太阳能建筑一体化原理与应 课件 第6章 储能

太阳能建筑一体化原理与应用第六章太阳能的热储存一、储热技术概述1、储热材料的性能要求储热材料（也称蓄热材料）是储热系统中储存和释放热能的介质，是储热系统的核心。储热材料必须能完成两个基本功能：一是充热，也称蓄热、储热，就是把热源（如太阳能集热器）产生的热量储存到储热材料内；二是放热，也称释热，就是把储热材料内储存的热量释放出来，供给热用户。储热材料的重要性能参数：a、储热密度b、导热系数c、储热温度d、稳定性e、可靠性f、成本一、储热技术概述2、储热材料分类储热材料具有多种分类标准：a、按储热机理分类：分为显热储热材料、相变储热（又称潜热储热）材料与热化学储热材料；b、按储热时间分类：分为短期储热材料与长期储热材料；c、按储热温度范围分类：分为高温储热材料、中温储热材料与低温储热材料。一、储热技术概述3、储热设备作为储热设备，除了需要储热材料来储热，还需要传热介质把热量储存到储热材料内和从储热材料中取出来。储热材料通常是固体或者液体，传热材料通常为流体，最常见的是水和空气。根据储热材料和传热介质的接触方式，可以分成两大类：直接接触式和间接式。a、直接接触式在直接接触式中，储热材料和传热介质可以长期直接接触，而不发生物性或者化学性质的变化，而且储热材料与传热介质的换热可以顺利进行。直接接触式还分成两种情况：1）当储热介质与传热介质完全相同时2）储热介质与传热介质不同一、储热技术概述储热材料与传热介质不同，但可以直接接触。这种情况的典型案例是采用卵石（或者砾石）作为储热材料，而采用空气作为传热介质。这时可以把卵石放置在某一壳体内，空气在卵石的缝隙间流动，与卵石进行换热。如图所示。一、储热技术概述b、间接式如果储热材料与传热介质不能或者不便于直接接触，这时就要把储热材料与传热介质分隔开，通过间接换热进行储热与放热。这时可以通过两种方式实现分隔：1）把储热材料进行封装2）埋管式一、储热技术概述4、储热系统的运行模式储热系统要完成储热和放热等不同的工作任务，就有多种不同的运行模式。将以集热器作为热源，介绍储热系统的运行模式。如图所示。1）单纯储热2）储热并供热3）放热供热4）联合供热5）热源供热二、显热储热技术1、显热储热原理显热储热的原理是利用材料自身的热容来存储热量，随着储热材料温度的升高，热量存储在材料内，而温度的降低则让热量从材料中释放。单位质量显热材料在温度T0和T之间的储热-放热过程的热量变化可由下式表示:

式中Q——储热量，J/kg；T——温度，K；cp——比热容，J/(kg·K)。一般情况下，材料的比热容受温度影响较小，可近似视为恒定不变，因此显热储热过程中，显热储热材料的储热量可以看作随储热温差线性变化。二、显热储热技术2、显热储热材料及其应用显热储热材料可以根据材料的相态分为液态显热储热材料和固态显热储热材料。1)液态显热储热材料液态显热储热材料中应用最为广泛的是水。水是生活中最为常见的物质之一。液态显热储热材料还包括熔盐，如二元硝酸盐(KNO3-NaNO3，共晶盐)、三元硝酸盐(KNO3-NaNO3-NaNO2)等。除熔盐之外，硅油、植物油、矿物油、合成油等导热油也是中温段(100~400℃)热利用常用的传热流体，因此也可用作中温段的显热储热介质。下表列举了一些常见的液态显热储热材料及其物性。二、显热储热技术材料熔点（℃）熔化热kJ/kg分解温度（℃）密度(kg/m3)比热容kJ/（kg·K）导热系数W/（m·K）水0334.9-0.9884.1870.6NaNO3307181.936501.82018190.518KNO333799.66001.82713400.48太阳盐（Solarsalt）NaNO3/KNO3(质量配比60%/40%）220161600~1.8(400℃)1.5(400℃)0.519希特斯盐（Hitec）

NaNO3/KNO3/NaNO2

（质量配比7%/53%/40%）14280535~1.8(400℃)1.56(400℃)0.387低熔点希特斯盐（HitecXL）

NaNO3/KNO3/NaNO2

（质量配比7%/45%/48%）120

500~1.9(400℃)1.45(400℃)

优选盐（北工大开发）8471.75682.21.91.5170.655二、显热储热技术2)固态显热储热材料固态显热储热材料有岩石、混凝土、砖等材料，此外，一些钢渣固废和煤基固废也可以作为储热材料使用，实现资源的再利用。还有氧化镁也是目前应用广泛的固态显热储热材料。固态显热储热材料价格普遍较低，应用十分广泛，适合工业上大规模中高温储热，例如石英石等可用于太阳能聚光电站中收集太阳能。下表列出了部分常见的固态储热材料及其热物性。材料密度(kg/m3)比热容kJ/（kg·K）导热系数W/（m·K）岩土26000.851.0氧化镁30001.04.5某固废23401.01.8三、储热水箱1、完全混合（不分层）的水箱储热模型如图所示，表示了一个强制循环（泵作为循环动力）的太阳能水箱储热系统。太阳能集热器通过循环管路向水箱内水输入热量，而水箱把热量提供给负荷。如果假定水箱的水完全混合，而不考虑水箱内各点的温度差异，每个特定时刻整个水箱内水温只有一个，这样会大大简化储热系统的分析，这时水箱的储热量可以表示为三、储热水箱2、分层水箱模型目前已经开发有多种分层水箱模型，其中较为常用的是多节点模型，一个水箱沿着数值方向分为N个节点（部分，或称段），每个节点用一个温度代表这部分水的温度，每个节点的温度作为时间的函数，为水箱的每个节点列出能量平衡方程，结果是N个微分方程，求解微分方程得到各个节点的温度。例如，对于右图所示的五节点水箱，从集热器进入的水的温度为Tc，o，温度介于Ts，2和Ts，3之间。假设它们都能找到路径到达节点3，在那里它们的密度几乎与槽内的水的密度最为匹配。三、储热水箱下面以三节点水箱模型为例进行分析，如下图所示，流向集热器的流量始终从底部（节点3）流出，流向负荷的流量始终从顶部（节点1）流出。从集热器返回的流量将返回最接近但小于集热器出口温度的节点。假设三个节点温度分别为45、35和25℃，当然，顶部最热。集热器的回水温度如果低于35℃，将流向节点3；如果回水温度在35℃

到45℃

之间，将流向节点2。三、储热水箱下图所示为某储热水箱采用5节点的分层模型计算的结果。图中曲线1和2分别代表水箱最高层和最低层的温度分布。可以看出，水箱内最高温度与最低温度之差可达5℃以上，显然采用充分混合的不分层模型准确性较差，其温度分布曲线应在曲线1，2之间。实际上，许多水箱都会出现一定程度的分层现象，因此建议在保守设计（以单节点水箱系统为代表）和精心保持高度分层的情况之间，以三个或四个节点作为合理的折中方案。四、跨季节显热储热1.跨季节土壤埋管储热跨季节土壤埋管储热系统由热源端集热模块、中间换热模块和地下储热体模块三部分组成。热源端的能源可以是太阳能集热、工业余热、火电余热、核电余热、大型数据中心废热、垃圾焚烧余热等热资源；中间换热模块主要是地下储热体的换热器；地下储热体主要由闭环埋管换热器管路、埋管内的循环流体、钻孔填料和钻孔周围岩土（土壤、岩石等地下材料）四部分组成，如下图所示。四、跨季节显热储热2、大型水体跨季节储热系统大型水体跨季节储热系统一般在地下或者露天设置不锈钢或钢筋泥凝土制成的水窖或者水池，并在水池周围和顶部设置保温层以减少系统的热损失。一种典型大型跨季节储热水窖的结构如下图所示。另外一种跨季节储热水体类似人工挖掘的水库，而在水库的上方采用浮动的保温层，这种形式的储热水体建造更为简单，我国目前已有多个工程实例，也是当前研究热点。五、建筑围护结构储热建筑围护结构一般具有较大的热容量。建筑热容量是指内部温度单位变化时建筑的有效热容。在经历显著温度变化的建筑中，建筑的热容量不容忽视。建筑热容量在被动式供暖或由建筑本身作为储热装置时具有特别重要的意义。计算建筑有效热容的方法是将建筑物所有元件的质量、热容和温度变化的乘积相加：其中∆Ti´是内部温度每变化1℃的第i个元件的预期温度变化。六、相变储热概述1、相变储热原理相变储热又称潜热储热、相变蓄热，

是利用相变材料(PhaseChangeMaterial，PCM)在相态变化过程中热量的吸收和释放来储存热量。根据相态变化的种类不同，相变储热可分为固固、固液、固气和液气相变储热。但是除了固液相变材料，其余几种相变过程在实际应用中存在较大的问题：①

固固相变过程相态变化小，储热密度较低；②

固气和液气相变过程中体积变化巨大，产生的气体难以存储。因此，一般情况下相变材料是指固液相变材料。固-液相变材料分为三大类：无机相变材料、有机相变材料和共晶相变材料。六、相变储热概述储热过程中相变材料的焓值随温度的变化如图所示，在温度上升至相变温度Tp之前，材料以显热的形式储存热量，其温度快速升高，总焓值为材料的显热储热量h，即比热容对温度的积分。当温度上升至相变温度Tp时，此时相变材料开始熔化，材料开始以潜热的形式存储热量，其总焓值等于T0到Tp之间的显热值h与已熔化相变材料的潜热值∆H之和。六、相变储热概述2、相变材料的关键物性参数1）相变温度

是指固-液相变过程发生的温度，每一种相变材料都有自己特定的相变温度，例如冰在0℃融化成水，0℃就是水的相变温度。2）相变焓

是指单位质量的相变材料完全发生相变需要吸收或释放的热量，相变焓越大，相变材料的储热密度越高。3）比热容

则是衡量相变材料显热储热密度的一个指标。4）导热系数

是物质导热能力的量度，决定了相变材料热量传递的速率。六、相变储热概述3、相变材料的过冷过冷是物质在温度降至凝固温度时因结晶困难导致无法凝固，而需要在更低温度下才能发生相变的一种现象。如图所示，相变材料在储热过程中当温度为Tp

时熔化，而在放热过程中由于存在过冷，材料只能当温度降至Ts时才有足够的动力激发凝固，Ts

与Tp

之间的温度差称之为过冷度。过冷的程度与材料性质、冷却速率及杂质的种类和含量有关。通常杂质含量越多则过冷程度越大。防止过冷的方法是：用过冷倾向小的相变材料；加入结晶催化剂；使用超声成核法。七、无机相变材料1、水合盐储热结晶水合盐类相变材料是应用最广泛的无机相变材料，水合盐的化学式可以表示为AB·n(H2O)，其中n代表结晶水的数量，AB代表金属盐，例如碳酸盐、亚硫酸盐、磷酸盐、亚硝酸盐、醋酸盐或氯化物等。在熔化过程中，无机水合盐失去部分或者全部水分子，金属盐溶解在水分子中，反之在凝固过程中，这种水分子与金属盐结合，达到固液或者液固的转换。无机水合盐的相变机理可以表示为：无机水合盐作为相变材料显著的优点是熔点低，熔化潜热大，价格便宜，其体积储热密度较高。七、无机相变材料2、熔盐储热无机熔盐与无机水合盐基本组分相近，只是结构中去掉了结晶水，是成本较低的一种储热材料。熔盐是盐类熔化后形成的熔融体，例如碱金属、碱土金属的卤化物、硝酸盐、硫酸盐的熔融体。熔盐是一种较为理想的储热介质，具有黏度低、蒸汽压低、热稳定性高、储热密度高等优点，因此熔盐储热技术广泛应用于太阳能光热发电、火力发电机组的调峰调频、供暖与余热回收等领域。此外，熔盐也存在过冷的问题，对金属存在严重的腐蚀，在使用过程中需要采取相应措施。八、有机相变材料有机相变材料主要包括石蜡、脂肪酸类、酯类等，其中对于石蜡类及高级脂肪酸类相变材料的相关研究最为深入。此外，有机类相变材料还包括糖醇类、芳香烃类、芳香酮类、酰胺类等化合物。1、石蜡石蜡是具有直链结构的正构烷烃混合物，其分子通式为CnH(2n+2)，其性质与饱和碳氢化合物非常接近。石蜡在结晶时会释放大量的热，相变温度随着碳链的增长而变大。石蜡族相变材料化学性质不活泼、相变温度范围大、无腐蚀性、熔融蒸气压低，因此可作为储热材料在储热系统中长期反复利用。2、脂肪酸脂肪酸的通式为CH3(CH2)n-2COOH，脂肪酸是性能优良的相变储热材料，它的缺点主要是成本较高，其价格通常是分析纯石蜡的2～2.5倍，同时脂肪酸也具有一定的腐蚀性。八、有机相变材料3、酯类脂肪酸还可以与醇类通过酯化反应合成酯类化合物，也可作为相变材料。此类相变材料的相变温度较相应的脂肪酸和有机糖醇低，相变焓一般也低于对应的酸和醇。有机相变材料普遍存在以下缺点：（1）价格高，大规模商用成本难以负担；（2）密度小，体积储热密度较低；（3）导热系数低，普遍小于0.5W/（m·K），严重影响储热系统的储热、放热速率；（4）具有可燃性，遇明火或高温时存在安全隐患。因此，目前有机相变材料仍处于研究、开发和实验研究阶段，还没有进入大规模工程实际应用阶段。九、相变储热技术的优势及应用领域相变储热技术与显热储热技术相比，最大的优势在于其储热密度大。大部分显热储热材料在50℃的温升情况下的储热密度小于100kJ/kg。相变储热材料在相变温度这一个温度段，储热密度就可以达到100～350kJ/kg。如果同样考虑50℃的温升的话，相变材料也有接近50～100kJ/kg的显热储热量。因此，相变储热材料的储热密度显著大于大部分显热储热材料。十、吸收吸附储热1、吸收的原理在吸收过程中，工质是由两种及以上单纯物质组成的溶液，其中至少有一种物质作为吸收质，沸点较低的物质作为吸收质。利用吸收过程的特点可以进行制冷、除湿及储能。2、吸附的原理吸附现象是固体与流体之间基于物理或化学反应相互作用的结果。利用吸附过程的特点可以进行制冷、除湿及储能。3、吸收吸附储热原理吸收吸附储热系统是一个由工作流体（也称为吸收质，主要是水蒸气）和吸附材料（通常称为吸收剂）组成的系统。十、吸收吸附储热下