太阳能蓄热材料

世界大部分国家和地区能源供应不足，各国正在努力寻找稳定充足 的能源供应，同时对发展能源新战略决策给予极大地重视[1]，特别是可 再生能源的开发与利用尤为引人注目。常规能源的匮乏，化石能源的开 发利用带来了一系列的问题，如环境污染，温室效应等都与化石燃料的 燃烧有关。人类要解决能源危机和环境问题，实现经济和社会的可持续 发展，只能大规模的开发利用可再生的清洁能源。在所有可再生清洁能 源中，太阳能等是被各国专家都看好的未来替代能源。如果说20世纪是 石油世纪的话，21世纪则是可再生能源的世纪，太阳能的世纪。据权威 专家估计，如果实施可再生能源的发展战略，到2020年新的可再生能源 （不包括传统生物质能和水电）将占全球能源消费的20%，在能源消费 结构中总的比例将达到30%。太阳能在世界能源结构转移中担当重任， 成为21世纪后期的主导能源。正如世界观察研究所的一期报告所指出： 正在兴起的“太阳经济”将成为未来全球能源的主流。
高温蓄热的蓄热温度一般高于60℃，可直接用于供热，但需要高温 （效）太阳能集热器。一种高温蓄热系统，不附加热泵装置。另一种高 温蓄热系统，附加热泵装置，当蓄热温度较高时直接供热；当运行一段 时间后，温度降低，则改为和热泵联合运行。 2.2.2按蓄热方式分类
按蓄热方式划分，蓄热材料一般可分为:显热型、潜热型和化学反 应型3大类。 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。这种蓄热方式的优点是操作简单，成本 低，但在释放能量时，其温度发生连续变化，不能保持恒温，因此无法 达到控温的目的，该类材料蓄热密度较低，盛装容器体积庞大，应用价 值不是很高。引人注目的几种显热蓄热材料有土壤、地下蓄水层、温度 分层型蓄热材料、砖石、水泥及将、、、、等混合高温烧结成型的显热 蓄热材料。
作为全球能源市场日趋重要的一个组成部分，中国的能源消费已占 世界能源消费总量的11.36%，世界能源消费将越来越向中国和亚太地区 聚集。我国人口众多，化石能源消耗量大，煤炭国内生产量基本能够满 足国内消费量，原油和天然气的生产则不能满足需求，特别是原油的缺 口最大。注重能源资源的节约，提高能源利用效率，加快可再生能源的 开发利用，对我国来说是迫在眉睫。在2009年的中国两会上，开发太阳
岩石中常见的片麻岩和花岗岩的热容量约为0.6，由井孔的位置和 深度所决定的井孔蓄热的容积和形状对热损失的影响很大，随着容积的 增大热损失减少很多。井孔蓄热一般在岩石中打数百个或更多个深度约 为60～50m的井孔，井孔之间的距离约为4m，井孔的直径约为110～ 150mm。能量载体（比如水）在井孔中循环流动，和岩石进行热交换。 （3）充水的岩洞蓄热
材料蓄热的本质在于它可将一定形式的热量在特定的条件下贮存起 来，并能在特定的条件下加以释放和利用，因此可以实现能量供应与人 们需求一致性的目的，并达到节能降耗的作用。正是这一本质，决定了 蓄热材料必须具有可逆性好、贮能密度高、可操作性强的特点。 2.2.1按蓄热温度高低分类
低温蓄热的温度一般低于60℃，采用结构简单的低温平板型集热 器，因为是从低的给水温度开始加热，所以低温平板型集热器效率较 高，甚至在日照比较短的时候，也能高效地集热。由于蓄热温度低，不 能直接用于供热，从而需在用户和蓄热装置之间加热泵装置以提高温 度。热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对 象。
2太阳能蓄热材料的分类及特点
2.1蓄热材料的性能要求 蓄热材料的一般要求是: （1）蓄热量大。对显热储存材料要求材料的热容大，对潜热储存材料 要求相变热大；对反应热要求反应的热效应大。 （2）温度适宜。显热型材料通常不能满足这一要求。对潜热型材料， 要求凝固时无过冷现象，熔化时温度变化小。 （3）稳定性好。在多组分时，各组分间的结合要牢固，不能发生离 析、分解及其它变化。 （4）无毒、无腐蚀，不易燃易爆。 （5）成本低 。 （6）材料的导热系数高。要求材料无论是液态还是固态，都有较高的 导热率，以使热量可以方便地储存和释放。 （7）在冷、热状态下或固、液状态下，材料的体积变化小[5]。 2.2分类及特点
太阳是一个炽热的球体，其内部氢原子失去核外电子后剩下原子核 —质子，质子在高温下因高速的热运动而相互碰撞、发生热核反应，由 4个质子聚合为一个氦核，并释放出大量的热。图1-1是地球上的能流图 [2]，从图中可以看出，广义上来说，几乎所有的可再生能源（地热能除 外）都来自太阳能，就连不可再生能源都可以说是一种储存下来的太阳 能[3]。
材料相变的潜热比温度变化的显热（蓄热器中温度变化区间并不 大）要大的多。因此，在储存同样多热量时，需要相变蓄热材料的质相 变蓄热材料特别适宜储存温度变化范围小的热量，而这时如果用单相蓄 热材料，则需要的质量和容积就庞大多了。但相变蓄热投资较高，还不 能大规模用于实践。太阳能蓄热技术要具有市场竞争力，必须具有节约 能源。可带来尽可能高的经济效益，减少对生态环境的影响等特点。国
粘土热容量相对来说比较高约为1，而其热传导系数比岩石低，因 此较适合于蓄热。粘土蓄热属于低温蓄热，需要热泵来提升温度。粘土 蓄热一般将U型管或软管埋入土壤中，深度约为20～30m，它们组成封闭
的回路，中间流动着能量载体。在夏季，被太阳能集热器加热的热流体 通过循环流动将地下的粘土加热，从而将热量储存在地下。在冬季，流 过热泵蒸发器端的冷流体，通过循环流动被粘土加热，从而将热量传给 热泵。 （2）岩石中的井孔蓄热
太阳能蓄热材料
1引言
1.1太阳能利用的研究背景 跨入新世纪后，经济和社会的可持续发展成为实现人类进步的重大
挑战，在有限的资源和环保双重压力下发展经济已成为全球关注的热点 问题，而能源问题则更加突出。能源是人类生存和社会发展的物质基 础，地球供给人类消耗的能源有限，据《BP世界能源统计》的数据表 明，化石能源的枯竭不可避免，将在本世纪末基本开采殆尽。这就意味 着在能源消耗殆尽之前，人类必须找到新的替代能源——可再生能源。
在这3大类蓄热材料中，潜热型最具有发展前途，也是目前应用最 多和最重要的蓄热方式。
物质由固态转变为液态，由液态转变为气态，或由固态直接转变为 气态（升华） 时，则将释放相变热，这是潜热型蓄热运用的基本原 理。所以，潜热型蓄热按照相变的方式一般分为4类：固-固相变、固液相变、固-气相变及液-气相变。由于固-气相变和液-气相变材料相变 时体积变化太大，使用时需要很多的复杂装置，因此尽管它们有很大的 相变潜热，但在实际应用中很少被采用。综上所述，固-固相变和固-液 相变是目前蓄热材料中研究的重点。另外，相变蓄热材料按相变温度的 范围可分为:高温、中温和低温蓄热材料，按材料的组成成分可分为无 机类和有机类（包括高分子类）蓄热材料。蓄热材料通常是由多组分体 系构成的，包括蓄热剂、相变温度调整剂、防过冷剂（成核剂）、悬浮 剂、防相分离剂（当固、液相共存时因密度差易发生相分离）和促进 剂。 2.3各种蓄热材料的经济性分析 （1）粘土蓄热
能、风能等清洁能源，被明确写进政府工作报告中，这意味着一个新能 源产业发展的春天即将到来。2009年12月26日，十一届全国人大常委会 第十二次会议表决通过了关于修改可再生能源法的决定，新的可再生能 源自2010年4月1日起实施，修改后的可再生能源法增加了对各类可再生 能源的开发利用作出统筹规划的规定，并确立了全额保障性收购这一重 要制度，还明确建立可再生能源发展基金等内容。
内外多年的研究和实践表明：太阳能蓄热技术在这些方面具有很大的潜
水的热容量约为1.16，热水可被储存在岩洞中，其温度可超过 100℃岩洞蓄热的充放水温差可高至50℃，在去掉热损失后，其储存能 量密度约50，充水的岩洞蓄热必须设置在尽可能深的地下，以便上面有 足够厚的岩石层覆盖，最好远低于地下水层，以平衡其内部的水压力。 （4）储水层蓄热
天然的地下储水层也可以用于季节性蓄热，将深井打入地下储水 层，通过循环工质使太阳能集热器和地下水之间进行热交换。为了使热 损失减少到合理的程度，这种蓄热方式的容积应尽可能的大，一般要超 过100万。储水层蓄热的蓄热温度一般为20～30℃若储水层足够的深， 蓄热温度可达60～90℃。 （5）相变蓄热
光-化学转换尚处于研究开发阶段，这种转换技术包括半导体电极 产生电而电解水产生氢，利用氢氧化钙或金属氢化物热分解储能等形 式。太阳能制氢问题解决了，才能有真正意义上的氢能利用包括燃料电 池），这将引起时代的变革。 1.3 太阳能蓄热技术
太阳能短期蓄热是太阳能蓄热中一种简单常见的形式，它的充放热
循环周期较短，最短可以24h作为一个循环周期。一般地说，短期蓄热 的蓄热容积较小，与太阳能短期蓄热相对应，蓄热容积比较大、充放热 循环周期比较长（一般为一年）的称为季节性蓄热（长期蓄热）。季节 性蓄热的蓄热装置可置于地面以上，一般较常见的有钢质蓄热水塔。但 钢质蓄热水塔的投资相对来说较高，并且其蓄热容积有一定的限制，对 保温性能要求较高，从长期运行的经济性来看，置于地面以下的蓄热装 置更为有效。由于土壤和岩石的热传导系数比较低，从而使在地面以下 一定容积内进行蓄热成为可能，然而蓄热损失却因蓄热容积的不同而相 差很大。实验表明：在一定的温度下，一个边长为3m的立方形地下蓄热 装置，在几天之后，其蓄热量的50%将损失掉。而相应的边长为100m的 地下蓄热装置，在六个月后，其热损失只有10%。因此，蓄热容积应该 尽可能的大，以提高蓄热效率。所以，季节性蓄热主要用于与集中供热 系统联合运行的大型蓄热。
1.2太阳能的利用方式 太阳能利用主要包括光-热转换、光-电转换和光-化学转换三种方
式[4]。
1.2.1光-热转换 光-热转换就是通过太阳光加热水箱中的水以备利用，这是光热转
换最常见的、最基本的形式，太阳能热利用的本质在于将太阳辐射能转 化为热能。太阳集热器主要包括平板集热器和聚光集热器，平板集热器 是一种不聚光的集热器，它吸收太阳辐射的面积与采集太阳辐射的面积 相等，它主要用于太阳能热水、采暖和制冷等方面的应用；平板集热器 提供的温度一般来说比较低，这就限制了它的使用范围。为了在较高温 度条件下利用太阳能，聚光式集热器就应运而生，它可将太阳光聚集在 比较小的吸热面上，散热损失少，吸热效率高，可以达到较高的温度。 它还有利用廉价反射器代替昂贵集热器以降低造价的优点。 1.2.2光-电转换