太陽能熱儲存技術(shù)太陽能是一種清潔可再生能源，在所有的可再生能源中，太陽能分布最廣，獲取最容易。但是太陽能受地理、晝夜和季節(jié)等規(guī)律性變化的影響以及陰晴云雨等隨機因素的制約，能流密度低，通常每平方米不到一千瓦，此外，能量隨著時間和天氣的變化呈現(xiàn)不穩(wěn)定性和不連續(xù)性。為了保證太陽能利用穩(wěn)定運行，就需要儲熱裝置把太陽能儲存起來,在太陽能不足時再釋放出來，以滿足生產(chǎn)和生活用能連續(xù)和穩(wěn)定供應(yīng)的需要。幾乎所有用于采暖、供應(yīng)熱水、生產(chǎn)過程用熱等的太陽能熱利用裝置都需要儲存熱能。太陽能儲存有三層含義，一是將白天接收到的太陽能儲存到晚間使用，二是將晴天接收到的太陽能儲存到陰雨天氣使用，三是將夏天接收到的太陽能儲存到冬天使用?，F(xiàn)在國內(nèi)外研究太陽能的儲存方法主要有兩大類:第一類是將太陽能直接儲存，即太陽能熱儲存，主要分為三種類型：顯熱儲存、相變儲存和化學(xué)反應(yīng)儲存；第二類是把太陽能先轉(zhuǎn)換成其他能量形式然后再儲存，如先轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蜋C械能。本文旨在對太陽能熱儲存技術(shù)的現(xiàn)狀進行調(diào)研，以期促進太陽能熱儲存技術(shù)的進一步研究與發(fā)展。顯熱儲存顯熱儲存是利用儲熱材料的熱容量，通過升高或降低材料的溫度而實現(xiàn)熱量的儲存或釋放的過程。顯熱儲存原理簡單，材料來源豐富，成本低廉，是研究最早，利用最廣泛，技術(shù)最成熟的太陽能熱儲存方式。低溫范圍內(nèi)，水、土壤、砂石及巖石是最為常見的顯熱儲熱材料。德國漢堡生態(tài)村的設(shè)計中，采用了一個容量為4500的大儲水罐作為儲存一年四季中所采集的太陽能的儲存設(shè)備。Kreetz提出了在太陽能煙囪電站集熱棚內(nèi)布置水管作為儲能系統(tǒng)的構(gòu)想。集熱器地面上并排排列著黑色水管，數(shù)值計算結(jié)果表明利用水儲熱裝置可以保證太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)晝夜連續(xù)工作。在太陽能高溫儲存場合常用的顯熱儲存介質(zhì)有沙石-石-礦物油、混凝土、導(dǎo)熱油、和液態(tài)鈉等。從儲熱能力、成本和安全性考慮，混凝土是比較有前途的儲熱材料。德國航天航空研究中心的Tammeetal在研究砂石混凝土和玄武巖混凝土的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)耐高溫混凝土和鑄造陶瓷等固體儲熱材料，在阿爾梅里亞太陽能實驗基地與槽式系統(tǒng)進行聯(lián)合試驗，效果良好，現(xiàn)在正準(zhǔn)備MW級的試驗。目前太陽能顯熱儲存有向地下發(fā)展的趨勢。太陽能的地下顯熱儲存比較適合于長期儲存，而且成本低，占地少，因此是一種很有發(fā)展前途的儲熱方式。美國華盛頓地區(qū)利用地下土壤儲存太陽能用于供暖和提供生活熱水，在夏季結(jié)束時，土壤溫度可以上升至80r，而在供暖季節(jié)結(jié)束時，溫度降至40r。此外，地下巖石儲存太陽能和地下含水層儲存太陽能都得到了廣泛的研究。然而，由于顯熱儲存材料是依靠儲熱材料溫度變化來進行熱量的儲存，放熱過程不能恒溫，儲熱密度小，使得儲熱裝置體積龐大，而且與周圍環(huán)境存在溫度差，造成熱量損失，熱量不能長期儲存，不適合長時間、大容量儲存熱量，限制了顯熱儲存技術(shù)的進一步發(fā)展。相變儲存相變儲存是利用儲熱材料在熱作用下發(fā)生相變而產(chǎn)生熱量儲存的過程。相變儲存具有儲能密度高，放熱過程溫度波動范圍小等優(yōu)點得到了越來越多的重視。將相變儲熱材料應(yīng)用于溫室來儲存太陽能始于80年代，應(yīng)用到的相變材料主要有CaCl?6H2O、NaSO4?10H2O和聚乙二醇。太陽能熱發(fā)電儲熱系統(tǒng)中的相變儲熱材料主要為高溫水蒸氣和熔融鹽，利用熔融鹽作為儲熱介質(zhì)具有溫度使用范圍寬，熱容量大，粘度低，化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但鹽類相變材料在高溫下對儲熱裝置有較強的腐蝕性?，F(xiàn)有研究表明可以應(yīng)用于空間太陽能熱動力系統(tǒng)的相變材料主要為金屬及合金和氟鹽及其共晶混合物等，目前研究較多的是氟鹽及其共晶混合物，但其液固相變轉(zhuǎn)化時體積收縮較大及熱導(dǎo)率低的缺點，容易導(dǎo)致“熱松脫”和“熱斑”現(xiàn)象，對儲熱裝置的長期穩(wěn)定非常不利。有機物相變材料具有相變溫度適應(yīng)性好、相變潛熱大、理化性能穩(wěn)定等優(yōu)點，因而在太陽能儲熱利用中受到普遍關(guān)注，常用材料為一些醇、酸、高級烷烴等。BuddhiandSahoo提出將熔點為55.1°C，熱容160kJ/kg的硬脂酸作為相變儲熱材料應(yīng)用于太陽能灶，實驗表明這一措施解決了在部分時間沒有陽光時使用太陽能灶的問題。Sharmaetal.在2000年報道了將熔點為82C，熱容為263kJ/kg乙酰胺作為相變儲熱材料應(yīng)用于改良型太陽灶的研究。在建筑墻體內(nèi)添加有機物是一種非常有效的太陽能儲存方式。Feldmanetal.對硬脂酸丁酯（49%）和丁基棕櫚酸酯（48%）的混合酯研究，結(jié)果表明該混合酯適合作為建筑物儲能材料用于儲存太陽能。此外Feldmanetal將該混合酯（20~25%）作為相變儲熱材料應(yīng)用于石膏墻板，和普通石膏墻板相比，儲熱能力增加了11倍，耐火能力也明顯提高，隨著添加的混合酯的質(zhì)量變化，墻板導(dǎo)熱系數(shù)在土15%之間變化。Athienitisetal.研究了一個墻面含有硬脂酸丁酯的被動太陽能房，含有硬脂酸丁酯垂直石膏墻板總面積約為20平方米，總共用相變溫度為16~20.8C的硬脂酸丁酯47kg。實驗在冬季環(huán)境下進行，結(jié)果表明添加了硬脂酸丁酯的石膏墻板白天可以使室內(nèi)溫度降低4C，避免了室內(nèi)溫度過高，晚上添加相變材料的石膏墻板的表面溫度較普通石膏墻板的溫度升高約3.2C°Leeetal.等對由不同材料制成的墻磚及在墻磚中注入不同有機物時，墻磚在受到空氣加熱和冷卻過程中的溫度變化進行了實驗對比研究，提出了最佳本體材料和相變材料的組合。研究表明在太陽能儲存中，應(yīng)用組合式相變材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一相變材料，相變傳熱速度明顯提高，儲熱放熱速率的均勻性得到明顯改善。1998年，美國對氨磯和硝酸銨二元相變材料體系進行研究，并將其應(yīng)用于太陽能熱水器。王劍峰等對使用組合相變材料儲能系統(tǒng)的相變傳熱過程進行了研究通過對具有3層同心環(huán)形組合相變材料儲能裝置的實驗，研究發(fā)現(xiàn)這種裝置的相變時間比采用單一相變材料縮短37%以上。GongZhenXiang等對用2種以上相變材料進行組合以提高儲能系統(tǒng)可用能效率進行了理論分柝認(rèn)為只要選用合適的相變材料進行組合，儲能系統(tǒng)的可用能效率可隨相變材料種類的增加而提高。此外，膠囊封裝技術(shù)、翅管強化傳熱和金屬填料等均能有效地提高相變材料的導(dǎo)熱率。M.N.Hawladeretal.用復(fù)凝聚法，以阿拉伯樹膠和明膠為壁材，石蠟為芯材，制成了直徑在微米量級的相變儲能微膠囊，該相變材料相變潛熱在145~240J/g之間，相變溫度在50~60°C之間，在熱力循環(huán)過程中表現(xiàn)出較好的力學(xué)性質(zhì)和儲熱能力，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ奶柲軆δ懿牧稀hoi和Kim研究了在雙翅片管內(nèi)CaCl?6H2O的傳熱速率特征曲線，其傳熱速率系數(shù)是光滑管的3.5倍。郭茶秀等提出了采用鋁片強化太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)高溫相變儲能系統(tǒng)傳熱性能，要求儲能系統(tǒng)在無日照時能盡快釋放出相變熱，以產(chǎn)生蒸汽，并用fluent軟件模擬了該系統(tǒng)在釋能過程中的瞬態(tài)二維傳熱過程，計算結(jié)果表明，增加鋁片能有效強化高溫相變儲能系統(tǒng)傳熱性能?；瘜W(xué)反應(yīng)儲存化學(xué)反應(yīng)儲存是利用化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱的形式來進行儲熱，具有儲能密度高，可長期儲存等優(yōu)點。用于貯熱的化學(xué)反應(yīng)必須滿足：反應(yīng)可逆性好，無副反應(yīng)；反應(yīng)迅速；反應(yīng)生成物易分離且能穩(wěn)定貯存；反應(yīng)物和生成物無毒、無腐蝕、無可燃性；反應(yīng)熱大，反應(yīng)物價格低等條件。1988年，美國太陽能研究中心指出，化學(xué)反應(yīng)儲熱是一種非常有潛力的太陽能高溫儲熱方式，而且成本又可能降低到相對較低的水平。Brownetal.采用CaO與H2O,進行了小規(guī)模的儲熱試驗研究，指出化學(xué)反應(yīng)儲熱系統(tǒng)約束條件苛刻，價格偏貴，但認(rèn)為氫氧化物與氧化物之間的熱化學(xué)反應(yīng)將是化學(xué)反應(yīng)儲熱的潛在對象。澳大利亞國立大學(xué)提出一種儲存太陽能的方式叫做“氨閉合回路熱化學(xué)過程”在這個系統(tǒng)里，氨吸熱太陽能分解成氫與氮，儲存太陽能，然后在一定條件下進行放熱反應(yīng)，重新生成氨，同時放出熱量。天然氣的太陽能熱化學(xué)重整是使低鏈烴CH4與H2O或CO2發(fā)生反應(yīng)，重整后的產(chǎn)物主要是CO和H2的混合物，太陽能通過吸熱的化學(xué)反應(yīng)儲存為燃料的化學(xué)能，反應(yīng)產(chǎn)物（混合氣）的熱值得以提升。以色列摩西?萊維教授領(lǐng)導(dǎo)的一個科研小組，利用水和甲烷作為“太陽能倉庫”來儲存太陽能。他們在陽光充足的地方建了一座高54米的高塔，在塔內(nèi)裝上甲烷和水，當(dāng)塔內(nèi)溫度加熱到872C時，塔中的CH4和水蒸氣開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，變?yōu)镃O和H2，同時吸收大量的熱能，使其中所含的能量比CH4高出30%。但是由于太陽能甲烷重整需要800~1000C的高溫，對重整器要求很高，同時需要龐大的定日鏡場，不利于工程應(yīng)用。為此，HuiHongetal.提出了中溫太陽能裂解甲醇的動力系統(tǒng)，系統(tǒng)中太陽能化學(xué)反應(yīng)裝置是通過地聚光比的拋物槽式集熱器，聚集中溫太陽熱能與碳氫燃料熱解或重整的熱化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合，將中低溫太陽能提升為高品位的燃料化學(xué)能，從而實現(xiàn)了低品位太陽能的高效能量轉(zhuǎn)換與儲存。此外，有別于以反應(yīng)熱的形式儲存太陽能，降冰片二烯類化合物作為儲能材料得到了廣泛的研究。紫外光照射下，降冰片二烯類化合物發(fā)生雙烯環(huán)加成反應(yīng)轉(zhuǎn)化為它的光異構(gòu)體，太陽能以張力能的形式儲存起來，在加熱或催化劑或另一種波長的紫外光的照射下又逆轉(zhuǎn)為降冰片二烯類化合物，同時張力能以熱的形式釋放出來，這一轉(zhuǎn)化方式有效地實現(xiàn)了太陽能的儲存與轉(zhuǎn)化。結(jié)束語太陽能熱儲存技術(shù)是一項復(fù)雜的技術(shù)，無論從技術(shù)層面和投資成本來看，太陽能熱儲存技術(shù)都是太陽能利用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從現(xiàn)有的研究來看，顯熱儲存研究比較成熟，已經(jīng)發(fā)展到商業(yè)開發(fā)水平，但由于顯熱儲能密度低，儲熱裝置體積龐大，有一定局限性。化學(xué)反應(yīng)儲熱雖然具有很多優(yōu)點，但化學(xué)反應(yīng)過程復(fù)雜、有時需催化劑、有一定的安全性要求、一次性投資較大及整體效率仍較低等困難，目前只處于小規(guī)模實驗階段，在大規(guī)模應(yīng)用之前仍有許多問題需要解決。相變儲存憑借其優(yōu)越性吸引著人們對其進行大量的研究，發(fā)展勢頭強勁。然而常規(guī)相變材料在實際應(yīng)