太阳能金属氢化物制冷技术大纲

太阳能金属氢化物制冷技术大纲第一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五目录发展展望国内外研究情况关键技术问题系统原理研究背景第二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五目录发展展望国内外研究情况关键技术问题系统原理研究背景第三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五1研究背景1.1太阳能（概述）人类进入21世纪以来,国际传统化石类能源价格起伏不定,化石燃料燃烧后造成的排放污染问题日益凸显,对于中国来说,经济社会快速发展与资源需求之间的突出矛盾已不是一个崭新的话题。如何寻找一种可再生的干净能源作为补充品或局部替代品,是摆在每一个国家决策者和新能源制造商面前的重要课题。丰富的太阳辐射能作为取之不尽、无任何污染的廉价能源,无疑具有极大的发展潜力。第四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五1研究背景1.1太阳能（概述）太阳能既是一次能源,又是可再生能源,可免费使用,又无需运输,对环境也不会造成任何污染,具有无与伦比的自然优势。中国正在经历现代工业化进程中所无法避免的污染阵痛,自身固有的能源结构也不尽合理,环境污染问题对地方经济发展的副作用及社会医疗成本的影响也毋庸赘言。第五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五1研究背景1.1太阳能（概述）因此,从宏观上讲,发展太阳能产业的首要价值即是对传统发展模式的纠正,是对可持续发展道路的践行,更是对中国自然环境利用、保护机制的深刻变革。从具体产业发展上讲,太阳能产业是具有巨大发展潜力的阳光产业,开发运用的核心技术还有很大的可成熟空间,鼓励企业对技术进行研发创新是我们抢占新时代核心技术制高点的重要机遇。此外,国内现有的1000余家太阳能企业每年完成总产值约120亿元,在带动社会就业、促进上下游配套产业发展等方面都有显著的作用,完全可以成为地方新的经济增长点。第六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五1研究背景1.1太阳能（资源）我国幅员广大,有着十分丰富的太阳能资源。据估算,我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50X1015MJ,全国各地太阳辐射总量为3350∼8370MJ/cm2，中值为5860MJ/cm2。

我国的太阳能分布状况见表1：第七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五1研究背景1.1太阳能（资源）第八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五1研究背景1.1太阳能（资源）第九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五1研究背景1.1太阳能（产业）目前太阳能的利用主要分为两个方面:1)利用光热效应,即把太阳光的辐射能转换为热能,太阳能热水器和太阳灶就是典型的例子。2)利用光生伏特(PV)效应(简称光伏效应,也称为光生电动势效应),将太阳光的辐射能直接转变为电能,太阳电池就是具有这种性能的半导体器件。由于太阳电池是利用光伏效应的原理来工作的,所以太阳电池又称光伏器件。太阳电池可以将太阳光的辐射能直接转变为电能,应用非常方便,所以受到全世界的重视。第十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五1研究背景1.1太阳能（产业）1）光热效应：

我国太阳能热能利用发展较为成熟,已形成较完整的产业体系,太阳能光热产业的核心技术遥遥领先于世界水平,其自主知识产权率达到了95%以上。我国已经成为世界上太阳能集热器最大的生产和使用国,2006年全国太阳能热水器累积使用已达9000万m3,占世界总量的76%。1000多家太阳能热水器生产企业,每年创造的总产值近120亿元。在高速发展的同时,由于许多地方政府对之寄予超高期望,太阳能热水器行业的竞争非常激烈,山东、江苏、北京是太阳能热水器主要生产基地。

我国的太阳能热利用产业,无论在规模、数量、市场成熟度方面,还是在核心技术、民族品牌方面,都领先于世界水平。第十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五1研究背景1.1太阳能（产业）2）光伏效应：受国际大环境的影响和国际项目、政府项目的启动与市场的拉动,我国光伏发电方面进展明显,形成了我国的光伏发电产业。全国光伏电池及组装厂已有10多家,制造能力达10万kW以上。到2006年年底,全国光伏发电的总容量约为2000多MW,主要用于解决偏远地区居民的用电问题。除偏远地区和特殊领域(通讯、导航和交通)供电项目外,我国也开始着手进行屋顶并网光伏电示范项目。第十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五1研究背景1.1太阳能（产业）2）光伏效应：虽然中国的光伏发电技术不断进步,价格逐渐下降,但是由于发展时间短、经验不足,从整体水平来看,中国光伏产业的发展还落后于国际水平。严格意义来讲我国的光伏发电产业只能属于是一个加工产业,光伏发电原材料90%以上至今仍然需要进口,超过90%利用太阳能的产品出口国外,企业拿到的只是5%~6%的加工费。第十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五1研究背景1.2金属氢化物应运而生作为空调、热泵、制冷机的核心材料，制冷剂氟利昂具有极其优良的使用性能，但是氟利昂破坏臭氧层并引起温室效应等严重的环境问题，因此被列为淘汰产品。为了取代氟利昂，世界各国学者都在大力开发各种制冷剂，并取得了较大的进步。自从金属氢化物优良的吸放氢性能被开发以来，金属氢化物在工业、交通运输、发电等领域得到广泛的应用，例如用于氢分离与提纯材料、电池材料、催化剂材料、传感器材料、氢能汽车与空调和制取高纯金属粉末等等。第十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五目录发展展望国内外研究情况关键技术问题系统原理研究背景第十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五2系统原理2.1太阳能与制冷空调太阳能产业正成为全球十分醒目的新兴产业，而传统的制冷空调装置存在高能耗问题，节能环保技术在制冷空调领域的应用，其意义尤为深远；当前，将太阳能应用和制冷空调技术相结合进行研究成为一大热点。第十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五2系统原理2.1太阳能与制冷空调目前，正在研究的太阳能制冷系统有多种形式，但对太阳能的应用归纳起来不外乎以下两条途径：一是太阳能光热转换，以热制冷，如太阳能吸收式制冷、太阳能喷射式制冷、太阳能吸附式制冷等；二是太阳能光电转换，以电制冷，如太阳能压缩式制冷和太阳能半导体制冷等。前者，有的仍在进行试验研究，有的已经进入示范应用阶段；后者，由于太阳能电池成本的日益降低，其实用化正逐步成为可能。第十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五2系统原理2.2太阳能金属氢化物制冷

金属氢化物是近年来发展的一类新型的功能金属材料，该材料能够可逆的释放和吸收氢气，产生巨大的焓变，在释放氢气时吸收热量，吸收氢气时放出热量。

金属氢化物制冷系统属于固体吸附式制冷系统，是一种以热能为动力的制冷系统，通过储氢合金与氢气之间的可逆反应的热效应来实现制冷的。

太阳能金属氢化物制冷就是采用太阳能为动力的金属氢化物制冷系统，它是一种对环境友好的制冷方式，不会对环境造成污染，且可利用低位废热。第十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五2系统原理2.2太阳能金属氢化物制冷金属氢化物种类很多，覆盖范围也很广，最简单的金属氢化物制冷系统包括两种不同的储氢材料，分别充填在两个容器中。相同温度下平衡压力高的金属氢化物称为高温金属氢化物，相应的容器称为高温反应器；平衡压力低的金属氢化物称为低温金属氢化物，相应的容器称为低温反应器。第十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五2系统原理2.2太阳能金属氢化物制冷图1太阳能金属氢化物制冷原理图如图1所示，两种金属氢化物即低压贮氢化合物A与高压贮氢化合物B密封在管道容器内，当B受太阳能集热器加热时，释放出氢气被金属氢化物A吸收，A由于吸氢放出的热量由散热器带走。B释放完氢气后，联动阀门M和N自动关闭，同时开启阀门D，则太阳能集热器供热系统关闭，吸热器吸热系统开启，由于B不再受太阳能加热，温度逐渐降回到环境温度，此时A的氢压高于B的氢压，B开始吸收氢气，A则释放氢气的同时吸收外界的热量，实现制冷降温，制冷系统的制冷过程是间隙性进行的，为了实现连续制冷，则必须采用两对金属氢化物合金对。第二十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五2系统原理2.3金属氢化物制冷系统图2金属氢化物制冷循环原理图第二十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

金属氢化物制冷循环有4个过程组成：制冷(UP)、预热(PHP)、预冷(PCP)、再生(RP)。过程特点见下表：2系统原理2.3金属氢化物制冷系统表1金属氢化物制冷循环的组成第二十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五图2金属氢化物制冷循环原理图2系统原理2.3金属氢化物制冷系统如图2所示，金属氢化物MH1以温度TM(一般为环境温度)由外界热源(一般为低品位热能−太阳能)加热到较高温度Th,并在Th处进行放氢反应,氢气流经处于TM的金属氢化物MH2，与MH2发生吸氢反应，反应放出的热量排除于环境之中(①点)，然后将MH1和MH2的温度分别下降到TM和TL(③点和④点)，利用MH2在④处的平衡氢压高于MHI在③处的平衡氢压，使MH2发生放氢反应，并从室内吸取热量Q1(制冷),放出的氢气由MH1吸收，并放出热量到环境中，在这一循环②−①−④−③−②，利用了温度为Th的低品位热能来达到制冷(温度为TL)的目的。第二十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五目录发展展望国内外研究情况关键技术问题系统原

理研究背景第二十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3关键技术问题太阳能集热器金属氢化物系统第二十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.1关键技术之太阳能集热器3关键技术问题在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转换为热能，由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，集热器是各种利用太阳能的装置的关键部分。太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。所以太阳能集热器的某些性能会影响整个太阳能空调的应用。第二十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.1关键技术之太阳能集热器3关键技术问题太阳能集热器的效率低太阳能空调的效率低、价格高1第二十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.1关键技术之太阳能集热器3关键技术问题2集热温度、冷水温度及冷却水温度应各为多少，才能建立一个最为经济合理的太阳能空调系统，也是尚待解决的课题。只有有了合适的集热器和制冷机，才能建立经济合理的太阳能空调系统。(匹配)第二十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.1关键技术之太阳能集热器3关键技术问题3对于居住相对集中的楼房，集热器的安装受到很大的限制，这主要是因为太阳能空调的安装不普遍，楼房的设计没有考虑到太阳能空调。要通过太阳能应用与建筑一体化设计来解决这个问题。第二十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.1关键技术之太阳能集热器3关键技术问题4目前，还没有太阳能制冷系统的计算机设计软件、控制芯片、技术标准、统一的配套设备和零部件，这是科技与市场结合的问题。解决这一问题需要太阳能制冷形成一定的规模，占领一定的市场，还需要政府和科技部门给予支持。第三十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.2关键技术之金属氢化物系统金属氢化物系统BECDA合金工质对的选取抑制粉末化传热强化反应床的设计与制作反应器的设计3关键技术问题第三十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.2.1合金工质对的选取

金属氢化物合金工质对是金属氢化物空调的核心，其组成和性能直接决定了空调的制冷性能。合适的金属氢化物必须具备以下条件：有效吸氢量大。文献中认为有效吸氢量应较大，H/M≥0.5(原子数比或摩尔比)。同时我们还应考虑金属氢化物的重量和体积，特别是对于汽车空调系统，由于其移动性和装配空间有限，重量和体积显得尤为重要，因此还应考虑单位重量吸氢量和单位容积吸氢量应较大。3关键技术问题第三十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.2.1合金工质对的选取合适的工作温度和压力。根据冷热源的条件和金属氢化物的性质，合理选择适当的工作温度和压力范围，使氢化物对之间有充足的压力差，氢气能够快速流动，保证循环时间，从而有利于连续制冷或制热。但压力不能太高，如分解压过高，则吸氢时充气压力较高，需要使用耐高压容器及管路设备。

较小的滞后系数和平台因子。滞后现象是指吸放氢过程中金属一氢系的平衡压不相等的现象，平台因子是P-C-T曲线的平高线特性。大的滞后系数意味着为进行吸放氢的操作，必须以更大温差对金属、合金或氢化物进行加热、冷却或以更大压差用氢气加压和减压，这样，其贮氢能力和氢化反应热就得不到有效利用；3关键技术问题第三十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.2.1合金工质对的选取可逆性好、反应速度快和氢扩散速度大。可逆性好意味着氢化物对之间的运行更趋于平衡，有利于提高循环各方面的性质。反应速度快氢的扩散速度大则等同于较短的循环时间，有利于连续制冷或制热、增大总输出热量Eout。

具有较好的吸氢动力学特性。3关键技术问题第三十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.2.2抑制粉末化合金氢化时，金属晶格发生体积膨胀，脱氢时体积收缩，一般为10%∼25%，由于吸氢合金本身很脆，吸氢后的体积急剧膨胀使其产生无数微细裂纹。在反复吸氢的操作下，合金就会进一步粉化，这将产生很多不利影响。

1）粉末合金产生高的气阻，大大降低传热传质效率；

2）增大容器中局部区域的合金充填密度，吸氢时因体积膨胀产生较大应力，破坏装置导致氢气泄露；3）由于金属氢化物循环中氢气是单向流动的，随着循环次数的增加，合金粉末会逐渐随着氢气流向下游，使下游合金粉末堆积，引起较大流阻并使整个氢化物装置失衡。3关键技术问题第三十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.2.2抑制粉末化

解决方法：1）合金改良。利用制造合金的方法，用某种金属代替合金中的一种元素或将该金属加入合金中，来抑制合金的粉末化问题。例如大阪工业技术研究所为开发出微粉碎量少的材料，对MmNi5-yMny和MmNi5-yAly系多元合金进行研究,发现用Zr取代MmN4.5Mn0.5和MmNi4.5Al0.5中的部分M和Al，或向上述合金里添加Zr，可明显抑制合金的粉粹。2）多孔体金属氢化物，即用烧结的多孔体金属氢化物代替合金粉末。将合金粉末与铜铝等高塑性金属粉末混合压制烧结成一定形状多孔的金属氢化物，这种多孔体是使金属氢化物粒子附着在多孔金属框架上。由于采用这种结构，即使合金完全变成氢化物，其导热率也与金属基本相同，但使用寿命和吸氢能力有所下降3关键技术问题第三十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五金属氢化物循环的传热主要有氢化物自身的传热和氢化物与热源环境的传热(也称为反应器的传热)两个方面。3.2.3传热强化a：金属氢化物的传热强化。为保证金属氢化物反应和热交换的顺利进行，氢化物的热传导性能至关重要，尤其是合金粉末通过反复吸放氢进一步粉化，其导热性能更差，从而使吸放氢所用的时间，即循环时间变长。因此，应尽量改善氢化物层的导热性能。3关键技术问题第三十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.2.3传热强化b：反应器的传热强化。反应器的功能在于为金属氢化物循环提供需要的冷热源。3关键技术问题第三十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.2.4反应器的设计金属氢化物(MH)反应器作为反应换热器的统一体,是实现金属氢化物空调MHAC能量转换的核心。国内外的MH反应器主要可以归纳为以下几种:管式反应器(TR)最早在MHAC中使用,按合金充填位置可分为管外型和管内型。前者因传质困难、承压小而很少应用,后者采用多根列管排布,内设分布滤管,具有封装性好、承压高的特点,但其管路复杂、滤管生产应用性差;盘式反应器(DR)具有较大的换热面积和反应速度,但MH的装填量过低,且多盘组合的耐压和密封性能较差;总之,现有MH反应器用做MHAC都存在部分功能缺陷,因此开发新型MH反应器就成为工业热能回收的关键。3关键技术问题第三十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.2.4反应器的设计3关键技术问题图3新型环盘式反应器(ADR)结构示意图第四十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.2.5反应床的设计与制作金属氢化物制冷系统工作平台是在反应床上面，所以反应床是金属氢化物制冷系统的关键。它首先要能承受合金对在设计工况下的氢压和粉末吸氢膨胀的应力,还要承受温差较高的交变热冲击。其次,反应床必须有良好的传热、传质性能,以保证合适的氢化反应动力和足够的制冷功率。此外,在满足强度要求的情况下应尽可能减小反应床重量。3关键技术问题第四十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五3.2.5反应床的设计与制作3关键技术问题图4一种典型反应床结构第四十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五目录发展展望国内外

研究情况关键技术问题系统原

理研究背景第四十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五4国内外研究情况自金属氢化物热泵问世以来就一直受到各国科技界的高度重视，先后制成了多种不同的金属氢化物空调、热泵，许多已经在生产和生活中应用。第四十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五4国内外研究情况4.1国外研究

美国阿贡国家实验室自1975年开始对LaNi5-CaNi5系和MmNi4.15Fe0.85-LaNi4.7Al0.3系合金的冷暖气系统进行试验，他们用于暖气时的试验参数为：8循环/小时，工作系数为0.7。1977年Terry获得氢化物热泵的第一个专利，他当时使用的合金对是LaNi4Cu/TiFe。1977年美国阿贡国家实验室建成的太阳能转化系统采用CaNi5/LaNi5合金对，在117℃/40℃/8℃操作温度下，净制冷量为3.5KW。20世纪80年代美国的SolarTurbinesInternationalInc,以LaNi5/LaNi4.5Al0.5合金对做制冷循环样机，循环时间τ=3∼6分钟，以90℃的废热作为热源、29℃的大气环境作为散热源时，产生4.4∼10℃的低温，开发出制冷功率为3000kcal/h。1981年德国DiamlerBenz公司开始对能广泛用于低温至高温区域的金属氢化物热泵和车用空调及家用空调进行了研究，使用LaNi5/Ti0.9Zr0.1CrMn合金对进行的制冷循环，在150℃的高温热源和50℃的中温热源下获得了-25℃的低温。第四十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

日本积水化学工业公司开发成功太阳能金属氢化物冷暖空调系统，夏季用收集的约90℃的太阳能作为驱动热源生15℃的冷水；冬季则利用约40℃的太阳热和约110℃的辅助热源获得>45℃采暖热源。该套系统的运转费用低于以往太阳能系统的1/3。系统使用两种LaNi5系合金，共90kg。当采用空调制冷的同时又提供热水方式时，输出9660kcal/h；采用空调供暖气的同时又提供热水方式时，输出15500kcal/h。该公司还进行了回收工厂废热的金属氢化物工业热泵的开发研究。日本中央电气工业公司采用气体-液体热交换器，使用两种MnNi5系合金共40kg，用140∼160℃的废气热源制取5℃左右的冷水，开发研究成功金属氢化物热泵冷水发生示范装置。该系统最大输出1980kcal/h，有效输出1320kcal/h。

……4国内外研究情况4.1国外研究第四十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五第四十七页，共五十二页，编辑于2023年，星