Chapter3 太阳能的存储技术

第3章太阳能的存储技术3.1太阳能的存储方式3.2显热储存3.3相变存储3.4化学蓄热

掌握显热储存、相变存储、化学蓄热的基本原理和技术特点。了解气体水合物储能技术特性。3.1太阳能的存储方式能量储能系统

能源的需求具有明显的时间性和空间性，如何有效的在特定的时间，特定的地点合理供应和使用能源；例如通过一种装置将特定时间剩余的能量储存起来，在集中用能的高峰期拿出来使用或者送往能量紧缺的地方使用，这种思想和技术就是能量储存。3.1太阳能的存储方式能量储能系统能量储存的基本任务：克服能量供应和需求之间的时间性和地域性的差别.这种差别是由于能量需求突然变化（如季节变化造成的用能高峰）和一次能源转换装置之类的原因造成的。能量储存的方法：热能储存是把一个时期内暂时不需要的多余热量通过某种方式收集并储存起来，等到需要时再提取使用3.1太阳能的存储方式热能储存显热储存潜热储存化学储存3.1.1太阳能热能储存的分类显热储能：通过提高储热材料温度将热能储存起来的技术，常用的材料有水，土壤，岩石等。储能顺序是水最大，其次是土壤，岩石最小。潜热储能：利用介质相变热储存热能的技术。潜热介质有十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）、五水代硫酸钠(Na2S2O3·5H2O)和六水氯化钙(CaCl2·6H2O)等。储能介质昂贵，容易腐蚀。化学储能：将化学物质分解以后分别储存，分解后的物质重新化合时放出热量。3.1.1太阳能热能储存的分类特性显热潜热化学储存容量小较小大复原特性可变温度下固定温度下可变温度下隔热措施需要需要不需要能量损失长期储存较大长期储存相当大低工作温度低低高运行情况适当短距离适当短距离适当长距离三种主要的热能储存方法的工作特性

3.1.1太阳能热能储存的分类按储存时间的长短分类随时储存，以小时或更短的时间为周期，随时调整热能供需之间的不平衡；短期储存，以天或周为储热周期，维持一天（或一周）的热能供需平衡；长期储存，以季节或年为储存周期，调节季节（或年）的热量供需关系。3.1.1太阳能热能储存的分类按蓄热温度的高低分类蓄冷：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；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；中温蓄热：蓄热温度介于100~500℃之间，多用于吸收式制冷系统、蒸馏器、小规模太阳能发电站等；高温蓄热：蓄热温度在500℃以上，多用于聚光型太阳灶、蒸汽锅炉或大装机容量汽轮机的太阳能发电系统。3.1.1太阳能热能储存的分类低能量密度蓄热，采用储能密度较低的材料，如砖、岩石等，成本低；高能量密度蓄热，采用储能密度较高的材料，如无机盐水合物、有机盐、金属熔盐等，成本高。按蓄热能量密度大小分类3.1.2太阳能蓄热材料的分类及特点蓄热材料的性能要求蓄热密度大：要求材料单位质量或单位体积蓄热量大成本低：要求材料来源丰富，价格低廉中化学性质稳定：要求材料不活泼，无腐蚀性、无毒性、不易燃、安全性好温度适宜高能反复方便使用：要求材料有较高导热率3.1.2太阳能蓄热材材料的分类及及特点蓄热材材料按按蓄热热方式式分类类显热型型：在储储存和和释放放热能能时，，材料料自身身只是是发生生温度度的变变化，，而不不发生生其他他任何何变化化相变型型：在相相变时时吸热热或放放热，，材料料近似似恒温温，可可以此此来控控制系系统温温度化学反反应型型：利用用可逆逆化学学反应应通过过热能能和化化学能能的转转换进进行蓄蓄热3.2显热储储存通过蓄蓄热材材料温温度的的升高高或降降低实实现热热能的的存储储或释释放显热储能能密度度等于于温度度差、、比热热容和和材料料密度度的乘乘积，，在实实践中中有变变温运运行和和储存存密度度低等等缺点点。由由于材材料的的热胀胀性，，可能能还会会遇到到体积积膨胀胀问题题。增加显显热储储存蓄蓄热量量的途途径：提高高蓄热热材料料的比比热容容、质质量以以及增增大蓄蓄热温温度差差3.2.1显热储储存的的基本本原理理3.2.2显热储储存的的常见见材料料水：比比热容容大，，来源源广泛泛、成成本低低廉，，是目目前显显热储储存系系统中中最常常用的的蓄热热材料料岩石：：除水水以外外应用用最广广的蓄蓄热材材料，，价格格低廉廉、容容易获获取3.2.2显热储储存的的常见见材料料铸铁、、液态态金属属导热热率高高：随动性性好显热储储存依依靠蓄蓄热材材料自自身温温度变变化进进行热热能储储存，，放热热过程程不能能恒温温一般吸吸热蓄蓄热材材料储储能密密度比比较小，当当需要要储存存大热热量时时，需需要的的蓄热热材料料质量量和体体积比比较大大，导导致系系统经经济性性和适适用性性下降降蓄热材材料往往往与与外界界环境境存在在温度度差，，容易易造成成热能能损失失，使使显热热蓄热热系统统的热热能不不宜长长时间间储存存。须须引入入隔热热材料料显热蓄热热输入入和输输出热热量的的温度度变化化范围围较大大，热热流不不稳定定，需需采用用调节节和控控制装装置，，增加加系统统运行行复杂杂程度度，提提高成成本3.2.3显热热储储存存的的特特点点3.2.4液体体显显热热储储存存优点点：：传热热及及流流动动性性好好，，黏黏性性、、密密度度、、热热传传导导性性和和热热膨膨胀胀系系数数适适于于自自然然循循环环和和强强制制循循环环可兼兼作作蓄蓄热热材材料料和和传传热热材材料料物理理、、化化学学和和热热力力学学性性质质稳稳定定来源源丰丰富富，，价价格格低低廉廉缺点点作为为一一种电电解解腐腐蚀蚀性性物物质质，，电电解解时时产产生生的的氧氧气气容容易易腐腐蚀蚀容容器器和和管管道道的的金金属属部部件件低温温结结冰冰时时体体积积膨膨胀胀较较大大，，容容易易破破坏坏容容器器和和管管道道水蒸蒸气气压压力力会会随随着着绝绝对对温温度度升升高高而而指指数数增增加加，，不不适适用用作作高高温温蓄蓄热热材材料料水是是低低温温液液态态显显热热蓄蓄热热材材料料中中性性能能最最好好且且最最常常用用的的一一种种。。3.2.4液体体显显热热储储存存3.2.4液体显热热储存解决采暖暖和空调调的季节节性负荷荷问题的的重要途途径之一一。利用地下下岩层的的空隙、、裂隙、、溶洞等等储水构构造以及及地下水水在含水水层中流流速慢和和水温变变化小的的特点，，用管井井回灌的的方法，，把冬季季大气环环境中太太丰富的的“冷”和夏季不不要钱的的“热”储存在含水层层中，在冷、、热不是同时时需要的场所所实现供冷、、供热。2、地下含水层层蓄热3.2.4液体显热储存存含水层储热———夏灌冬用含水层储冷———冬灌夏用必须具备灌得得进、存得住住、保温好、、抽得出等条条件。回灌水源：地地表水、地下下水、工业排排放水。2、地下含水层层蓄热3.2.4液体显热储存存2、地下含水层层蓄热含水层储热、、储冷示意图图3.2.4液体显热储存存地下含水层储储热用途纺织、化工、制药药、食品等工工业部门；影剧院和宾馆馆等建筑物的的夏季降温空空调、冷却和和洗涤用水，，冬季采暖及及锅炉房供水水等。2、地下含水层层蓄热3.2.5固体显热储存3.2.5固体显热储存典型的空气工工质的太阳能能采暖系统3.2相变储存相变蓄热：利用相变蓄蓄热材料在特特定温度下发发生物相变化化，材料分子子排列在有序序和无序之间间迅速转变，，同时伴随着着吸收或者释释放热能的现现象来储存或或释放热能相变材料：利用潜热蓄蓄放热的这类类物质称之为为相变储能材材料相变储能技术：采用相变储热方式式，利用特定定的装置，将将暂时不用或或多余的热能能通过相变材材料储存起来来，需要时再再利用的方法法称为相变储储能技术3.3.1相变储存的基基本原理3.3.2相变储能材料料相变材料按相相变方式一般般可分为以下下四类：1.固-固相变材料；2.固-液相变材料；3.液-气相相变变材材料料；4.固-气相相变材材料料。一般般说说来来，，从从1到4相变变潜潜热热逐逐渐渐增增大大。。但但由由于于第第3类和和第第4类相相变变过过程程中中有有大大量量气气体体，，相相变变时时物物质质的的体体积积变变化化很很大大，，因因此此尽尽管管这这两两类类相相变变过过程程中中相相变变潜潜热热很很大大，，但但在在实实际际应应用用中中很很少少被被选用用3.3.2相变变储储能能材材料料3.3.2相变变储储能能材材料料一、、固固—液相相变变储储能能材材料料固—液相相变变储储能能材材料料是是现现行行研研究究中中相相对对成成熟熟的的一一类类相相变变材材料料。。原理理：在在温度度高高于于材材料料相相变变温温度度时时，，吸吸收收热热量量，，物物相相由由固固态态变变为为液液态态；；当当温温度度下下降降至至低低于于相相变变温温度度时时，，物物相相由由液液态态变变成成固固态态，，放放出出热热量量。。该该过过程程为为可可逆逆过过程程，，材材料料可可重重复复多多次次使使用用，且具具有有成成本本低低、、相相变变潜潜热热大大、、相相变变温温度度范范围围较较宽宽等等优优点点。。目前前作作为为固固—液相相变变储储能能材材料料主主要要包包括括无无机机类类和和有有机机类类两两种种。3.3.2相变变储储能能材材料料固-液相相变变储储能能材材料料分分类类固-液相变储能材料无机类有机类烷烃石蜡脂肪酸盐类结晶水合盐其他有机物金属合金熔融盐储能能石石蜡蜡结晶晶水水合合盐盐无机水合盐熔点（℃）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部分常用无机水合合盐相变材料料的热物性能3.3.2相变储储能材材料表2部分熔熔融无无机盐盐相变储储能材材料的的热物物性能能3.3.2相变储储能材材料相变材料熔点(℃)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)25611303.3.2相变储储能材材料优点缺点无机类使用范围广、价格便宜、导热系数较大、溶解热大、体积储热密度大、一般成中性。一、是过冷现象二、是出现相分离现象有机类在固体状态时成型性较好，一般不容易出现过冷和相分离现象，材料的腐蚀性较小，性能比较稳定，毒性小，成本低等。导热系数小，密度较小，单位体积的储能能力较小．相变过程中体积变化大，并且有机物一般熔点较低，不适于高温场合中应用。且易挥发、易燃烧甚至爆炸或被空气中的氧气缓慢氧化而老化等。固-液相变变储能能材料料3.3.2相变储储能材材料二、固固—固相变变储能能材料料原理：相变变发生生前后后固体体晶体体结构构的改改变而而吸收收或释释放热热量的的，在在相变变过程程中无无液相相产生生，相相变前前后体体积变变化小小，无无毒、、无腐腐蚀，，对容器的材料和制作技技术要求不高高，过冷度小小，使用寿命命长，是一类类很有应用前前景的储能材材料。目前固—固相变储能材材料主要有无无机盐类、多多元醇类和交交联高密度聚聚乙烯。3.3.2相变储能材料料1.无机盐类该类相变储能能材料主要是是利用固体状状态下不同种种晶型的转变变进行吸热和和放热，通常常它们的相变变温度较高，，适合于高温温范围内的储储能和控温，，目前实际应应用的主要是是层状钙钛矿矿、Li2SO4、KHF2等物质。层状钙钛矿Li2SO4固-固相变储能材材料3.3.2相变储能材料料2.多元醇类此类材料是目前前国内研究较较多的一类固固—固相变储能材材料，其作为为一种新型理理想的太阳能能储能材料而而日益受到重重视。多元醇类相相变储储能材材料主主要有有季戊戊四醇醇(PE)、新戊戊二醇醇(NPG)、2—氨基2—甲基—1，3—丙二醇醇(AMP)、三羟羟甲基基乙烷烷、三三羟甲甲基氨氨基甲甲烷等等，可通通过两两结结合可可以配配制出出二元元体系系或多多元体体系来来满足足不同同相变变体系系的需需要。该类相相变材材料相相变温温度较高(40～200℃)，适合合于中中、高温温储储能能应用用。。其其相相变变焓焓较较大大，，且且相相变变热热与与该该多多元元醇醇每每一一分分子子所所含羟羟基基数目目有有关关，，即即多多元元醇醇每每一一分分子子所所含羟羟基基数目目越越多多，，相相变变焓焓越越大大。。这这种种相相变变焓焓来来自自于于氢氢键键全全部部断断裂裂而而放放出出的的氢氢键键能能。。固-固相相变变储储能能材材料料3.3.2相变变储储能能材材料料固-固相相变变储储能能材材料料3.3.2相变变储储能能材材料料3.交联联高密密度度聚聚乙乙烯烯高密密度度聚聚乙乙烯烯的熔熔点点虽虽然然一一般般都都在在125℃℃以上上，通通常常在100℃℃以上上使使用用时时会会软软化化。。经经过过辐辐射射交交联联或或化化学学交交联联之之后后，，其其软软化化点点可可提提高高到到150℃℃以上，而而晶体的的转变却却发生在在120～135℃℃。这种材料的使使用寿命命长、性性能稳定定、无过过冷和层层析现象象、材料料的力学学性能较较好、便便于加工工成各种种形状，，是真正正意义上上的固—固相变材材料，具具有较大大的实际际应用价价值。但但是交联联会使高高密度聚聚乙烯的的相变潜潜热有较较大降低低，普通通高密度度聚乙烯烯的相变变潜热为为210～220J／g，而交联联聚乙烯烯只有180J／g。在氨气气气氛下下．采用用等离子子体轰击击使高密度聚聚乙烯表面产生生交联的的办法，，可以基基本上避避免因交交联而导导致相变变潜热的的降低，因技术原因因，这种种方法目目前还没没有大规规模使用用。3.3.3相变储存存的优点点及面临临的问题题1、相变储储存的优优点储能密度度高温度波动动幅度小小2、相变储储存面临临的问题题相变材料料不能兼兼做传热热介质材材料，在在相变蓄蓄热系统统设计中中必须考考虑加入入独立的的传热循循环系统统需要对对热交交换器器进行行特殊殊设计计，保保证相相变材材料的的凝固固速率率与取取热速速率协协调一一致相变材材料通通常会会发生生过冷冷现象象、晶晶液分分离现现象以以及添添加的的成核核剂、、增稠稠剂在在经过过多次次热力力循环环后可可能受受破坏坏而造造成效效率降降低，，还有有可能能的腐腐蚀性性等问问题3.3.4相变储储热的的应用用在建筑筑节能能中的的应用用根据相相变材料相变温温度不不同，，主要要有四四方面面的用用途：：（1）低温温相变变材料料用于于建筑筑物的的蓄冷冷；（2）室温温相变变材料料可以以用来来增加加建筑筑物热热惰性性，降降低房房屋温温度波波动，，降低低空调调负荷荷，达达到建建筑节节能目目的；；（3）50～60℃℃相变材材料可可用在在太阳阳能应应用领领域，，如可可以用用作被被动式式太阳阳房的的蓄热热墙或或者蓄蓄热地地板，，还可可以用用作主主动式式太阳阳房中中的蓄热器器，与集集热器器、换换热器器等一一起构构成太太阳能能利用用系统统；（4）高温温相变变材料用用于工业余余热利利用及及太阳阳能热热发电电等场场合。3.4化学蓄蓄热化学反反应储能是是一种种高能能量高高密度度的储储能方方式，储能能密度一一般都都高于于显热热和潜潜热储储存，，而且且此种种储能能体系系通过过催化化剂或或产物物分离离方法法极易易用于于长期期能量量储存存，但但其在在实际际使用用时存存在技技术复复杂、、一次次性投投资大大及整整体效效率不不高等等缺点点。化学储储能是是一门门崭新新的科科学,目前仍仍没能能得到到广泛泛应用用，今今后在在这一一方面面应致致力于于选择择和研研究优优良的的反应材料(主要包括结结晶水合物物和复合材材料),克服各自的的不足,逐步走向实实际工程应应用发展。3.4化学蓄热化学蓄热：利用可逆化化学反应通通过热能和和化学能的的转换进行行蓄热3.4.1化学蓄热的的基本原理理3.4.2化学储能材材料选择化学储储能材料的的标准:①材料的反应应热要求反反应热效应应大;②反应温度合合适;③无毒、无腐蚀、不易燃易爆;④价格低廉;⑤反应不产生生副产品;⑥可逆化学反反应速率要要适当,以便于能量存入与与取出;⑦反应时材料料的体积变变化要小;⑧对相关结构构材料无腐腐蚀性。。化学储能材材料的种类类及其储能能原理：1.结晶水合物结晶水合物蓄热热是在低于于其熔点的的温度下，，使水合盐盐全