太阳能热储存技术研究引言 太阳能是一种清洁可再生能源，在所有的可再生能源中，太阳能分布最广，获取最容易。 但是太阳能受地理、 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， 能流 密度低，通常每平方米不到一千瓦，此外，能量随着时间和天气的变化呈现不稳定性和不连 续性。为了保证太阳能利用稳定运行, 就需要储热装置把太阳能储存起来, 在太阳能不足时 再释放出来, 以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热利用装置都需要储存热能。 太阳能储存有三层含义，一是将白天接收到的太阳能储存到晚间使用，二是将晴天接收 到的太阳能储存到阴雨天气使用， 三是将夏天接收到的太阳能储存到冬天使用。 现在国内外 研究太阳能的储存方法主要有两大类: 第一类是将太阳能直接储存，即太阳能热储存，主要 分为三种类型：显热储存、相变储存和化学反应储存；第二类是把太阳能先转换成其他能量 形式, 然后再储存, 如先转变为电能和机械能。本文旨在对太阳能热储存技术的现状进行调 研，以期促进太阳能热储存技术的进一步研究与发展。 显热储存 显热储存是利用储热材料的热容量，通过升高或降低材料的温度而实现热量的储存或释 放的过程。显热储存原理简单，材料来源丰富，成本低廉，是研究最早，利用最广泛，技术 最成熟的太阳能热储存方式。 低温范围内，水、土壤、砂石及岩石是最为常见的显热储热材料。德国汉堡生态村的设 计中， 采用了一个容量为 4500 的大储水罐作为储存一年四季中所采集的太阳能的储存设备。 Kreetz 提出了在太阳能烟囱电站集热棚内布置水管作为储能系统的构想。 集热器地面上并排 排列着黑色水管， 数值计算结果表明利用水储热装置可以保证太阳能烟囱发电系统昼夜连续 工作。在太阳能高温储存场合常用的显热储存介质有沙石-石-矿物油、混凝土、导热油、和 液态钠等。从储热能力、成本和安全性考虑，混凝土是比较有前途的储热材料。德国航天航 空研究中心的 Tamme et al 在研究砂石混凝土和玄武岩混凝土的基础上，研究开发耐高温混 凝土和铸造陶瓷等固体储热材料，在阿尔梅里亚太阳能实验基地与槽式系统进行联合试验， 效果良好，现在正准备 MW 级的试验。 目前太阳能显热储存有向地下发展的趋势。太阳能的地下显热储存比较适合于长期储存， 而且成本低，占地少，因此是一种很有发展前途的储热方式。美国华盛顿地区利用地下土壤 储存太阳能用于供暖和提供生活热水，在夏季结束时，土壤温度可以上升至 80℃，而在供 暖季节结束时，温度降至 40℃。此外，地下岩石储存太阳能和地下含水层储存太阳能都得 到了广泛的研究。然而，由于显热储存材料是依靠储热材料温度变化来进行热量的储存，放 热过程不能恒温，储热密度小，使得储热装置体积庞大，而且与周围环境存在温度差，造成 热量损失，热量不能长期储存，不适合长时间、大容量储存热量，限制了显热储存技术的进 一步发展。 相变储存 相变储存是利用储热材料在热作用下发生相变而产生热量储存的过程。相变储存具有储 能密度高，放热过程温度波动范围小等优点得到了越来越多的重视。 将相变储热材料应用于温室来储存太阳能始于 80 年代，应用到的相变材料主要有 CaCl?6H2O、NaSO4?10H2O 和聚乙二醇。太阳能热发电储热系统中的相变储热材料主要为高 温水蒸气和熔融盐，利用熔融盐作为储热介质具有温度使用范围宽，热容量大，粘度低，化 学稳定性好等优点， 但盐类相变材料在高温下对储热装置有较强的腐蚀性。 现有研究表明可 以应用于空间太阳能热动力系统的相变材料主要为金属及合金和氟盐及其共晶混合物等， 目 前研究较多的是氟盐及其共晶混合物，但其液固相变转化时体积收缩较大及热导率低的缺 点，容易导致“热松脱”和“热斑”现象，对储热装置的长期稳定非常不利。 有机物相变材料具有相变温度适应性好、相变潜热大、理化性能稳定等优点,因而在太阳 能储热利用中受到普遍关注，常用材料为一些醇、酸、高级烷烃等。Buddhi and Sahoo 提出 将熔点为 55.1℃，热容 160kJ/kg 的硬脂酸作为相变储热材料应用于太阳能灶，实验表明这 一措施解决了在部分时间没有阳光时使用太阳能灶的问题。Sharma et al.在 2000 年报道了将 熔点为 82℃，热容为 263kJ/kg 乙酰胺作为相变储热材料应用于改良型太阳灶的研究。在建 筑墙体内添加有机物是一种非常有效的太阳能储存方式。 Feldman et al.对硬脂酸丁酯 （49%） 和丁基棕榈酸酯（48%）的混合酯研究，结果表明该混合酯适合作为建筑物储能材料用于储 存太阳能。此外 Feldman et al 将该混合酯（20~25%）作为相变储热材料应用于石膏墙板， 和普通石膏墙板相比，储热能力增加了 11 倍，耐火能力也明显提高，随着添加的混合酯的 质量变化，墙板导热系数在±15%之间变化。Athienitis et al.研究了一个墙面含有硬脂酸丁酯 的被动太阳能房，含有硬脂酸丁酯垂直石膏墙板总面积约为 20 平方米，总共用相变温度为 16~20.8℃的硬脂酸丁酯 47kg。实验在冬季环境下进行，结果表明添加了硬脂酸丁酯的石膏 墙板白天可以使室内温度降低 4℃，避免了室内温度过高，晚上添加相变材料的石膏墙板的 表面温度较普通石膏墙板的温度升高约 3.2℃。Lee et al.等对由不同材料制成的墙砖及在墙 砖中注入不同有机物时,墙砖在受到空气加热和冷却过程中的温度变化进行了实验对比研究, 提出了最 研究表明在太阳能储存中, 应用组合式相变材料代替传统的单一相变材料， 相变 传热速度明显提高，储热放热速率的均匀性得到明显改善。1998 年，美国对氨矾和硝酸铵 二元相变材料体系进行研究， 并将其应用于太阳能热水器。 王剑峰等对使用组合相变材料储 能系统的相变传热过程进行了研究,通过对具有 3 层同心环形组合相变材料储能装置的实验, 研究发现这种装置的相变时间比采用单一相变材料缩短 37 %以上。Gong ZhenXiang 等对用 2 种以上相变材料进行组合以提高储能系统可用能效率进行了理论分析,认为只要选用合适 的相变材料进行组合,储能系统的可用能效率可随相变材料种类的增加而提高。 此外，胶囊封装技术、翅管强化传热和金属填料等均能有效地提高相变材料的导热率。 M.N.Hawlader et al.用复凝聚法，以阿拉伯树胶和明胶为壁材，石蜡为芯材，制成了直径在 微米量级的相变储能微胶囊， 该相变材料相变潜热在 145~240J/g 之间， 相变温度在 50~60℃ 之间， 在热力循环过程中表现出较好的力学性质和储热能力， 是一种很有发展潜力的太阳能 储能材料。Choi 和 Kim 研究了在双翅片管内 CaCl?6H2O 的传热速率特征曲线，其传热速率 系数是光滑管的 3.5 倍。郭茶秀等提出了采用铝片强化太阳能热力发电系统高温相变储能系 统传热性能, 要求储能系统在无日照时能尽快释放出相变热,以产生蒸汽， 并用 fluent 软件模 拟了该系统在释能过程中的瞬态二维传热过程,计算结果表明,增加铝片能有效强化高温相变 储能系统传热性能。 化学反应储存 化学反应储存是利用化学反应的反应热的形式来进行储热，具有储能密度高，可长期储 存等优点。用于贮热的化学反应必须满足：反应可逆性好，无副反应；反应迅速；反应生成 物易分离且能稳定贮存；反应物和生成物无毒、无腐蚀、无可燃性；反应热大，反应物价格 低等条件。 1988 年，美国太阳能研究中心指出，化学反应储热是一种非常有潜力的太阳能高温储热 方式，而且成本又可能降低到相对较低的水平。Brown et al.采用 CaO 与 H2O，进行了小规 模的储热试验研究，指出化学反应储热系统约束条件苛刻，价格偏贵，但认为氢氧化物与氧 化物之间的热化学反应将是化学反应储热的潜在对象。 澳大利亚国立大学提出一种储存太阳 能的方式叫做“氨闭合回路热化学过程”，在这个系统里，氨吸热太阳能分解成氢与氮，储存 太阳能，然后在一定条件下进行放热反应，重新生成氨，同时放出热量。 天然气的太阳能热化学重整是使低链烃 CH4 与 H2O 或 CO2 发生反应， 重整后的产物主要 是 CO 和 H2 的混合物，太阳能通过吸热的化学反应储存为燃料的化学能，反应产物（混合 气）的热值得以提升。以色列摩西?莱维教授领导的一个科研小组，利用水和甲烷作为“太阳 能仓库”来储存太阳能。 他们在阳光充足的地方建了一座高 54 米的高塔，在塔内装上甲烷和 水，当塔内温度加热到 872℃时，塔中的 CH4 和水蒸气开始发生化学反应，变为 CO 和 H2， 同时吸收大量的热能，使其中所含的能量比 CH4 高出 30%。但是由于太阳能甲烷重整需要 800~1000℃的高温， 对重整器要求很高， 同时需要庞大的定日镜场， 不利于工程应用。 为此， Hui Hong et al.提出了中温太阳能裂解甲醇的动力系统，系统中太阳能化学反应装置是通过 地聚光比的抛物槽式集热器，聚集中温太阳热能与碳氢燃料热解或重整的热化学反应相结 合， 将中低温太阳能提升为高品位的燃料化学能， 从而实现了低品位太阳能的高效能量转换 与储存。 此外，有别于以反应热的形式储存太阳能，降冰片二烯类化合物作为储能材料得到了广 泛的研究。紫外光照射下, 降冰片二烯类化合物发生双烯环加成反应,转化为它的光异构体， 太阳能以张力能的形式储存起来，在加热或催化剂或另一种波长的紫外光的照射下,又逆转 为降冰片二烯类化合物,同时张力能以热的形式释放出来，这一转化方式有效地实现了太阳 能的储存与转化。 结束语 太阳能热储存技术是一项复杂的技术，无论从技术层面和投资成本来看，太阳能热储存 技术都是太阳能利用中的关键环节。从现有的研究来看，显热储存研究比较成熟，已经发展 到商业开发水平，但由于显热储能密度低，储热装置体积庞大，有一定局限性。化学反应储 热虽然具有很多优点，但化学反应过程复杂、有时需催化剂、有一定的安全性要求、一次性 投资较大及整体效率仍较低等困难， 目前只处于小规模实验阶段， 在大规模应用之前仍有许 多问题需要解决。 相变储存凭借其优越性吸引着人们对其进行大量的研究，发展势头强劲。然而常规相变 材料在实际应用过程中存在的种种问题， 诸如无机相变材料的过冷和相分离现象以及有机相 变材料的导热率低等问题，严重制约了相变储存技术在太阳能热储存中的应用。此外，降低 相变储热的应用成本亦是将相变储存技术大规模应用太阳能热储存前必须解决的一个现实 问题。值得高兴的是，近年来，随着纳米复合相变储热材料、定形相变材料和功能热流体等 新型相变材料的出现，上述问题有望得到解决。新型相变材料的出现，必将在很大程度上推 动相变储存技术在太阳能热储存中的应用。 李华山 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 贾晓丽 大连交通大学机械工程学院,116028 冯 亮 西安交通大学能源与动力工程学院,710049