太陽能熱儲存技術

太陽能熱發電儲熱系統中的相變儲熱材料主要為高 變材料的導熱率低等問題，嚴重製約了相變儲存技術在太陽能熱儲存中的套用。 動相變儲存技術在太陽能熱儲存中的套用。

太陽能熱儲存技術研究引言 太陽能是一種清潔可再生能源，在所有的可再生能源中，太陽能分布最廣，獲取最容易。 但是太陽能受地理、 晝夜和季節等規律性變化的影響以及陰晴雲雨等隨機因素的制約， 能流 密度低，通常每平方米不到一千瓦，此外，能量隨著時間和天氣的變化呈現不穩定性和不連 續性。為了保證太陽能利用穩定運行, 就需要儲熱裝置把太陽能儲存起來, 在太陽能不足時 再釋放出來, 以滿足生產和生活用能連續和穩定供應的需要。 幾乎所有用於採暖、 供應熱水、 生產過程用熱等的太陽能熱利用裝置都需要儲存熱能。 太陽能儲存有三層含義，一是將白天接收到的太陽能儲存到晚間使用，二是將晴天接收 到的太陽能儲存到陰雨天氣使用， 三是將夏天接收到的太陽能儲存到冬天使用。 現在國內外 研究太陽能的儲存方法主要有兩大類: 第一類是將太陽能直接儲存，即太陽能熱儲存，主要 分為三種類型：顯熱儲存、相變儲存和化學反應儲存；第二類是把太陽能先轉換成其他能量 形式, 然後再儲存, 如先轉變為電能和機械能。本文旨在對太陽能熱儲存技術的現狀進行調 研，以期促進太陽能熱儲存技術的進一步研究與發展。 顯熱儲存 顯熱儲存是利用儲熱材料的熱容量，通過升高或降低材料的溫度而實現熱量的儲存或釋 放的過程。顯熱儲存原理簡單，材料來源豐富，成本低廉，是研究最早，利用最廣泛，技術 最成熟的太陽能熱儲存方式。 低溫範圍內，水、土壤、砂石及岩石是最為常見的顯熱儲熱材料。德國漢堡生態村的設 計中， 採用了一個容量為 4500 的大儲水罐作為儲存一年四季中所採集的太陽能的儲存設備。 Kreetz 提出了在太陽能煙囪電站集熱棚內布置水管作為儲能系統的構想。 集熱器地面上並排 排列著黑色水管， 數值計算結果表明利用水儲熱裝置可以保證太陽能煙囪發電系統晝夜連續 工作。在太陽能高溫儲存場合常用的顯熱儲存介質有沙石-石-礦物油、混凝土、導熱油、和 液態鈉等。從儲熱能力、成本和安全性考慮，混凝土是比較有前途的儲熱材料。德國航天航 空研究中心的 Tamme et al 在研究砂石混凝土和玄武岩混凝土的基礎上，研究開發耐高溫混 凝土和鑄造陶瓷等固體儲熱材料，在阿爾梅里亞太陽能實驗基地與槽式系統進行聯合試驗， 效果良好，現在正準備 MW 級的試驗。 目前太陽能顯熱儲存有向地下發展的趨勢。太陽能的地下顯熱儲存比較適合於長期儲存， 而且成本低，占地少，因此是一種很有發展前途的儲熱方式。美國華盛頓地區利用地下土壤 儲存太陽能用於供暖和提供生活熱水，在夏季結束時，土壤溫度可以上升至 80℃，而在供 暖季節結束時，溫度降至 40℃。此外，地下岩石儲存太陽能和地下含水層儲存太陽能都得 到了廣泛的研究。然而，由於顯熱儲存材料是依靠儲熱材料溫度變化來進行熱量的儲存，放 熱過程不能恆溫，儲熱密度小，使得儲熱裝置體積龐大，而且與周圍環境存在溫度差，造成 熱量損失，熱量不能長期儲存，不適合長時間、大容量儲存熱量，限制了顯熱儲存技術的進 一步發展。 相變儲存 相變儲存是利用儲熱材料在熱作用下發生相變而產生熱量儲存的過程。相變儲存具有儲 能密度高，放熱過程溫度波動範圍小等優點得到了越來越多的重視。 將相變儲熱材料套用於溫室來儲存太陽能始於 80 年代，套用到的相變材料主要有 CaCl?6H2O、naso4?10H2O 和聚乙二醇。太陽能熱發電儲熱系統中的相變儲熱材料主要為高 溫水蒸氣和熔融鹽，利用熔融鹽作為儲熱介質具有溫度使用範圍寬，熱容量大，粘度低，化 學穩定性好等優點， 但鹽類相變材料在高溫下對儲熱裝置有較強的腐蝕性。 現有研究表明可 以套用於空間太陽能熱動力系統的相變材料主要為金屬及合金和氟鹽及其共晶混合物等， 目 前研究較多的是氟鹽及其共晶混合物，但其液固相變轉化時體積收縮較大及熱導率低的缺 點，容易導致“熱鬆脫”和“熱斑”現象，對儲熱裝置的長期穩定非常不利。 有機物相變材料具有相變溫度適應性好、相變潛熱大、理化性能穩定等優點,因而在太陽 能儲熱利用中受到普遍關注，常用材料為一些醇、酸、高級烷烴等。Buddhi and Sahoo 提出 將熔點為 55.1℃，熱容 160kJ/kg 的硬脂酸作為相變儲熱材料套用於太陽能灶，實驗表明這 一措施解決了在部分時間沒有陽光時使用太陽能灶的問題。Sharma et al.在 2000 年報導了將 熔點為 82℃，熱容為 263kJ/kg 乙醯胺作為相變儲熱材料套用於改良型太陽灶的研究。在建 築牆體內添加有機物是一種非常有效的太陽能儲存方式。 Feldman et al.對硬脂酸丁酯 （49%） 和丁基棕櫚酸酯（48%）的混合酯研究，結果表明該混合酯適合作為建築物儲能材料用於儲 存太陽能。此外 Feldman et al 將該混合酯（20~25%）作為相變儲熱材料套用於石膏牆板， 和普通石膏牆板相比，儲熱能力增加了 11 倍，耐火能力也明顯提高，隨著添加的混合酯的 質量變化，牆板導熱係數在±15%之間變化。Athienitis et al.研究了一個牆面含有硬脂酸丁酯 的被動太陽能房，含有硬脂酸丁酯垂直石膏牆板總面積約為 20 平方米，總共用相變溫度為 16~20.8℃的硬脂酸丁酯 47kg。實驗在冬季環境下進行，結果表明添加了硬脂酸丁酯的石膏 牆板白天可以使室內溫度降低 4℃，避免了室內溫度過高，晚上添加相變材料的石膏牆板的 表面溫度較普通石膏牆板的溫度升高約 3.2℃。Lee et al.等對由不同材料製成的牆磚及在牆 磚中注入不同有機物時,牆磚在受到空氣加熱和冷卻過程中的溫度變化進行了實驗對比研究, 提出了最 研究表明在太陽能儲存中, 套用組合式相變材料代替傳統的單一相變材料， 相變 傳熱速度明顯提高，儲熱放熱速率的均勻性得到明顯改善。1998 年，美國對氨礬和硝酸銨 二元相變材料體系進行研究， 並將其套用於太陽能熱水器。 王劍峰等對使用組合相變材料儲 能系統的相變傳熱過程進行了研究,通過對具有 3 層同心環形組合相變材料儲能裝置的實驗, 研究發現這種裝置的相變時間比採用單一相變材料縮短 37 %以上。Gong ZhenXiang 等對用 2 種以上相變材料進行組合以提高儲能系統可用能效率進行了理論分析,認為只要選用合適 的相變材料進行組合,儲能系統的可用能效率可隨相變材料種類的增加而提高。 此外，膠囊封裝技術、翅管強化傳熱和金屬填料等均能有效地提高相變材料的導熱率。 M.N.Hawlader et al.用復凝聚法，以阿拉伯樹膠和明膠為壁材，石蠟為芯材，製成了直徑在 微米量級的相變儲能微膠囊， 該相變材料相變潛熱在 145~240J/g 之間， 相變溫度在 50~60℃ 之間， 在熱力循環過程中表現出較好的力學性質和儲熱能力， 是一種很有發展潛力的太陽能 儲能材料。Choi 和 Kim 研究了在雙翅片管內 CaCl?6H2O 的傳熱速率特徵曲線，其傳熱速率 係數是光滑管的 3.5 倍。郭茶秀等提出了採用鋁片強化太陽能熱力發電系統高溫相變儲能系 統傳熱性能, 要求儲能系統在無日照時能儘快釋放出相變熱,以產生蒸汽， 並用 fluent 軟體模 擬了該系統在釋能過程中的瞬態二維傳熱過程,計算結果表明,增加鋁片能有效強化高溫相變 儲能系統傳熱性能。 化學反應儲存 化學反應儲存是利用化學反應的反應熱的形式來進行儲熱，具有儲能密度高，可長期儲 存等優點。用於貯熱的化學反應必須滿足：反應可逆性好，無副反應；反應迅速；反應生成 物易分離且能穩定貯存；反應物和生成物無毒、無腐蝕、無可燃性；反應熱大，反應物價格 低等條件。 1988 年，美國太陽能研究中心指出，化學反應儲熱是一種非常有潛力的太陽能高溫儲熱 方式，而且成本又可能降低到相對較低的水平。Brown et al.採用 CaO 與 H2O，進行了小規 模的儲熱試驗研究，指出化學反應儲熱系統約束條件苛刻，價格偏貴，但認為氫氧化物與氧 化物之間的熱化學反應將是化學反應儲熱的潛在對象。 澳大利亞國立大學提出一種儲存太陽 能的方式叫做“氨閉合迴路熱化學過程”，在這個系統里，氨吸熱太陽能分解成氫與氮，儲存 太陽能，然後在一定條件下進行放熱反應，重新生成氨，同時放出熱量。 天然氣的太陽能熱化學重整是使低鏈烴 CH4 與 H2O 或 CO2 發生反應， 重整後的產物主要 是 CO 和 H2 的混合物，太陽能通過吸熱的化學反應儲存為燃料的化學能，反應產物（混合 氣）的熱值得以提升。以色列摩西?萊維教授領導的一個科研小組，利用水和甲烷作為“太陽 能倉庫”來儲存太陽能。 他們在陽光充足的地方建了一座高 54 米的高塔，在塔內裝上甲烷和 水，當塔內溫度加熱到 872℃時，塔中的 CH4 和水蒸氣開始發生化學反應，變為 CO 和 H2， 同時吸收大量的熱能，使其中所含的能量比 CH4 高出 30%。但是由於太陽能甲烷重整需要 800~1000℃的高溫， 對重整器要求很高， 同時需要龐大的定日鏡場， 不利於工程套用。 為此， Hui Hong et al.提出了中溫太陽能裂解甲醇的動力系統，系統中太陽能化學反應裝置是通過 地聚光比的拋物槽式集熱器，聚集中溫太陽熱能與碳氫燃料熱解或重整的熱化學反應相結 合， 將中低溫太陽能提升為高品位的燃料化學能， 從而實現了低品位太陽能的高效能量轉換 與儲存。 此外，有別於以反應熱的形式儲存太陽能，降冰片二烯類化合物作為儲能材料得到了廣 泛的研究。紫外光照射下, 降冰片二烯類化合物發生雙烯環加成反應,轉化為它的光異構體， 太陽能以張力能的形式儲存起來，在加熱或催化劑或另一種波長的紫外光的照射下,又逆轉 為降冰片二烯類化合物,同時張力能以熱的形式釋放出來，這一轉化方式有效地實現了太陽 能的儲存與轉化。 結束語 太陽能熱儲存技術是一項複雜的技術，無論從技術層面和投資成本來看，太陽能熱儲存 技術都是太陽能利用中的關鍵環節。從現有的研究來看，顯熱儲存研究比較成熟，已經發展 到商業開發水平，但由於顯熱儲能密度低，儲熱裝置體積龐大，有一定局限性。化學反應儲 熱雖然具有很多優點，但化學反應過程複雜、有時需催化劑、有一定的安全性要求、一次性 投資較大及整體效率仍較低等困難， 目前只處於小規模實驗階段， 在大規模套用之前仍有許 多問題需要解決。 相變儲存憑藉其優越性吸引著人們對其進行大量的研究，發展勢頭強勁。然而常規相變 材料在實際套用過程中存在的種種問題， 諸如無機相變材料的過冷和相分離現象以及有機相 變材料的導熱率低等問題，嚴重製約了相變儲存技術在太陽能熱儲存中的套用。此外，降低 相變儲熱的套用成本亦是將相變儲存技術大規模套用太陽能熱儲存前必須解決的一個現實 問題。值得高興的是，近年來，隨著納米複合相變儲熱材料、定形相變材料和功能熱流體等 新型相變材料的出現，上述問題有望得到解決。新型相變材料的出現，必將在很大程度上推 動相變儲存技術在太陽能熱儲存中的套用。 李華山 西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室 賈曉麗 大連交通大學機械工程學院,116028 馮 亮 西安交通大學能源與動力工程學院,710049