热能储存技术的应用

第六章热能储存技术的应用10:101古代已广泛使用：石块烹饪、夏季用冰。人类利用热能储存技术有相当长的历史。随着人类社会的进步、科学技术的发展，人们对热能储存技术的应用不仅仅局限于简单的日常生活中，而是应用于能源节约及环境保护等更大的方面。10:102热能储存技术是提高能源利用效率和保护环境的技术，主要是利用工作介质状态变化过程所具有的显热、潜热效应或热化学反应过程的反应热来进行能量储存。它是提高能源利用率的重要技术手段之一，它将暂时不用的余热或多余的热量储存于适当的介质中，在需要使用时再通过一定的方法将其释放出来，从而解决了由于时间或地点上供热与用热的不匹配和不均匀性所导致的能源利用率低的问题，最大限度地利用加热过程中的热能或余热，提高整个加热系统的热效率。可用于解决热能供给与需求失配的矛盾，在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，目前已成为世界范围内的研究热点。实践证明，热能储存技术具有广阔的应用前景。10:1036.1热的传递方式

热运动是物质的一种运动形式。宏观物体内部大量微观粒子（如分子、原子、电子等）永不停息地无规则运动称为热运动。它是物质的一种基本运动形式。热传递亦称“传热”，是物质系统间的能量转移过程。即内能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到同一物体邻近部分的过程。内能永远自发地从温度高的物体向温度低的物体传递。在所有条件都相同的情况下，两个物体温度相差越大，内能的传递速度也快，当冷热程度不同的物体互相接触时，热传递要进行到它们的温度相等时才会停止，即达热平衡。一个物体不同部分的温度有差别，热传递在物体内部也要进行，直到温度相同为止。10:1046.1热的传递方式传导热传导，亦称“导热”，是热传递三种基本方式之一。它是固体中热传递的主要方式，在不流动的液体或气体层中层层传递，在流动情况下往往与对流同时发生。热传导实质是由大量物质的粒子热运动互相撞击，而使能量从物体的高温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程。在非导电固体中，热传导的微观过程是：在温度高的部分，晶体中结点上的微粒振动动能较大；在低温部分，微粒振动动能较小。因微粒的振动互相联系，所以在晶体内部就发生微粒的振动，动能由动能大的部分向动能小的部分传递。在固体中热的传导，就是能量的迁移。在金属物质中，因存在大量的自由电子，在不停地作无规则的热运动。自由电子在金属晶体中对热的传导起主要作用。10:105在液体中热传导表现为：液体分子在温度高的区域热运动的区域热运动比较强，由于液体分子之间存在着相互作用，热运动的能量将逐渐向周围层层传递，引起了热传导现象。由于热传导系数小，传导得较慢，它与固体相同，而不同于气体；气体依靠分子的无规子间的碰撞，在气体内部发生能量迁移，从而形成宏观上的热量传递。6.1热的传递方式10:1066.1热的传递方式热对流热对流是流体（液体和气体）热传递的主要方式。热对流指的是液体或气体由于本身的宏观运动而使较热部分和较冷部分之间通过循环流动的方式相互掺和，以达到温度趋于均匀的过程。对流可分为自然对流和强制对流两种：自然对流是由于流体温度不均匀引起流体内部密度或压强变化而形成的自然流动：强制对流是因受外力作用或与高温物体接触，受迫而流动的叫强制对流。10:1076.1热的传递方式热辐射热辐射是热的一种传递方式。它不依赖物质的接触而由热源自身的温度作用向外发射能源自身的温度作用向外发射能量，这种传热方式叫“热辐射”。它和热的传导、对流不同。它不依靠媒质而把热直接从一个系统传给另一系统。热辐射是以电磁波辐射的形式发射出能量，温度的高低，决定于辐射的强弱。温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，当温度为300℃时，热辐射中最强的波长在5×10-4cm左右，即在红外区。当物体的温度在500—800℃时，热辐射中最强的波长成分在可见光区。10:1086.2热能储存方式

热能储存(thermalenergystorage)通过对储能材料的冷却、加热、熔化、固结、气化等方式实现储能目的，通过上述过程的可逆变化释放热能。它是一种平衡热量需求和使用的有效手段。热能储存也就是上述三种热交换方式将热量通过蓄热材料储存起来，进而达到利用目的。按热能储存方式可分为显热储存、潜热储存、化学反应热储存。显热循存按照储能材料的不同可分为水蓄热、石块蓄热、土壤蓄热。潜热储存按照储能材料的不同可分为冰蓄热、水合盐相变材料蓄热。很难分开。10:109

6.2.1显热储存(sensibleheatstorage)每一种物质均具有一定的热容，在物质形态不变的情况下随着温度的变化，它会吸收或放出热量，显热蓄能技术就是利用物质的这一特性。其储热效果和材料的比热容、密度等因素关系密切。冷、热水蓄能是利用价格低廉、来源方便、比热容大的水作为蓄能介质，它是最为常见的显热储存方式，它是通过改变蓄热介质即水的温度进行蓄热，利用水的显热进行能量储存。它投资少、系统简单、维修方便、技术要求低，可以使用常规蓄能空调、供热系统，曾被广泛采用。冷、热水蓄能技术的缺点是：蓄能温差小、密度低、不能储存很大的能量。消防水池，地下室，因地制宜10:1010显热储存最大缺点是储能密度低、设备体积庞大，并且在释放热能时其温度发生持续变化，不能维持在一定温度下释放所储热能。

6.2.1显热储存(sensibleheatstorage)1m3水、温升50度蓄热＝1m3石蜡潜热蓄热蓄热温度：40～130℃地下水层蓄热：双井10:1011

6.2.2潜热储存(latentheatstorage)潜热储能是利用物质在凝固/熔化、凝结/气化、凝华/升华以及其他形式的相变过程中，都要吸收或放出相变潜热的原理进行蓄热，所以也可称为相变储能。相变可以是固—液、液—气、气—固及固—固，其中以液—固相变最为常见。从能量密度的角度来讲，潜热储存的冷量要比显热储存的大很多。根据相变温度高低，潜热蓄热又分为低温和高温两部分。低温潜热蓄热主要用于废热回收、太阳能储存以及供暖和空调系统。高温潜热蓄热可用于热机、太阳能电站、磁流体发电以及人造卫星等方面。常见的潜热储存方法有冰蓄热、蒸汽蓄热、相变材料蓄热等。10:1012

6.2.3化学反应热储存(chemicalreactionheatstorage)化学反应热储存是利用储能材料相接触时发生可逆的化学反应来储、放热能。吸热反应→热能储存逆反应放热→热能释放可以有催化剂，也可以没有催化剂10:10136.3蓄热技术的应用6.3.1太阳能热储存太阳能是巨大的能源宝库，具有清洁无污染、取用方便的特点，特别是存一些高山地区，如我国的甘肃、青海、西藏等地，太阳辐射强度大，而其他能源短缺，故太阳能的利用就更为普遍。（正反问题难以兼顾）但到达地球表面的太阳辐射能量密度却很低，而且受地理、昼夜和季节等规律性变化的影响，以及阴晴云雨等随机因素的制约，其辐射强度也不断发生变化，具有显著的稀薄性、间断性和不稳定性。10:10146.3.1太阳能热储存为了保持供热或供电装置稳定不问断地运行，就需要蓄热装置把太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来，从而满足生产和生活用能连续和稳定供应的需要。几乎所有用于采暖、供应热水、生产过程用热等的太阳能装置都需要储存热能。空间发电系统也需要蓄热系统来维持连续稳定的运行。太阳能蓄热技术包括低温和高温两种。水是低温太阳能蓄热系统普遍使用的蓄热介质，石蜡以及无机水合盐也比较常用；高温太阳能蓄热系统大多使用高温熔化盐类、混合盐类、金属或合金作为蓄热介质。10:10156.3.1太阳能热储存10:1016GemaSolarPlantGemasolarislocatednearSeville,Spain,on185hectares(about0.7squaremiles)ofland.2011-7-,theGemasolarpowerplantnearSeville,Spain,becamethefirstcommercialsolarthermalpowerplanttosupplyuninterruptedpowerforafull24hours.

TheGemasolar19.9-MWConcentratedSolarPowersystemisa“powertower”plant,consistingofanarrayof2,650heliostats(mirrors)thataimsolarradiationatthetopofa140-m(450-ft)centraltower.Theradiationheatsmoltensaltsthatcirculateinsidethetowertotemperaturesofmorethan500°C(932°F).Thehotmoltensaltsarethenstoredintanksthatarespeciallydesignedtomaintainthehightemperatures.Thiscutting-edgeheatstoragesystemenablesthepowerplanttorunsteamturbinesandgenerateelectricityforupto15hourswithoutanyincomingsolarradiation.10:1017ThepowergeneratedbyGemasolarissenttoanearbypowersubstation,whereitisinjectedintothegrid.TorresolEnergyestimatesthatGemasolarwillgenerate110GWhofelectricityperyear,enoughtopowerabout25,000homes,aswellasreducecarbondioxideemissionsbymorethan30,000tonsperyear.SENER负责提供技术，从事工程详细设计、部分设计采购施工(EPC)工作，以及发电站试运行，SENER开发的技术包括熔盐储热系统与接收器等最先进的解决方案，接收器能够吸收太阳光谱95%的辐射，并将该能量传递给在接收器内部循环的熔盐化合物，之后用于加热蒸汽，运行轮机。飞行器10:10186.3.2电力调峰及电热余热储存在太阳能电站中，当负荷降低时，利用蓄热装置可以把热能暂时储存起来。由于太阳能自身不可避免的非连续性，蓄热器的放热不仅仅是由于高峰负荷的需要，也可由于供能的不足（日照少或为零），或兼而有之；蓄热器的储热不仅仅是由于负荷降低，也可由于供能过多（日照过多），或兼而有之。因此，蓄热不仅削峰，而且填平了低谷。蓄热技术在核电站中具有更大的吸引力。采用蓄热技术可使反应堆的运行最安全和最经济。对高峰负荷采用核电机组与蓄能相结合的形式可以减少单独的高峰负荷机组的需要量，同样还可减少低效率高峰机组使用的优质燃料（如轻油、煤油、天然气等）。这样核电站可以按基本负荷运行，燃料的温度交变降到最低限度，对燃料元件的损害就可以降到最低。采用蓄热技术，也使得核电站相当大的初投资得到充分的利用。葛洲坝输出功率80万千瓦~220万千瓦10:10196.3.3工业加热及热能储存目前工业热能储存采用的是再生式加热炉和废热蓄能锅炉等蓄能装置。采用蓄热技术来回收电炉的烟气余热及废热，既节约了能源，又减少了空气污染以及冷却、淬火过程中水的消耗量。在造纸和制浆工业中，燃烧废木料的锅炉适应负荷的能力较差，采用蓄热装置后，可以提高其负荷适应能力，在食品工业的洗涤、蒸煮和杀茵等过程中，由于负荷经常发生波动，采用蓄热装置后就能很好地适应这种波动。纺织工业的漂白和染色工艺过程也可采用蓄热装置来满足负荷波动。10:10206.4几种蓄热系统的实现方法6.4.1水蓄冷水蓄冷是利用水的显热来储存冷量的，系统组成是在常规供冷系统中加入了一个或多个蓄水罐，为实现冷量的储存，满足冷负荷的需要，设计合理的水蓄冷罐应能通过维持一个尽可能大的蓄水温差并防止冷水与热水的混合来获得最大的蓄冷效率。多蓄水槽方法将冷水和热水分别储存在不同的槽中，保证送至负荷的冷水温度维持不变。多个蓄水槽有不同的连接方式，一种是空槽方式，另一种连接方式是将一个蓄水槽分隔成几个相互连通的分格或将多个槽采用连通管串联连接。10:10216.4.1水蓄冷迷宫法采用隔板把大蓄水槽分成很多个单元格，水流按照设计的路线依次流过每个单元格。自然分层法利用水在不同温度下密度不同的特点实现冷热水的自然分层，它是目前应用较为广泛的水蓄冷技术。在充冷循环时，制冷设备送来的冷水由底部散流器进入蓄水罐，热水则从顶部排出，罐中水量保持不变。在放冷循环中，水流动方向相反，冷水由底部送至负荷，回流热水从顶部散流器进入蓄水罐。10:10226.4.2冰蓄热冰蓄热技术是目前使用最广泛的一项蓄冷技术，它是利用冰的相变潜热进行冷量的储存和释放。由于从从液态水转变为固态冰（或从固态冰转变为液态水）时，相变潜热达到335kJ/kg。冰蓄热的单位质量能量密度远远高于水蓄热，冰蓄热所需的蓄冷槽体积比水蓄冷小得多，易于在建筑物内或周围布置冰蓄冷槽。缺点制冷系统蒸发温度<-8℃、制冷量下降、耗电量增加增加绝缘层厚度10:10236.4.2冰蓄热冰蓄冷种类冰蓄热的种类很多，归纳起来有以下常用的几种：冰盘管式；完全冰结式；制冰滑落式；优态盐式；冰晶、冰片式，冰球式；热管式；供冷、蓄冷双效机等。制冰方式静止制冰动态制冰运行方法全蓄热式：制冰器容量大、初投资高半蓄热式半蓄热三种运行方式冰水串联（1个盘管）、冰媒并联（2个盘管）、压缩机辅助系统

10:10246.4.3蒸汽蓄热蒸汽蓄热广泛用于供热工程中，在锅炉系统及蒸汽蓄热系统尤为普遍。蒸汽蓄热器就是其中最实用的蒸汽蓄热系统。蒸汽蓄热器是变压式蓄热器中的一种，它以蒸汽为热介质来蓄积热能，并在以后需要时释放出热能。在某些供热系统中，热能的需用量和供应置之间存在着时间性的盈和缺。为了节能，可在系统中装备具有调节作用的蒸汽蓄热器以平衡热能的需用和供应量。10:1025蒸汽蓄热器充入软水充热循环运动达到充压上限放热、闪蒸10:1026回转式空气预热器30度过渡区蓄热板烟气流通截面大冷、热交替10:1027相变蓄热热泵10:10286.4.3蒸汽蓄热①热负荷波动大而频繁的供热系统出现在工业企业中热负荷有剧烈而又频繁变化的供热系统②瞬时热能耗量极大的供热系统蒸汽喷射泵、蒸汽弹射器等场合③热源间断地供热或供热量波动大的供热系统转炉炼钢系统中的汽化冷却装置（余热锅炉）的供汽④需要蓄存热能供随时需用的场合电厂紧急启动供汽；医院、宾馆夜间用汽10:10296.4.4相变材料蓄热潜热储存又称相变储能，它同时利用物质固有的热容和物态变化的相变热来储存热能，具有较大的储能密度。相变储能的另一特点是热量输出稳定且换热介质温度保持不变，可以使加热系统在稳定状态下运行，因此，相变储能在工业加热领域具有更广阔的应用前景。相变材料是近年来发展迅速、应用面广的新材料。相变材料蓄热系统的最大特点是可以把多余或不使用的热能储存起来，把间断的热源变为一个相对稳定的热源。在工业加热过程中，可以通过相变储热装置，把生产时多余的热量储存起来供其他生产环节使用，从而最大限度地利用设备的能力，提高加热系统的热效率，节约燃料费用，降低运行成本。10:10306.4.4相变材料蓄热相变材料的分类无机；有机固气；液气；固液，固固水合盐：加热融化时：放出结晶水，盐则溶解。固化时放出潜热高温；常温；低温200～1000℃10:10316.4.4相变材料蓄热相变材料蓄热的应用①在工业加热过程的余热利用在工业加热过程的余热有连续余热和间断余热。对于连续余热（炼钢，硅酸盐工业），传统的做法是将连续不断产生的余热及时用于预热过程。而间断余热因其产生过程的不连续性却未被很好利用，这类加热设备的热效率通常低于30%。相变储能突出优点是可以把生产过程多余的热量储存起来并在需要时提供稳定的热源，它特别适合于间断性的工业加热过程或具有多台不同时工作的加热设备的场合，采用热能储存系统应用相变储能技术可节能15%-45%。储热换热器：管壳式HX

10:10326.4.4相变材料蓄热②相变材料在特种仪器、仪表中的应用某些特种性能的电子仪器、仪表，要求在严格的恒温环境下使用，如航空、卫星、航子仪器、仪表，要求在严格的恒温环境下使用，如航空、卫星、航海等特殊设备。当它们在运行时，在面对太阳或背对太阳时造成的差很大，这样使仪器运转时的误差很大，有时工作范围刚好会落在非线性区域，造成仪器失灵，这样就需要利用温控储热材料来调节吸收和放出的热量，使仪器在允许的温度范围内工作。相变材料蓄热的应用10:10336.4.4相变材料蓄热相变材料蓄热的应用

③相变材料作为家庭、公共场所等取暖和建筑材料用利用太阳能让相变材料吸收屋顶太阳热收集器所得的能量，使得相变材料液化并通过盘管送到地板上储存起来，供无太阳时释放，达到取暖目的。

美国管道系统公司：CaCl2.6H2O④相变材料用于人体取暖近年来开始有利用相变材料作为取暖袋、睡袋和储热垫等用于人体取暖。10:10346.5蓄热系统用于北方供暖6.5.1蓄热式电锅炉我国供热采暖一直以燃煤为主，烟尘、粉尘和SO2是构成我国大气污染的主要因素。蓄热式电锅炉既克服了环境污染问题，又因充分利用低谷电蓄能而使供暖成本相对降低。所谓“电锅炉”也就是不同于原先的以燃煤方式的燃煤锅炉，而是将电能转化为热能，使水加热以产生有压力的热水或蒸汽（指饱和蒸汽）。电热元件锅炉是利用沉入水中的电阻加热水或使之汽化，一般集中供热锅炉或生活用热水加热器中采用的就是这种形式的电热锅炉。10:10356.5.1蓄热式电锅炉电阻锅炉：电压380V~600V；功率<2MW

电极锅炉：电压3~20V；功率1～50MW非能动10:1036蓄热式电热锅炉6.5.1蓄热式电锅炉在