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1、第 3 章 太阳能的存储技术自从 20 世纪 70 年代的能源危机以来，作为最受瞩目的清洁能源之一的太阳能，获得了越来越广泛的关注。对于太阳能热能储存的三种主要方式：显热储存、相变储存、化学蓄热。显热储存的研究已经比较成熟，但由于显热储能密度较低等缺点而存在一定的局限性；相变储存凭借其优越性已经成为了世界范围内的研究热点，发展势头强劲，然而常规相变材料存在的诸如过冷和相分离现象，以及相变储热较高的使用成本严重制约了相变储存技术的实际应用，随着研究的不断深入，我们期待新型相变材料的出现能推动相变储存技术的发展；化学蓄热虽然具有很多优点，但是化学反应过程复杂，安全性、效率和成本等方面的制约使其只处
2、在小规模实验阶段，要达到完全的商业化，很多的技术难题有待攻克，新的探索也将继续。3.1 太阳能的存储方式太阳辐射不能直接储存，必须将其转换为其他能量形式再加以储存。现在，国内外研究太阳能的储存方式主要有两大类，一类是太阳能热能储存，另一类是把太阳能先转变成其他能量，如电能、化学能、动能以及生物能等形式之后再储存。本章主要介绍的是太阳能热能储存。太阳能的热储存方式主要有以下三种：显热储存、相变储存和化学蓄热。所谓显热储存，就是加热蓄热材料，使其温度升高而蓄热，所以也叫“热容式”蓄热。相变储存通过加热蓄热材料到相变温度时吸收的大量相变热而蓄热，所以也叫“潜热式”蓄热。化学蓄热是通过可逆化学反应实现
3、热能储存和释放的蓄热方式。太阳能热能存储方式的选择以及蓄热器的设计，需要参考以下几点：（1）单位体积或单位重量的蓄热容量；（2）蓄热器工作温度范围，即热量输入和输出系统的温度范围；（3）热量输入和输出蓄热器的方法和与此相关的温度差；（4）热量输入和输出蓄热器的动力要求；（5）蓄热器的结构、容积和内部温度的分布情况；（6）减小系统热损耗和使用成本的方法。3.1.1 太阳能热能储存的分类除了显热储存、相变储存和化学蓄热三种主要的蓄热方式，实际应用中太阳能热能储存还可以按不同的类型加以区分和分类，例如，按热储存时间的长短、按蓄热温度的高低、按蓄热能量密度大小等。3.1.1.1 按热储存时间的长短分类
4、（1）随时储存：以小时或者更短的时间为周期，其主要目的是随时调整热能供需之间的不平衡。例如，热电站中的蒸汽储热器，依靠蒸汽凝结或水的蒸发来随时蓄热和放热，使热能供需之间随时维持平衡。（2）短期储存：以天或者周为蓄热周期，其目的是为了维持一天（或一周）的热能供需平衡。例如，太阳能采暖，太阳能集热器只能在白天吸收太阳的辐射能，因此集热器在白天收集到的热能除了满足白天供暖的需求外，还应该储存部分热能，供夜晚或者阴雨天气使用。（3）长期储存：以季节或年为储存周期，其目的是为了调节季度（或年）的热能供需关系。例如，把夏季的太阳能或工业余热长期储存下来供冬季使用，或者在冬季储存天然冰供来年的夏季使用。3.
5、1.1.2 按蓄热温度的高低分类（1）蓄冷：蓄热温度在 0左右或者低于 0，多用于制冷空调系统的冷量储存。常用材料以水和冰为主。若用水作为蓄冷材料，最低温度不可能低于 0；若用其他材料作为蓄冷材料，则最低温度可以低于 0。（2）低温蓄热：蓄热温度低于 100，多用于建筑物的采暖、提供生活用或低温工农业生产用的热水或干燥。适用于低温蓄热的介质材料有水、岩石、无机盐水合物和石蜡等有机盐。（3）中温蓄热：蓄热温度介于 100500之间，多用于吸收式制冷系统、蒸馏器、小功率水泵或小规模太阳能发电站等。常用有机流体作为蓄热材料，也可利用岩石作为蓄热材料。如仍用水作为蓄热材料，则需高压环境，这需要蓄热器有
6、一定的耐压性，成本也会显著提高。（4）高温蓄热：蓄热温度在 500以上，多用于聚焦型太阳灶、蒸汽锅炉或大装机容量汽轮机的太阳能发电系统。常用的蓄热介质材料一般为岩石或金属熔盐，以及氧化铝等金属氧化物制成的耐火砖或液态金属等。3.1.1.3 按蓄热能量密度大小分类（1）低能量密度蓄热：采用储能密度较低的材料，比如砖或岩石等作为蓄热材料。当采用这类蓄热介质时，需要使用大量的材料，导致蓄热系统的质量和体积都比较大。但是，这类材料拥有较低的价格，适宜于不需要严格限制蓄热系统质量和体积，以及低成本广泛应用的需要。（2）高能量密度蓄热：采用储能密度较高的材料，比如无机盐水合物、有机盐和金属熔盐等都属于这类
7、蓄热材料。另外，水和铸铁也都具有较大的储能密度。不过，虽然部分材料的储能密度较高，但其价格昂贵。因此，除了特殊需要外，这类介质材料高昂的蓄热成本限制了其使用范围。3.1.2 太阳能蓄热材料的分类及特点一般来说，理想的太阳能热能储存系统具有蓄热容量大、蓄热时间长、温度波动范围小以及热损耗小等优点。作为热储存系统的核心，蓄热材料的性质直接关系到整个系统性能的好坏。蓄热材料的本质在于它可将热能在特定的条件下储存起来，并能在特定的条件下将热能释放和利用。正是这一本质，决定了蓄热材料必须具有可逆性好、储能密度高、可操作性强等特点。3.1.2.1 蓄热材料的性能要求（1）蓄热密度大。材料单位质量或单位体积
8、的蓄热量大，对显热储存材料要求为材料的热容大，对相变储存材料要求为相变热大，对化学蓄热材料的要求为反应的热效应大。（2）成本低。要求材料来源丰富，价格低廉。在显热储存中，一般多采用水和岩石为蓄热材料；而在相变储存中，多采用无机盐水合物和石蜡等有机盐。（3）化学性质稳定。（4）温度适宜。（5）能反复方便地使用。3.1.2.2 蓄热材料的分类按蓄热方式划分，蓄热材料一般可分为显热型、相变型和化学反应型三大类，分别对应三种主要的太阳能蓄热方式。（1）显热型。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。该类材料蓄热密度较低，蓄热系统容器体积较为庞大，应用价值不
9、是很高。（2）相变型。相变型的蓄热材料在相变时吸热或者放热，这类材料单位蓄热密度大。在相变蓄热系统的设计中，蓄热密度大的优点使其具有设备简单、体积小、设计灵活、使用方便、易于管理等优点。在相变蓄热过程中，材料近似恒温，可以此来控制系统的温度。（3）化学反应型。化学反应型蓄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。它在受热和受冷时容易发生可逆反应，分别对外吸热或放热，由此可以把热能储存起来。3.2 显热储存显热储存是利用蓄热材料的热容量，通过升高或降低材料的温度而实现热能的存储或释放的过程。显热储存的热能和蓄热材料的比热容及质量相关，当物体温度由 T1变化到 T2时，吸收的热量为
10、由此可见，增加显热储存蓄热量的途径，包括提高蓄热材料的比热容、质量以及增大蓄热温度差。在实际应用中，通常把比热容和密度的乘积（即容积比热容）作为评定蓄热材料性能的重要参数；黏度大的液体材料输送需要耗费能量，也需要大尺寸的系统管线，因而增大了系统的设备投资和运行成本；毒性、腐蚀性和热稳定性则直接影响到系统的寿命和安全性，在选择蓄热材料时也要重点考虑。3.2.2 液体显热储存利用液体进行显热储存，是各种显热储存方法中理论技术最成熟、应用最广泛的一种。通常对液体蓄热材料除了要求具有较大比热容外，还要具有较高的沸点和较低的蒸汽压。作为最常见的液体材料，水是低温液态显热蓄热材料中性能最好且最常用的一种，
11、它具有以下优点：（1）传热及流动性好，黏性、密度、热传导性和热膨胀系数适宜于自然循环和强制循环；（2）可以兼作蓄热材料和传热材料，在蓄热系统中可以省去热交换器，降低了系统成本；（3）物理、化学和热力学性质都很稳定；（4）来源丰富，价格低廉。然而，水作为显热蓄热材料，其缺点是：（1）作为一种电解腐蚀性物质，电解时产生的氧气容易腐蚀容器和管道的金属部件；（2）低温结冰时体积膨胀较大（达 10%左右），容易破坏容器和管道；（3）水蒸气压力会随着绝对温度的升高而指数增加，不适宜用作高温蓄热材料。所以，用水蓄热时，温度和压力都不能超过其临界点（373 ，2.2l07 Pa）。3.2.2.1 蓄热水箱蓄热
12、水箱是一种既可蓄热又可蓄冷的装置。在加热、空调和其他应用场合，蓄热水箱得到了广泛应用。理想的储水容器要求外表面热传导、对流及辐射的热损失小，一定体积下要求容器的表面积最小，因此水箱往往做成球形或圆柱形。蓄热水箱根据储热特性储热特性可以分为完全压出式蓄热水箱、完全混合式蓄热水箱和温度分层式蓄热水箱。按蓄热水箱的个数又可以分为单箱式和多箱式，按压力按压力状态状态分为敞开式和密闭式。图 3-1 为这三种水箱内的温度分布图。1完全压出式蓄热水箱完全压出式蓄热水箱的工作原理是在水箱内储满热水后，取热时从水箱底部缓慢注入冷水，由于热水的密度小，在水箱的上部，而冷水在水箱的下部，将水箱内储存的热水从顶部压出
13、，向用户供热。在水箱内存在着冷热两个水域，界限十分清晰，几乎没有混合，完全是活塞式的流动。普通家用的小型水箱一般为完全压出式蓄热水箱。由于充热和放热运行时热水和冷水容易发生混合或热能通过水箱壁从热水向冷水传递，因此，为了减少混合损失，应降低进口流速以保持冷热水分层状态，或在热水和冷水层之间设置浮动的隔热板，以阻止冷热水之间的热量传递。2完全混合式蓄热水箱完全混合式蓄热水箱内水温完全均匀一致，表明冷热水的混合非常充分。通常情况下，需要在混合式蓄热水箱中装设搅拌机，取热时一边注入冷水一边搅拌。在图 3-2 所示的以水箱作为蓄热器的太阳能热水系统中，Tc,o、Tc,i分别为集热器出口和蓄热水箱入口的
14、温度，Ts为水箱中的水温。水在集热器内被太阳能加热后泵入水箱，当需要使用储存的热能时，水泵将箱内热水泵入负荷，放热后返回水箱。3温度分层式蓄热水箱温度分层式蓄热水箱又称部分混合水箱。由于水的密度随着温度变化，在垂直方向上的水温是不均匀的，上层水温比下层水温高些。如果进入集热器的水温较低，则集热器的效率将因热损失减少而提高。而对于负荷来说，总是要求流体有较高的温度。为此，水箱中的温度分层对于改善系统的性能是有利的。实验结果表明，良好的温度分层可以使系统的性能提高约 20%。4单箱式和多箱式蓄热水箱蓄热水箱按照蓄热水箱的个数可以分为单箱式和多箱式两类。单箱式蓄热水箱技术简便、成熟，常用于普通家用太
15、阳能热水器。几个水箱也可以并联使用组合为多箱式蓄热水箱，可以获得更高的效率和更大的蓄热量。5敞开式和密闭式蓄热水箱敞开式蓄热水箱如图 3-3 所示，它与大气相通，箱体承受的压力较小，如自然循环式家用太阳能热水器的蓄热水箱。敞开式蓄热水箱容易受酸性腐蚀，对容器的耐腐蚀性要求较高。密闭式蓄热水箱如图 3-4 所示，箱体需要承受一定的压力，为避免蓄热水箱膨胀，其上方专门设置了膨胀水箱。密闭式蓄热水箱的优点是配管系统简单，只需要容量较小的循环泵，功耗较小；缺点是蓄热水箱承受的压力较大，要求容器具有一定的承压性，容器的设备费用较高。3.2.2.2 地下含水层蓄热地下含水层就是指含有充满水的泥、沙砾或者多
16、孔石的地下河床或地层。如果某些含水层的上层和下层都是密封的，而且本层内没有或者只有很慢的地下天然水流动，则这些地下含水层就可以用作热能的储存。地下含水层既可以蓄热也可以储冷，蓄热温度一般为2030，若储水层足够深则温度可达 6090，能量回收率可达 70%。地下含水层蓄热近 20 年来受到了广泛的关注，它被认为是最有潜力的大规模跨季度蓄热方案之一，可以应用于区域供热和区域供冷。地下含水层蓄热是通过井孔将温度低于含水层原有温度的冷水或高于含水层原有温度的热水灌入地下含水层，利用含水层作为蓄热材料来蓄冷或储存热能，待需要时使用水泵抽出送至负载。图 3-5 所示为双井蓄热系统工作原理示意图。当用于供
17、热循环时，蓄热温水井的水被抽出，经过换热器与供热循环的水进行热交换后灌入热水井储存；放热时，热水井的水被抽出，经过换热器与供热循环的水进行热交换后灌入温水井。当用于供冷循环时，按与供热循环相反的方向进行即可。3.2.3 固体显热储存液体显热储存具有很多优点，但是也存在一些不足之处。例如，水对普通金属有一定的腐蚀性，需采用成本比较高的不锈钢等材质来制作蓄热水箱。在太阳能工程中，固体显热储存所用的材料大多是岩石、砂石和土壤。这类材料在中、高温下不产生相变，虽然比热容比水低但是密度比水高，所以其容积比大约是水的 40%。同时岩石、砂石等固体材料比较丰富，不会产生锈蚀，所以利用固体材料进行显热储存，不
18、仅成本低廉，也比较方便。固体显热储存主要有岩石床蓄热和地下土壤蓄热两种方式。3.2.3.1 岩石床蓄热水的比热容大约是岩石的 4.8倍，而岩石的密度仅是水的 2.2 倍，因此，水的蓄热密度要比岩石的大。但是岩石成本低廉、容易取得，不像水那样具有漏损和腐蚀性的问题，所以岩石是除水以外应用得最广泛的显热蓄热材料。岩石床蓄热器是利用岩石或卵石的热容量进行蓄热的，是目前主要的蓄热方法之一。将岩石床置于地下 4050cm 深处或者地面，岩石放置于支撑网状结构上，密闭在一个热的容器内。容器一般由混凝土或金属制成，蓄热器的入口和出口都装有流动分配叶片使空气能在两个方向上均匀流动，如图 3-6 所示。有太阳辐
19、射时，用送风机将集热器内的热空气吹进储存箱内，加热岩石床；没有太阳辐射时，冷空气经岩石蓄热床加热后返回供热，形成采暖蓄热供暖循环。岩石床的设计需要考虑床体的形状以及岩石大小等因素。一般情况下，床体设计成扁平圆柱形比较合适。另一方面，岩石颗粒越小，传热面积越大，岩石床和空气的换热面积就越大。因此，选择小的卵石将有利于换热效率的提高。同时，岩石小的另一个好处是能使岩石床有较好的温度分层，从而在放热过程中得到较多的热能，以满足所需的温度。但岩石越小，压力降越大，空气流动会受到的阻碍就越大，因此，在选择岩石的大小时应考虑送风功率的消耗情况。3.2.3.2 土壤蓄热土壤蓄热就是以大地为蓄热容器，利用土壤
20、围作蓄热槽进行固体显热储存。一般是利用现有的小池塘或者挖坑，用挖出的泥土在其四周构筑围坝，中间填满破碎的岩石，上面覆盖隔热层和防水层。土壤蓄热结构简单、成本低廉，一般不需要良好的保温，周围的土壤也能起到保温的作用，但是只适用于干燥地区的小规模蓄热。一般来说，太阳能的地下显热储存比较适合于长期储存，成本低、占地少，是一种非常有潜力的蓄热方式，已经成为了热门的研究方向。3.3 相变存储3.3.1 相变存储的基本原理相变储存，又称潜热储存，是利用物质发生相变时吸收或放出大量热量的性质来实现蓄热的。具体地说，物质有固、液、气三相，相变蓄热是利用相变蓄热材料（Phase change material，
21、PCM）在特定温度（相变温度）下发生物相变化，材料的分子排列在有序和无序之间迅速转变，同时伴随着吸收或者释放热能的现象来储存或放出热能。一般把物质由固态溶解成液态时所吸收的热量称为溶解潜热，从液态凝结成固态时所放出的热量称为凝固潜热；同样，把物质由液态蒸发成气态时吸收的热量称为蒸发潜热，气态冷凝成液态时所放出的热量称为冷凝潜热；物质由固态升华成气态时吸收的热量称为升华潜热，由气态凝结成固态时放出的热量同样称为凝固潜热。利用相变储存蓄热量大的优点，可以设计出温度变化小、热容量高、设备体积和重量都较小的蓄热系统。通常适合太阳能蓄热系统的相变过程为固-液相变。理想的相变蓄热材料应具备以下特性：（1）
22、具有较大的溶解潜热，在固态和液态中都具有较大的比热容和热导率；（2）相变时体积变化很小，且无论处于固态、液态都能与容器壁之间接触良好；（3）化学性质稳定，可逆性好，无毒、无腐蚀性，不易燃；（4）没有或只有微小的过冷和过热现象；（5）来源丰富，价格低廉。3.3.2 相变储存的优点及面临的问题3.3.2.1 相变储存的优点（1）储能密度高一般物质在相变时所吸收的（或放出）的潜热约为几百至几千千焦每千克。例如，冰的熔解热为335kJ/kg，而水的比热容为4.2kJ/ （kg），岩石的比热容大约为0.88kJ/ （kg），相变储存明显比显热储存储能密度更高。（2）温度波动幅度小物质的相变过程是在一定的
23、温度下进行的。一般相变材料在蓄热或取热时温度波动幅度仅为 23，变化范围极小，这个特性可以使相变蓄热器能够保持基本恒定的热力效率和供热能力。因此，当选取的相变材料的相变温度与用户要求的温度基本一致时，可以考虑不需要温度调节和控制系统。这样，不仅设计可以简化，而且还可以降低系统成本。3.3.2.2 相变储存面临的问题利用相变蓄热材料进行热能储存，一些由相变材料自身存在的不足或相变蓄热方式固有的缺陷引起的问题，需要在蓄热系统的设计上有所注意。（1）由于相变材料本身的特性，当系统工作在材料的熔点附近时，往往固、液两相共存，这容易造成输送上的困难。所以相变材料自身不能兼做传热介质材料，在相变蓄热系统的
24、设计中必须考虑加入独立的传热循环系统。（2）为了保证相变材料的凝固速率（也就是放热速率）与取热速率协调一致，需要对热交换器进行特殊的设计。（3）相变材料通常会发生的过冷现象、晶液分离现象以及添加的成核剂、增稠剂在经过多次热力循环后可能受破坏而造成效率降低，还有可能的腐蚀性等问题都需要在系统的设计中多加以考虑。3.3.3 相变蓄热的应用近年来，建筑能耗（包括空调能耗）逐渐增大，造成能源消耗过快，环境污染加剧，这反映了建筑物的能量供求在时间和强度上严重不匹配。可以在建筑物供暖系统中采用相变材料做相变蓄热。利用相变材料储存热能的特性，使用相变材料制成建筑材料，可以解决或者缓解热能供给中存在的问题，产
25、生巨大的节能效应，是建筑节能的一项重要措施。同时，也是在建筑物系统中有效存储、利用太阳能等低成本清洁能源的重要途径，有利于环保、节能。相变蓄热材料可广泛应用于建筑节能，其原理是提高建筑围护结构对太阳能、地热等可再生能源的热能存储与释放，增大可利用的太阳热能，从而降低建筑物采暖与空调的负荷，达到节能目的。3.4 化学蓄热3.4.1 化学蓄热的基本原理前面介绍的显热储存和相变储存都是属于物理方式进行太阳能热能存储。除了这两种物理方式，化学方式同样能实现热能的储存，这就是化学蓄热。许多物质在进行化学反应过程中都需要吸收大量的热量，在进行该反应的逆反应时则释放出大量的热量，这种热量称为化学反应热。化学
26、蓄热就是通过这样的可逆化学反应来储存和释放热能的。此种储能模式中，正反应是吸热反应（储存热能），逆反应是放热反应（释放热能）。可以选择作为化学蓄热的反应很多，理想的化学蓄热反应需要满足以下条件：（1）吸热反应在比热源温度低的条件下进行；（2）放热反应在比所需温度高的条件下进行；（3）反应热大，反应速度快，可控性好；（4）反应生成物体积小；（5）反应完全可逆且没有副反应；（6）反应物和生成物无毒性、无腐蚀性、不易燃；（7）反应物和生成物容易获得，成本较低。目前，满足以上全部条件的化学反应几乎没有。同时，因为可逆性好的化学反应非常少，找到适合的可逆性好的化学反应非常关键。3.4.2 化学蓄热的优点
27、和缺点3.4.2.1 化学蓄热的主要优点（1）储能密度高。与显热存储和相变储存相比，化学蓄热系统具有储能密度高的优点。计算表明，与显热或相变储存相比，化学蓄热的储能密度要高出 210 倍（2）可以在环境温度下蓄热。可以把反应产生的热量在环境温度下加以储存，这样的好处非常明显，包括三点：可以避免蓄热材料和容器材料之间的热传导，增加了系统的稳定性和持久性，并能减少系统的热损失，提高热效率；基本上可以不用隔热措施，降低了系统成本和技术难度；避免了温度差对环境产生的潜在的影响。（3）可以实现长期蓄热。由于能在环境温度下储存反应物和生成物，避免了热能的流失和损耗，从而可以实现高效的长期热能储存。（4）可以输送。只要选择了适合的化学反应，使生成物和反应物都能顺利移动（例如两者都是气体），则相应的系统设计就能有很好的灵活性和适应性，实际使用更方便。3.4.2.2 化学蓄热的主要缺点（1）循环效率低。这里所指的循环效率是由蓄热器输出的热量与输入蓄热器的热量之比。在一个完整的循环过程中，存在若干诸如热交换、气体压缩等能量损耗环节，导致了循环效率较低。（2）运转维护成本高。由于化学蓄热本身的复杂性，其运转维护要求较高，费用也较大。本章结束谢谢!