts相变材料（wt%）熔点Tm(℃)潜热(J/g)导热系数（W/m.K）32Li2CO3/33Na2CO3/35K2CO3397276.5-23.5Li2CO3/76.5CaCO3498316.1-47.8Na2CO3/52.2Ba2CO3686172-75NaF/25MgF28326504.6667LiF/33MgF2746947-65NaF/23CaF2/12MgF2745574-33.4LiF/49.5NaF/17.1MgF26508601.1546LiF/44NaF/10MgF26328581.244Li2CO3/56Na2CO34963682.1150NaCl/50MgCl24504250.9623NaCl/63MgCl2/14KCl3854610.95表4部分金属及其合金相变储能材料的热物性能Table4Thethermo-physicalperformancesofsomemetal(alloys)相变材料熔点Tm(℃)潜热(J/g)导热系数(W/m.K)Al661400204.2Al/Si579515180Al/Si/Mg560545200Mg649368131表5部分有机相变储能材料的热物性Table5Thermo-physicalperformancesofsomeorganicphasechangematerials相变材料熔点(℃)密度（g/cm3）潜热(J/g)导热系数(W/m.K)石蜡-12-75.90.750－0.782(70℃)225.7－267.50.012-0.016癸酸31.50.886(40℃)1530.149棕榈酸62.50.847(80℃)1870.165(70℃)硬脂酸70.70.941(40℃)2030.172(70℃)表6几种多元醇的热性能Table6Thethermo-physicalperformancesofsomepolyhydricalcohols相变材料分子中羟基数（个）转变温度（℃）比热容(J/g﹒K)转变焓(J/g)熔点(℃)密度(g/cm3)PE41882.843232601.333PG3812.751931981.193NPG2431.761311261.046表7部分层状钙钛矿的热物性Table7Thethermo-physicalperformancesofsomeperoviskite相变材料转变温度(℃)C12Mn32732942.28(C),46.3(H)3.75129.30(C),140.70(H)11.40C12Co33736119.32(C),53.29(H)33.9857.33(C),151.46(H)94.13C10Mn30636.17118.20C10Co35138.49109.661/molkJH11/KmolJS表8部分固－液复合定形相变储能材料的热物性Table8Thethermo-physicalperformancesofsomesolid-liquidPCMs复合定形相变材料PCM含量（wt%）相变温度(℃)相变焓(J/g)石蜡/高密度聚乙烯7558160石蜡/SBS40－8056－5881.63－165.2硬脂酸/SiO29.8－4749－6225.68－196.8月桂酸－硬脂酸/SiO25633.2792.9高温储热体如何充分利用固体显热蓄热材料和潜热蓄热材料两者的优点，尽量克服两者的不足去开发新型的高性能复合蓄热材料，是当今蓄热材料研究开发的重点课题。我们实验室多年从事无机盐/陶瓷基复合相变储能材料的研制工作，并成功地开发出两种新的制备技术和方法：混合烧结法和熔融浸渗法。采用自发熔融浸渗法制备出的无机盐/陶瓷基复合相变储能材料我所做的工作之二:微米级多孔陶瓷预制体的制备与表征204060801000500100015002000250030003500Q:QuartzC:CristobaliteCCQQQQQQQ(211)(212)(200)(110)(112)(100)(101)Intensity(Arb.units)2Theta(deg)主晶相为A3号未烧结预制体断口SEM照片×500A3号预制体断口SEM照片×500石英少量方石英我所做的工作之五：性能研究储能密度、相变温度和相变潜热80082084086088090092094081012141618热流率（mW）Tm=882.57℃ΔH=76.44J/g温度（℃）800820840860880900920940121416182022温度（℃）Tm=880.98℃ΔH=81.23J/g热流率（mW）80082084086088090092094081012141618Tm=882.88℃ΔH=84.77J/g温度（℃）热流率（mW）800820840860880900920940101214161820Tm=882.74℃ΔH=92.67J/g热流率（mW）温度（℃）A1、B4、C3、D5号试样的DSC曲线Table9Comparisonofperformancesundertwodifferenttechniques性能指标混合烧结工艺自发熔融浸渗工艺备注Na2SO4的百分含量（wt%）20～5042～54/体积密度（g/cm3）1.9～2.12.3～2.6/相变温度（℃）880～885880～883/相变潜热（kJ/kg）35.65～83.7376.4～92.67/储能密度（kJ/kg）190～210220～240ΔT=100℃比热容（kJ/kg.K）1.32～1.431.45～1.54800～900℃热扩散率（×100cm2/s）0.40.35800～900℃导热系数（W/m.K）1.01～1.151.15～1.35800～900℃高温抗压强度（Mpa）4.3～8.65.1～12.5950℃热膨胀系数(×10-6/℃)/32900℃平均值抗热震温度（℃）1000以上1000以上/表面结霜现象有无放置一年以上两种制备工艺所制备出的无机盐/陶瓷基复合相变储能材料的热物理性能电热相变储能热水热风联供装置（锅炉）和系统照片电热相变储能热水热风联供装置（常压锅炉）电热相变储能热水热风联供装置和系统电热相变储能热风和热水热风联供两套系统装置和系统的供热和计算机监控设备sTTsssdTCQ0ssfsfTTlllfTTlslCHdTCQ0对固体显热蓄热材料来说，其单位质量的储能密度的计算式可以用下式来表示：对于潜热蓄热材料来说，其单位质量的蓄热密度的计算式可以用下式表示：例题工程性质的计算公式见教材P138相变材料Na2SO4.10H2O的Cs为1950J/kg.℃，Cl=3350J/kg.℃，相变潜热＝2.43×105J/kg.℃，相变温度＝34℃，假设该相变材料由25℃升高到50℃，求储存的总热量。化学热储存：实际上就是利用储热材料相接触时发生化学反应，而通过化学能与热能的转换把热能贮藏起来。化学反应储能是一种高能量高密度的储能方式，它的储能密度一般都高于显热和潜热储存，而且此种储能体系通过催化剂或产物分离方法极易用于长期能量储存，但其在实际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。化学储能是一门崭新的科学,目前仍没能得到广泛应用，今后在这一方面应致力于选择和研究优良的反应材料(主要包括结晶水合物和复合材料),克服各自的不足,逐步走向实际工程应用发展。化学储热选择化学储能材料的标准:①材料的反应热要求反应热效应大;②反应温度合适;③无毒、无腐蚀,不易燃易爆;④价格低廉;⑤反应不产生副产品;⑥可逆化学反应速率要适当,以便于能量存入与取出;⑦反应时材料的体积变化要小;⑧对相关结构材料无腐蚀性。化学储能材料的种类及其储能原理：1.结晶水合物结晶水合物蓄热是在低于其熔点的温度下，使水合盐全部或部分脱去其结晶水，利用在脱水过程中吸收的水合热来实现热量的储存当需要回收热量时，把脱去的水与脱水盐