【文章內(nèi)容簡介】 ；集熱棚中間離地面一定距離處裝著煙囪，在煙囪底部裝有渦輪機(jī)；位于集熱棚中央的煙囪 ,高達(dá)數(shù)百米至上千米，在煙囪的抽吸力和集熱棚內(nèi)熱空氣壓力的聯(lián)合作用下，煙囪引導(dǎo)集熱棚內(nèi)空氣形成強(qiáng)大氣流，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，并且可以讓周圍空氣進(jìn)入系統(tǒng)；太陽光照射集熱棚，集熱棚下面的土地吸收透過覆蓋層的太陽輻射能，并加熱土地和集熱棚覆蓋層之間的空氣，使集 熱棚內(nèi)空氣溫度升高，密度下降，并沿著煙囪上升，集熱棚周圍的冷空氣進(jìn)入系統(tǒng)，從而形成空氣循環(huán)流動(dòng)。由于集熱棚內(nèi)的空間足夠大，當(dāng)集熱棚內(nèi)的空氣流到煙囪底部的時(shí)候，在煙囪內(nèi)將形成強(qiáng)大的氣流，利用這股強(qiáng)大的氣流，推動(dòng)裝在煙囪底部的渦輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。 太陽能熱利用中心問題 太陽能熱利用技術(shù)問題 1） 跟蹤聚焦問題 圖 太陽能灶原理 7 太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，與常規(guī)能源有很大的區(qū)別，這就對太陽能的收集和利用提出更高的要求。目前得到廣泛應(yīng)用的太陽熱水器，一般只能滿 足人們的洗浴要求，屬于太能的低溫?zé)崂?，無法提供工業(yè)應(yīng)用上的高溫?zé)崴罢羝?。為了滿足人們對太陽能利用更高的要求，使太陽能集熱器更有效地吸收太陽輻射能和獲得高溫?zé)崮埽療崞黜毑捎镁劢?、跟蹤等技術(shù)。使用太陽跟蹤系統(tǒng)，可以使太陽光始終垂直照射在接收面，接收到的太陽輻射將大大增加。例如，對于完全相同的平，與太陽輻射方向垂直的表面和朝南鉛直方向的固定表面，一天中兩者接收到的太陽輻射的比值大約是 3: 1。相同條件下，自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高 35%，成本下降 25%，因此在太陽能利用中，進(jìn)行跟蹤是很有 必要的。 2） 輻射吸收材料 太陽輻射吸收材料是太陽能熱利用中的關(guān)鍵部分，它承擔(dān)著太陽輻射能的吸收和熱傳導(dǎo)雙重任務(wù)。當(dāng)前，人類太陽能熱利用的多數(shù)研究成果僅限于低溫應(yīng)用(100℃ )，特別是國內(nèi)更是如此。隨著能源短缺問題的日益突出，人類已開始把目光轉(zhuǎn)向更好品位的太陽能的熱利用上，及太陽能中高溫利用，通過聚焦裝置， 使太陽能熱利用溫度達(dá)到 200℃ 以上，甚至上千度。中高溫吸熱材料的研究是太陽能中高溫?zé)崂盟鉀Q的關(guān)鍵問題。光學(xué)性能穩(wěn)定、耐候性強(qiáng) (受氣候影響小 )、制備工藝簡單、對環(huán)境無污染、成本低 廉、能適合中高溫度使用的新型太陽選擇性吸收涂層成為當(dāng)今太陽能熱利用研究的重要目標(biāo)和發(fā)展方向。 在太陽能中高溫選擇性吸收涂層領(lǐng)域，金屬陶瓷薄膜是一種新型的太陽能選擇性吸收涂層，它是將納米尺度的金屬粒子鑲嵌在氧化物、氮化物等陶瓷基體中， 制成單層或多層的納米薄膜材料，獲得優(yōu)良的光學(xué)性能，同時(shí)還可兼具其他的一些特殊的性能，將這類具有優(yōu)良光學(xué)性能的新型功能薄膜材料應(yīng)用于太陽能領(lǐng)域必將極大地推動(dòng)太陽能行業(yè)的飛速發(fā)展。 太陽能熱利用經(jīng)濟(jì)問題 1） 系統(tǒng)效率低 材料、結(jié)構(gòu)等因素導(dǎo)致部件本身 的效率不高，不同部件間未能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組合，系統(tǒng)中未采用合適的降低熱損失的措施、太陽能集熱與供熱不能很好地匹配等等這些造成了太陽能熱利用系統(tǒng)的總體效率不高。太陽能供熱制冷系統(tǒng)的效率見表，太陽熱發(fā)電系統(tǒng)的效率見表。太陽能供熱制冷系統(tǒng)中效率最高的太陽能熱泵系統(tǒng)才能達(dá)到 75%。三種太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率均低于 30%，塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率甚至?xí)蛔?10%。 8 太陽能熱利用形式 槽式太陽能發(fā)電 塔式太陽能發(fā)電 蝶式太陽能發(fā)電 年凈效率 11—16 7—20 12—25 2） 成本高 與其它許多可再生能源利用技術(shù)相似，太陽能熱利用技術(shù)一般較常規(guī)能源技術(shù)的初投資高，后期運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用低。圖 為 IEA 可再生能源部門在一些假設(shè)條件下給出的不同類型和地區(qū)太陽能供熱制冷技術(shù)成本（ USD/MWhth） 。圖 給出了不同發(fā)電技術(shù)生命周期成本 [1]。從中可見與常規(guī)供熱制冷方式相比，太陽能供熱制冷幾乎沒有成本優(yōu)勢。盡管太陽能熱利用的成本已經(jīng)大幅下降 ，且在持續(xù)降低，但是太陽能發(fā)電在整個(gè)生命周期內(nèi)的平均成本仍然遠(yuǎn)高于其它的常規(guī)發(fā)電技術(shù)（汽輪機(jī)發(fā)電除外）?，F(xiàn)在兩種聚光集熱器完全能滿足各種中、高溫太陽能利用的要求 , 但由于造價(jià)高 , 限制了它們的廣泛應(yīng)用。 太陽能熱利用形式 太陽能熱水器 太陽能供暖 太陽能制冷 太陽能熱泵 平均效率（ %） 40—65 22—35 35—40 40—75 表 太陽能供熱制冷系統(tǒng)效率 表 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)效率 圖 太陽能供熱制冷成本 （ USD/MWhth）（ 太陽能制冷的費(fèi)用為 USD/MWhcooling） 9 太陽能儲(chǔ)熱材料在應(yīng)用中存在的問題 現(xiàn)行的儲(chǔ)熱方式主要有：顯熱，潛熱 (相變 )和化學(xué)反應(yīng)熱儲(chǔ)熱 3 種方式。顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)發(fā)展最早、最為成熟儲(chǔ)熱裝置的運(yùn)行和管理也較為方便；潛熱儲(chǔ)熱密度較高，而且儲(chǔ)、放熱過程近似等溫，特別是固液相變儲(chǔ)熱，儲(chǔ)熱系統(tǒng)效率較高， 體積較小；化 學(xué)儲(chǔ)熱是利用可逆化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱來進(jìn)行儲(chǔ)熱的，這種儲(chǔ)熱方式雖然具有儲(chǔ)熱密度大等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，但技術(shù)復(fù)雜并且使用不便，對系統(tǒng)及設(shè)備要求較高，目前僅在少數(shù)領(lǐng)域受到重視。 目前，化學(xué)儲(chǔ)熱主要用在蓄電池上。蓄電池作為一種儲(chǔ)熱設(shè)備，具有電壓穩(wěn)定、供電可靠、移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣闊 : 在供電系統(tǒng)，交通工具，航天，通訊設(shè)備，電子產(chǎn)品上使用的比較多，在建筑采暖上并沒有作為熱源的先例。 考慮到當(dāng)今的不同應(yīng)用，就像供暖和熱水生產(chǎn)，顯熱和潛熱蓄熱是蓄熱的兩大主要蓄熱技術(shù)。水和巖石的顯熱蓄熱目前處于一個(gè)高度發(fā)達(dá) 的階段。另一方面， 潛熱蓄熱作為發(fā)展中的技術(shù)，由于自身的幾項(xiàng)操作上的優(yōu)點(diǎn)最近已被發(fā)現(xiàn)有很好的前景。 圖 不同發(fā)電技術(shù)的生命周期內(nèi)成本 （ 2022 年美元 /MWh）（ *表示具有 CO2捕集與存儲(chǔ)的 IGCC 技術(shù)） 10 儲(chǔ)熱材料的分類及依據(jù) 相變儲(chǔ)熱材料的種類很多，從材料的化學(xué)組成來看，可分為有機(jī)和無機(jī)材料兩類。從儲(chǔ)熱方式來看，可以分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱三種。從儲(chǔ)熱的溫度范圍來看，可以分為高溫、中溫及低溫類型。在儲(chǔ)熱過程中，按材料相態(tài)的變化，又可以分為固 —— 液相變材料和固 —— 固相變材料兩大類。儲(chǔ)熱材料通常為多組分的，包括主儲(chǔ)熱劑、相變溫度（凝固點(diǎn)）調(diào)整劑、防過冷劑（成核型）、促進(jìn)劑、防相分離劑（ 當(dāng)固、液共存時(shí)因密度差異發(fā)生相分離時(shí)使用）等組分。由于固 — 氣、氣 — 固相變體積變化太大，盡管其潛熱很大，還是限制了他們的用途。目前應(yīng)用較多的是液 — 固相變材料，而一些水和鹽更是有廣泛的應(yīng)用。水和鹽晶體在加熱熔化時(shí)首先失去結(jié)晶水，其鹽就隨之溶解形成液體，而當(dāng)這個(gè)溶液凝固時(shí)，就會(huì)放出熱量。 太陽能儲(chǔ)熱材料的分類：如下圖。 研究的內(nèi)容 將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兛梢灾苯永玫哪茉吹倪^程是多種多樣的。太陽能光熱轉(zhuǎn)換過程在不同的轉(zhuǎn)化環(huán)境和轉(zhuǎn)化 要求中對太陽能儲(chǔ)熱材料的要求是不同的。這儲(chǔ)熱材料 按儲(chǔ)能方式 顯熱儲(chǔ)熱（混凝土、太陽鹽等 ） 潛熱儲(chǔ)熱 化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱（氧化還原反應(yīng)等） 按相變溫度的范圍 按相變形式 按基體材料主要成份 固固相變（多元醇等） 固液相變（水和鹽等） 固氣相變 液氣相變 高溫 (100℃ )（無機(jī)鹽等） 中溫 (0～ 100℃ )（水和鹽等） 低溫 (0℃ )（） 無機(jī)類 有機(jī)類 復(fù)合類 11 就要求我們對種類繁多的太陽能儲(chǔ)熱材料根據(jù)它們各自的特點(diǎn)和性能進(jìn)行分門別類，同時(shí)對比它們在不同使用環(huán)境和不同使用要求下的適應(yīng)性，做出最優(yōu)化的選擇。 主要研究不同太陽能儲(chǔ)熱材料各自的特點(diǎn)和性能，以及不同的太陽能熱利用過程在使用環(huán)境和使用要求中對太陽能儲(chǔ)熱材料所提出的不同要求。通過對兩個(gè)方面的綜合分析和驗(yàn)證，達(dá)到在不同的利用過程中選擇最優(yōu)的太陽能儲(chǔ)熱材料。本文將太陽能儲(chǔ)熱材料按儲(chǔ)能方式分為顯熱儲(chǔ)熱材料、潛熱儲(chǔ)熱材料和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱材料，分別進(jìn)行論述。在顯熱儲(chǔ)熱中又分先熱液體和 顯熱固體儲(chǔ)熱材料進(jìn)行對比分析；將潛熱儲(chǔ)熱材料又分為常用的固 ——固相變材料和固 ——液相變材料，并舉例對其性能進(jìn)行對比和分析；將化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱材料按反應(yīng)式中的反應(yīng)物和反應(yīng)過程的特點(diǎn)分為無機(jī)氫氧化物的熱分解、碳酸化合物的分解、甲烷二氧化碳重整、金屬氫氧化物的分解、氨基熱化學(xué)儲(chǔ)能和氧化還原反應(yīng)儲(chǔ)熱，并對它們分別講述和分析。文章中對儲(chǔ)熱材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)做了詳細(xì)的論述，這也是本文的理論基礎(chǔ)。本文將太陽能儲(chǔ)熱材料在實(shí)際的應(yīng)用過程中的選擇標(biāo)準(zhǔn)做了分別討論。所有儲(chǔ)熱材料應(yīng)該滿足的基本性能要求、顯熱儲(chǔ)熱材料的重要參數(shù)、相變儲(chǔ)熱材料 的選擇標(biāo)準(zhǔn)和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱材料應(yīng)該滿足的性能要求。 12 第 2 章 顯熱儲(chǔ)熱材料 顯熱儲(chǔ)熱材料概述 顯熱儲(chǔ)熱材料主要是利用物質(zhì)的熱容量，通過溫度的升高或降低進(jìn)行能量的儲(chǔ)存和釋放。顯熱儲(chǔ)熱材料使用簡單安全，壽命較長且成本很低，但其缺點(diǎn)是儲(chǔ)熱密度較小，并且儲(chǔ)熱或放熱時(shí)不能恒溫。這種儲(chǔ)熱材料是人們開發(fā)利用最成熟的儲(chǔ)熱材料，最初的儲(chǔ)熱材料就是利用物質(zhì)的顯熱來儲(chǔ)存太陽能，如水、巖石和耐火泥等比熱較大的物質(zhì)都是較理想的顯熱儲(chǔ)熱材料，他們在維持地球溫度平衡、 熱水資源利用等方面起了很大的作用或得到廣泛的應(yīng)用。 流體儲(chǔ)熱中，水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，主要是用在居民的日常生活熱水，及冬季主要用于供暖；油作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，有用于粘油儲(chǔ)熱的太陽能油庫的采暖上；融巖儲(chǔ)熱主要用在航天器的太陽能儲(chǔ)熱上。固體儲(chǔ)熱已在鍋爐、電廠中得到應(yīng)用。鎂橄欖石 ( 2MgOSiO2 )，鐵橄欖石 (FeSO4)的比熱和容重較大，有較高的導(dǎo)熱系數(shù)， 適于作儲(chǔ)熱材料。巖石、小鵝卵石用于民用太陽能熱水器，儲(chǔ)熱溫度達(dá) 100℃ ；用于工業(yè)儲(chǔ)熱，溫度達(dá) 1000℃ 。 目前，引人注目的幾種顯熱儲(chǔ)熱材料：土壤、 太陽池、地下蓄水層、溫度分層型儲(chǔ)熱水槽、水泥、磚石及將 Li2O 與 Al2O TiO B2O ZrO2 等混合高溫?zé)Y(jié)成型的顯熱儲(chǔ)熱材料。 顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)是發(fā)展最早、最為成熟的技術(shù)，且其儲(chǔ)熱裝置運(yùn)行和管理也較為方便。顯熱儲(chǔ)熱材料分為固態(tài)和液態(tài)兩類。顯熱儲(chǔ)熱材料的重要參數(shù)包括：密度，比熱容，導(dǎo)熱率，熱擴(kuò)散率，運(yùn)行溫度，蒸汽壓力，穩(wěn)定性，兼容性，散熱系數(shù)和成本。 顯熱儲(chǔ)熱材料是指在儲(chǔ)熱過程中隨著溫度變化沒有相變發(fā)生的材料。單位體積儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱量可表示為 [3]： TcQ spss ???? ? （ 1）； 式中： sQ ：單位體積儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱量， J/m3； s? ：儲(chǔ)熱材料的密度， kg/m3； psc ：儲(chǔ)熱材料的比熱， J/(kgK)； T? ：儲(chǔ)熱材料溫度變化值， K； 給定物質(zhì)的顯熱儲(chǔ)熱能力主要取決于其密度和比熱。一種物質(zhì)在儲(chǔ)熱系統(tǒng)中發(fā)揮 13 其有用性，它一定要廉價(jià)，并有好的儲(chǔ)熱能力。顯然儲(chǔ)熱系統(tǒng)中另一個(gè)重要參數(shù)是能量被儲(chǔ)存和釋放的速度，這個(gè)特性是材料熱擴(kuò)散率的函數(shù)。 顯熱固體儲(chǔ)熱 固體介質(zhì)一般用于填充或制作為儲(chǔ)熱塊。儲(chǔ)熱塊一般由高溫混凝土或鑄造陶瓷和內(nèi)嵌的管道組成，固體材料作為 儲(chǔ)熱材料，液體材料作為換熱流體，通過管道進(jìn)行換熱。為了強(qiáng)化傳熱可以在管道外側(cè)加翅片。顯熱固體儲(chǔ)熱材料見表 對于固體材料，混凝土和陶瓷是研究較多的材料。鑄造陶瓷和高溫混凝土，這兩種材料都是由粘合劑，聚合物和少量輔助材料組成。高溫混凝土的粘合劑是由礦渣水泥組成，聚合物主要為氧化鐵 [4]。鑄造陶瓷的粘合劑含有 Al2O3，聚合物也為氧化鐵 。輔助材料是為了促進(jìn)混合材料的處理，可用于強(qiáng)化傳熱和降低粘度。 測試發(fā)現(xiàn)陶瓷和高溫混凝土都可作為合適的固體顯熱蓄熱材料。高溫混凝土更合格，因?yàn)樗鼉r(jià)格較低，強(qiáng)度較高，制作方法較簡單，而且，換熱管與混凝土之間性能沒有退化的現(xiàn)象。 顯熱液體儲(chǔ)熱 大量流體被測試來輸送熱能，包括水，空氣，油，鈉和熔融鹽等。熔融鹽是最佳顯熱液體儲(chǔ)熱材料，主要用于太陽能發(fā)電，因?yàn)槠湓诖髿鈮毫ο率且簯B(tài)的，是一種高效，價(jià)廉的儲(chǔ)熱介質(zhì)。礦物油和熔融鹽也是最常用儲(chǔ)熱介質(zhì)之一。 Solar Two 太陽能電站中成熟的采用了硝酸鈉和硝酸鉀 混合鹽作為傳熱和蓄熱材料 , 儲(chǔ)熱材料 溫度 (℃ ) 冷端 熱端 平均密度 (kg/m3) 平均體積比熱容 (kWh/m3) 平均熱導(dǎo)率 (W/mK) 平均熱容(KJ/KgK) 蓄熱成本 ($/kWht) 沙 巖石 礦物油 200 300 1700 60 加固混凝土 200 400 2200 100 1 氯化鈉（固體） 200 500 2160 150 2 鑄鐵 200 400 7200 160 32 鑄鋼 200 700 7800 450 60 耐火硅磚 200 700 1820 150 耐火鎂磚 200 1200 300