太阳能的存储技术

太阳能的存储技术1太阳能的存储方式2显热储存3相变存储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。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。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。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

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。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。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1.2太阳能蓄热材料的分类及特点蓄热材料按蓄热方式分类显热型：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相变型：在相变时吸热或放热，材料近似恒温，可以此来控制系统温度化学反应型：利用可逆化学反应通过热能和化学能的转换进行蓄热2显热储存通过蓄热材料温度的升高或降低实现热能的存储或释放显热储能密度等于温度差、比热容和材料密度的乘积，在实践中有变温运行和储存密度低等缺点。由于材料的热胀性，可能还会遇到体积膨胀问题。增加显热储存蓄热量的途径：提高蓄热材料的比热容、质量以及增大蓄热温度差2.1显热储存的基本原理2.2显热储存的常见材料水：比热容大，来源广泛、成本低廉，是目前显热储存系统中最常用的蓄热材料岩石：除水以外应用最广的蓄热材料，价格低廉、容易获取2.2显热储存的常见材料铸铁、液态金属导热率高：随动性好显热储存依靠蓄热材料自身温度变化进行热能储存，放热过程不能恒温一般吸热蓄热材料储能密度比较小，当需要储存大热量时，需要的蓄热材料质量和体积比较大，导致系统经济性和适用性下降蓄热材料往往与外界环境存在温度差，容易造成热能损失，使显热蓄热系统的热能不宜长时间储存。须引入隔热材料显热蓄热输入和输出热量的温度变化范围较大，热流不稳定，需采用调节和控制装置，增加系统运行复杂程度，提高成本2.3显热储存的特点2.4液体显热储存优点：传热及流动性好，黏性、密度、热传导性和热膨胀系数适于自然循环和强制循环可兼作蓄热材料和传热材料物理、化学和热力学性质稳定来源丰富，价格低廉缺点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低温结冰时体积膨胀较大，容易破坏容器和管道水蒸气压力会随着绝对温度升高而指数增加，不适用作高温蓄热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。2.4液体显热储存2.4液体显热储存解决采暖和空调的季节性负荷问题的重要途径之一。利用地下岩层的空隙、裂隙、溶洞等储水构造以及地下水在含水层中流速慢和水温变化小的特点，用管井回灌的方法，把冬季大气环境中太丰富的“冷”和夏季不要钱的“热”储存在含水层中，在冷、热不是同时需要的场所实现供冷、供热。2、地下含水层蓄热2.4液体显热储存含水层储热——夏灌冬用含水层储冷——冬灌夏用必须具备灌得进、存得住、保温好、抽得出等条件。回灌水源：地表水、地下水、工业排放水。2、地下含水层蓄热2.4液体显热储存2、地下含水层蓄热含水层储热、储冷示意图2.4液体显热储存地下含水层储热用途纺织、化工、制药、食品等工业部门；影剧院和宾馆等建筑物的夏季降温空调、冷却和洗涤用水，冬季采暖及锅炉房供水等。2、地下含水层蓄热2.5固体显热储存2.5固体显热储存典型的空气工质的太阳能采暖系统2相变储存相变蓄热：利用相变蓄热材料在特定温度下发生物相变化，材料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释放热能相变材料：利用潜热蓄放热的这类物质称之为相变储能材料相变储能技术：采用相变储热方式，利用特定的装置，将暂时不用或多余的热能通过相变材料储存起来，需要时再利用的方法称为相变储能技术1相变储存的基本原理2相变储能材料相变材料按相变方式一般可分为以下四类：1.固-固相变材料；2.固-液相变材料；液-气相变材料；4.固-气相变材料。

一般说来，从1到4相变潜热逐渐增大。但由于第3类和第4类相变过程中有大量气体，相变时物质的体积变化很大，因此尽管这两类相变过程中相变潜热很大，但在实际应用中很少被选用2相变储能材料2相变储能材料一、固—液相变储能材料固—液相变储能材料是现行研究中相对成熟的一类相变材料。原理：在温度高于材料相变温度时，吸收热量，物相由固态变为液态；当温度下降至低于相变温度时，物相由液态变成固态，放出热量。该过程为可逆过程，材料可重复多次使用，且具有成本低、相变潜热大、相变温度范围较宽等优点。目前作为固—液相变储能材料主要包括无机类和有机类两种。2相变储能材料固-液相变储能材料分类

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石蜡结晶水合盐无机水合盐熔点（℃）潜热（J/g）密度（g/cm3）比热(J/g﹒K)固液固液KF·4H2O18.5231.01.451.451.842.39Na2CO3·10H2O332471.46－1.8834Na2S2O3·5H2O~502011.751.671.482.41NaOAc·3H2O58.52261.451.282.79－NH4Al(SO4)2·12H2O94.52591.64－1.70605Na2SO4·10H2O32.42541.48－－－CaCl2·6H2O29.61741.801.49－－表1部分常用无机水合盐相变材料的热物性能2相变储能材料表2部分熔融无机盐相变储能材料的热物性能2相变储能材料相变材料熔点(℃)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)25611302相变储能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-液相变储能材料

2相变储能材料二、固—固相变储能材料原理：相变发生前后固体晶体结构的改变而吸收或释放热量的，在相变过程中无液相产生，相变前后体积变化小，无毒、无腐蚀，对容器的材料和制作技术要求不高，过冷度小，使用寿命长，是一类很有应用前景的储能材料。目前固—固相变储能材料主要有无机盐类、多元醇类和交联高密度聚乙烯。2相变储能材料1.无机盐类

该类相变储能材料主要是利用固体状态下不同种晶型的转变进行吸热和放热，通常它们的相变温度较高，适合于高温范围内的储能和控温，目前实际应用的主要是层状钙钛矿、Li2SO4、KHF2等物质。层状钙钛矿Li2SO4固-固相变储能材料

2相变储能材料2.多元醇类此类材料是目前国内研究较多的一类固—固相变储能材料，其作为一种新型理想的太阳能储能材料而日益受到重视。多元醇类相变储能材料主要有季戊四醇(PE)、新戊二醇(NPG)、2—氨基2—甲基—1，3—丙二醇(AMP)、三羟甲基乙烷、三羟甲基氨基甲烷等，可通过两两结合可以配制出二元体系或多元体系来满足不同相变体系的需要。该类相变材料相变温度较高(40～200℃)，适合于中、高温储能应用。其相变焓较大，且相变热与该多元醇每一分子所含羟基数目有关，即多元醇每一分子所含羟基数目越多，相变焓越大。这种相变焓来自于氢键全部断裂而放出的氢键能。固-固相变储能材料

2相变储能材料固-固相变储能材料

2相变储能材料交联高密度聚乙烯

高密度聚乙烯的熔点虽然一般都在125℃以上，通常在100℃以上使用时会软化。经过辐射交联或化学交联之后，其软化点可提高到150℃以上，而晶体的转变却发生在120～135℃。这种材料的使用寿命长、性能稳定、无过冷和层析现象、材料的力学性能较好、便于加工成各种形状，是真正意义上的固—固相变材料，具有较大的实际应用价值。但是交联会使高密度聚乙烯的相变潜热有较大降低，普通高密度聚乙烯的相变潜热为210～220J／g，而交联聚乙烯只有180J／g。在氨气气氛下．采用等离子体轰击使高密度聚乙烯表面产生交联的办法，可以基本上避免因交联而导致相变潜热的降低，因技术原因，这种方法目前还没有大规模使用。3相变储存的优点及面临的问题1、相变储存的优点储能密度高温度波动幅度小2、相变储存面临的问题相变材料不能兼做传热介质材料，在相变蓄热系统设计中必须考虑加入独立的传热循环系统需要对热交换器进行特殊设计，保证相变材料的凝固速率与取热速率协调一致相变材料通常会发生过冷现象、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4相变储热的应用在建筑节能中的应用根据相变材料相变温度不同，主要有四方面的用途：（1）低温相变材料用于建筑物的蓄冷；（2）室温相变材料可以用来增加建筑物热惰性，降低房屋温度波动，降低空调负荷，达到建筑节能目的；（3）50～60℃相变材料可用在太阳能应用领域，如可以用作被动式太阳房的蓄热墙或者蓄热地板，还可以用作主动式太阳房中的蓄热器，与集热器、换热器等一起构成太阳能利用系统；（4）高温相变材料用于工业余热利用及太阳能热发电等场合。4化学蓄热化学反应储能是一种高能量高密度的储能方式，储能密度一般都高于显热和潜热储存，而且此种储能体系通过催化剂或产物分离方法极易用于长期能量储存，但其在实际使用时存在技术复杂、一次性投资大及整体效率不高等缺点。化学储能是一门崭新的科学,目前仍没能得到广泛应用，今后在这一方面应致力于选择和研究优良的反应材料(主要包括结晶水合物和复合材料),克服各自的不足,逐步走向实际工程应用发展。4化学蓄热化学蓄热：利用可逆化学反应通过热能和化学能的转换进行蓄热4.1化学蓄热的基本原理4.2化学储能材料选择化学储能材料的标准:①材料的反应热要求反应热效应大;②反应温度合适;③无毒、无腐蚀、不易燃易爆;④价格低廉;⑤反应不产生副产品;⑥可逆化学反应速率要适当,以便于能量存入与取出;⑦反应时材料的体积变化要小;⑧对相关结构材料无腐蚀性。化学储能材料的种类及其储能原理：1.结晶水合物结晶水合物蓄热是在低于其熔点的温度下，使水合盐全部或部分脱去其结晶水，利用在脱水过程中吸收的水合热来实现热量的储存当需要回收热量时，把脱去的水与脱水盐接触即可实现

类似的化学储热体系还有MgCl2-H2O、H2SO4-H2O、NH4Al(SO4)·12H2O等，在许多情况下，这种水合热比溶解热高很多。4.2化学储能材料2.无机氢氧化物无机氢氧化物的脱水反应也可用来储存热量。如：Mg(OH)2+热＝MgO+H2O