太阳能光热应用技术 第三章

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

2、全性、效率和成本等方面 的制约使其只处在小规模实验阶段，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

3、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 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，

4、 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 （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

5、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。 3.1.1.2 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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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 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

11、；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，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

12、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

13、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， 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

14、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

15、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

16、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

17、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。当用于供热循环时，蓄热 温水井的水被抽出，经过换

18、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，不仅成本低

19、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

20、图 3-6 所示。 有太阳辐射时，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.

21、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 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

22、有固、液、气 三相，相变蓄热是利用相变蓄热材料 （Phase change material，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

23、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）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

24、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

25、，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

26、 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