第三講太陽能熱儲存方式

第三講太陽能熱儲存方式第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月顯熱蓄熱：利用儲熱介質(zhì)的熱容量進行蓄熱，把已經(jīng)過高溫或低溫變換的熱能貯存起來加以利用，具有化學(xué)和機械穩(wěn)定性好、安全性好、傳熱性能好，但單位體積的蓄熱量較小，很難保持在一定溫度下進行吸熱和放熱。潛熱蓄熱：利用相變材料(PCM)相變時單位質(zhì)量（體積）的潛熱蓄熱量非常大的特點，把熱量貯存起來加以利用。一般具有單位重量（體積）蓄熱量大、在相變溫度附近的溫度范圍內(nèi)使用時可保持在一定溫度下進行吸熱和放熱、化學(xué)穩(wěn)定性好和安全性好，但相變時液固兩相界面處的熱傳導(dǎo)效果較差。儲熱方式顯熱儲熱、潛熱儲熱、化學(xué)儲熱第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月不同狀態(tài)下水的顯熱與相變潛熱比較第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月熱水顯熱儲存系統(tǒng)的儲熱量計算公式例題儲水箱內(nèi)儲存有500kg溫度為50℃的水，該儲存水由溫度為20℃的自來水吸收太陽能而得，問總儲熱量？m－總水量(kg)－水的比熱容(kJ/kg.℃)4.18kJ/kg.℃－水的溫度差(℃)Q=500×4.18×(50-20)第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月典型太陽熱水系統(tǒng)示意圖第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月其它固體顯熱儲熱系統(tǒng)：水的單位質(zhì)量的熱容量相當(dāng)高，1kg水可儲存4.18kJ/℃的熱能，金屬銅、鐵、鋁分別為3.73，3.64，2.64kJ/℃，固體巖石約為1.7kJ/℃。固體儲熱裝置——見教材p136圖第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月相變儲熱（潛熱儲熱）潛熱儲熱（LatentThermalEnergyStorage，LTES）或稱相變儲能，它是利用物質(zhì)在物態(tài)變化（固-液、固-固或汽-液）時，單位質(zhì)量（體積）潛熱蓄熱量非常大的特點把熱能儲存起來加以利用。相變材料（PhaseChangeMaterial，PCM）利用潛熱蓄放熱的這類物質(zhì)我們稱它們?yōu)橄嘧儍δ懿牧?。相變儲能技術(shù)（phasechangeenergystoragetechnology)采用相變儲熱方式，利用特定的裝置，將暫時不用或多余的熱能通過相變材料儲存起來，需要時再利用的方法稱為相變儲能技術(shù)。相變材料按相變方式一般可分為以下四類：1.固-固相變材料；2.固-液相變（熔化、凝固）材料；3.液-汽相變（汽化、液化）材料；4.固-氣相變（升華、凝聚）材料。一般說來，從1到4相變潛熱逐漸增大。但由于第3類和第4類相變過程中有大量氣體，相變時物質(zhì)的體積變化很大，因此盡管這兩類相變過程中相變潛熱很大，但在實際應(yīng)用中很少被選用。

第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月無機水合鹽熔點（℃）潛熱（J/g）密度（g/cm3）比熱(J/g﹒K)固液固液KF·4H2O18.5231.01.451.451.842.39Na2CO3·10H2O332471.46－1.883.34Na2S2O3·5H2O~502011.751.671.482.41NaOAc·3H2O58.52261.451.282.79－NH4Al(SO4)2·12H2O94.52591.64－1.7063.05Na2SO4·10H2O32.42541.48－－－CaCl2·6H2O29.61741.801.49－－表1部分常用無機水合鹽相變材料的熱物性能Table1Thethermo-physicalperformancesofsomesalt-hydrate第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月表2部分單元熔融無機鹽相變儲能材料的熱物性能Table2Thethermo-physicalperformancesofsomesingleinorganicsalts

相變材料熔點(℃)密度（g/cm3）比熱(固)(J/g﹒K)潛熱（J/g）LiF8482.2951.5361035NaF9952.5581.114789NaCl8912.1650.839486Na2SO48842.7790.958169.5KCl7761.9840.681346Na2CO3858285MgCl2715454Ca(NO3)2561130第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月表3部分共晶混合鹽相變儲能材料熱物性能Table3Thethermo-physicalperformancesofsomeinorganiceutecticssalts相變材料（wt%）熔點Tm(℃)潛熱(J/g)導(dǎo)熱系數(shù)（W/m.K）32Li2CO3/33Na2CO3/35K2CO3397276.5-23.5Li2CO3/76.5CaCO3498316.1-47.8Na2CO3/52.2Ba2CO3686172-75NaF/25MgF28326504.6667LiF/33MgF2746947-65NaF/23CaF2/12MgF2745574-33.4LiF/49.5NaF/17.1MgF26508601.1546LiF/44NaF/10MgF26328581.244Li2CO3/56Na2CO34963682.1150NaCl/50MgCl24504250.9623NaCl/63MgCl2/14KCl3854610.95第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月表4部分金屬及其合金相變儲能材料的熱物性能Table4Thethermo-physicalperformancesofsomemetal(alloys)相變材料熔點Tm(℃)潛熱(J/g)導(dǎo)熱系數(shù)(W/m.K)Al661400204.2Al/Si579515180Al/Si/Mg560545200Mg649368131第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月表5部分有機相變儲能材料的熱物性Table5Thermo-physicalperformancesofsomeorganicphasechangematerials相變材料熔點(℃)密度（g/cm3）潛熱(J/g)導(dǎo)熱系數(shù)(W/m.K)石蠟-12-75.90.750－0.782(70℃)225.7－267.50.012-0.016癸酸31.50.886(40℃)1530.149棕櫚酸62.50.847(80℃)1870.165(70℃)硬脂酸70.70.941(40℃)2030.172(70℃)第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月表6幾種多元醇的熱性能Table6Thethermo-physicalperformancesofsomepolyhydricalcohols相變材料分子中羥基數(shù)（個）轉(zhuǎn)變溫度（℃）比熱容(J/g﹒K)轉(zhuǎn)變焓(J/g)熔點(℃)密度(g/cm3)PE41882.843232601.333PG3812.751931981.193NPG2431.761311261.046第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月表7部分層狀鈣鈦礦的熱物性Table7Thethermo-physicalperformancesofsomeperoviskite相變材料轉(zhuǎn)變溫度(℃)C12Mn32732942.28(C),46.3(H)3.75129.30(C),140.70(H)11.40C12Co33736119.32(C),53.29(H)33.9857.33(C),151.46(H)94.13C10Mn30636.17118.20C10Co35138.49109.66第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月表8部分固－液復(fù)合定形相變儲能材料的熱物性Table8Thethermo-physicalperformancesofsomesolid-liquidPCMs復(fù)合定形相變材料PCM含量（wt%）相變溫度(℃)相變焓(J/g)石蠟/高密度聚乙烯7558160石蠟/SBS40－8056－5881.63－165.2硬脂酸/SiO29.8－4749－6225.68－196.8月桂酸－硬脂酸/SiO25633.2792.9第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月高溫儲熱體

如何充分利用固體顯熱蓄熱材料和潛熱蓄熱材料兩者的優(yōu)點，盡量克服兩者的不足去開發(fā)新型的高性能復(fù)合蓄熱材料，是當(dāng)今蓄熱材料研究開發(fā)的重點課題。我們實驗室多年從事無機鹽/陶瓷基復(fù)合相變儲能材料的研制工作，并成功地開發(fā)出兩種新的制備技術(shù)和方法：混合燒結(jié)法和熔融浸滲法。

采用自發(fā)熔融浸滲法制備出的無機鹽/陶瓷基復(fù)合相變儲能材料第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月我所做的工作之二:微米級多孔陶瓷預(yù)制體的制備與表征主晶相為A3號未燒結(jié)預(yù)制體斷口SEM照片×500A3號預(yù)制體斷口SEM照片×500石英少量方石英第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月我所做的工作之五：性能研究儲能密度、相變溫度和相變潛熱

A1、B4、C3、D5號試樣的DSC曲線第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月Table9Comparisonofperformancesundertwodifferenttechniques性能指標(biāo)混合燒結(jié)工藝自發(fā)熔融浸滲工藝備注Na2SO4的百分含量（wt%）20～5042～54/體積密度（g/cm3）1.9～2.12.3～2.6/相變溫度（℃）880～885880～883/相變潛熱（kJ/kg）35.65～83.7376.4～92.67/儲能密度（kJ/kg）190～210220～240ΔT=100℃比熱容（kJ/kg.K）1.32～1.431.45～1.54800～900℃熱擴散率（×100cm2/s）0.40.35800～900℃導(dǎo)熱系數(shù)（W/m.K）1.01～1.151.15～1.35800～900℃高溫抗壓強度（Mpa）4.3～8.65.1～12.5950℃熱膨脹系數(shù)(×10-6/℃)/32900℃平均值抗熱震溫度（℃）1000以上1000以上/表面結(jié)霜現(xiàn)象有無放置一年以上

兩種制備工藝所制備出的無機鹽/陶瓷基復(fù)合相變儲能材料的熱物理性能第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月電熱相變儲能熱水熱風(fēng)聯(lián)供裝置（鍋爐）和系統(tǒng)照片

電熱相變儲能熱水熱風(fēng)聯(lián)供裝置（常壓鍋爐）

電熱相變儲能熱水熱風(fēng)聯(lián)供裝置和系統(tǒng)

電熱相變儲能熱風(fēng)和熱水熱風(fēng)聯(lián)供兩套系統(tǒng)裝置和系統(tǒng)的供熱和計算機監(jiān)控設(shè)備

第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月對固體顯熱蓄熱材料來說，其單位質(zhì)量的儲能密度的計算式可以用下式來表示：對于潛熱蓄熱材料來說，其單位質(zhì)量的蓄熱密度的計算式可以用下式表示：例題工程性質(zhì)的計算公式見教材P138相變材料Na2SO4.10H2O的Cs為1950J/kg.℃，Cl=3350J/kg.℃，相變潛熱＝2.43×105J/kg.℃，相變溫度＝34℃，假設(shè)該相變材料由25℃升高到50℃，求儲存的總熱量。第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)熱儲存：實際上就是利用儲熱材料相接觸時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而通過化學(xué)能與熱能的轉(zhuǎn)換把熱能貯藏起來。化學(xué)反應(yīng)儲能是一種高能量高密度的儲能方式，它的儲能密度一般都高于顯熱和潛熱儲存，而且此種儲能體系通過催化劑或產(chǎn)物分離方法極易用于長期能量儲存，但其在實際使用時存在技術(shù)復(fù)雜、一次性投資大及整體效率不高等缺點?；瘜W(xué)儲能是一門嶄新的科學(xué),目前仍沒能得到廣泛應(yīng)用，今后在這一方面應(yīng)致力于選擇和研究優(yōu)良的反應(yīng)材料(主要包括結(jié)晶水合物和復(fù)合材料),克服各自的不足,逐步走向?qū)嶋H工程應(yīng)用發(fā)展。化學(xué)儲熱第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月選擇化學(xué)儲能材料的標(biāo)準(zhǔn):①材料的反應(yīng)熱要求反應(yīng)熱效應(yīng)大;②反應(yīng)溫度合適;③無毒、無腐蝕,不易燃易爆;④價格低廉;⑤反應(yīng)不產(chǎn)生副產(chǎn)品;⑥可逆化學(xué)反應(yīng)速率要適當(dāng),以便于能量存入與取出;⑦反應(yīng)時材料的體積變化要小;⑧對相關(guān)結(jié)構(gòu)材料無腐蝕性。第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)儲能材料的種類及其儲能原理：1.結(jié)晶水合物結(jié)晶水合物蓄熱是在低于其熔點的溫度下，使水合鹽全部或部分脫去其結(jié)晶水，利用在脫水過程中吸收的水合熱來實現(xiàn)熱量的儲存當(dāng)需要回收熱量時，把脫去的水與脫水鹽接觸即可實現(xiàn)例如類似的化學(xué)儲熱體系還有MgCl2-H2O、H2SO4-H2O、NH4Al(SO4)·12H2O等，在許多情況下，這種水合熱比溶解熱高很多。第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2.無機氫氧化物無機氫氧化物的脫水反應(yīng)也可用來儲存熱量。如：Mg(OH)2+熱＝MgO+H2O脫水溫度范圍為375℃左右。又如：Ca(OH)2+熱＝CaO+H2O脫水溫度范圍為550℃左右。放熱：只需加水就可取出儲存的能量。但由于無機氫