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1、 本文由yoga_jay贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 2007 国外建材科技 年 第 28 卷 第 5 期 太阳能热利用储能材料的研究 郭成州 ,黎锦清 ( 葛洲坝股份有限公司水泥厂 ,荆门 448032) 性能及其应用 。在实际应用中 ,储热材 摘 : 要 综述了目前国内外储热材料的研究现状 ,介绍了储热材料的分类 、 料节能效果明显 ,可降低运行费用 。 储热 ; 相变材料 ; 热能储存 ; 节能 关键词 : Research and Applications of Thermal Storage Materials GU O
2、Cheng2z hou , L I Ji ng2qi n ( The Cement Plant of Ge Zhou Ba , Jingmen 448032 , China) Abstract : This paper reviews t he progress of study and applications of t hermal storage materials at home and broad and describes t heir classifications and performance. The t hermal storage materials have rema
3、rkable energy - saving effect and can cut down t he expenditure when t hey are used. t phase change materials ; heat energy storage ; saving energy Key words : hermal storage ; 世纪 70 年代 ,全球爆发了 20 “能源危机”各国 , 都开始致力于新能源的开发和利用 。有关人士指 出 ,本世纪的能源开发应走多元化战略 ,大力开发水 电、 核能 、 太阳能 、 风能 、 生物能等再生资源 , 以减少 对石油 ,煤炭的依赖
4、 ,实现能源的可持续发展 。 与其他能源相比 , 太阳能具有如下若干明显的 1 优越性 : 1) 储量的 “无限性” 。太阳能每秒向太空放射的 能量约为 3. 8 023 kWh ,是目前全球能耗的数万 1 倍 。相对于常规能源储量来说 , 太阳能的储量几乎 是 “无限的” 取之不尽 、 , 用之不竭 。2 ) 存在的普遍 性 。相对于其它形式能源来说 , 太阳能对于地球上 绝大多数地区具有存在的普遍性 , 可就地取用 。这 就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供 了美好前景 。3 ) 利用的清洁性 。太阳能像风能 、 潮 汐能等其他洁净能源一样 ,其开发利用时 ,几乎不产 生任何二次污
5、染 。4) 开发的经济性 。在目前的技术 水平下 ,太阳能的开发利用不仅是可能的而且是可 行的 。随着科学技术的不断发展和突破 , 从中长期 角度看 ,太阳能的开发利用将具有显著的经济性 。 鉴于上述特性 , 太阳能必将在世界能源结构转 18 换中担纲重任 , 成为理想的替代能源 。目前全世界 都在研究太阳能热发电系统 , 由于太阳能对地球能 量的输送存在时间性 , 所以在太阳能热发电系统中 一个重大的难题便是如何在夜间和阴雨等无太阳直 接照射的情况下进行发电 。这就需要将太阳能用适 当的方式储存起来 ,再在适当的时候将其取出利用 。 目前最好的办法就是用太阳能直接加热传热媒体 , 在通过传热
6、媒体将热量传给储热容器 ; 在适当的时 候再由传热媒体将热量从储热容器中取出利用 , 进 行发电 。 目前应用最多的是熔融盐等相变材料进行储 224 热 ,其大多应用于低温的建筑领域 , 而作为高温 使用时 ,尤其是作为热发电用时 , 有一个致命的缺 点 ,即熔融盐等相变材料对热交换管道和储热容器 有着极强的腐蚀性 , 这就缩短了材料的使用寿命和 电厂运行成本 。为解决这个问题 ,美国 、 德国和西班 牙等国均在研究其他储热方式 , 如改性混凝土储热 529 研究 ,希望能降低发电厂的发电成本 。本文对储 热材料进行阐述 , 对高温用热发电用的新型混凝土 的应用进行展望 。 2007 国外建材
7、科技 年 第 28 卷 第 5 期 1 储热材料研究现状及分析 储热技术是提高能源利用效率和保护环境的重 要技术 ,可用于解决热能供给与需求之间的配给矛 盾 ,在太阳能利用 、 电力的 “移峰填谷” 废热和余热 、 的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领 域具有广泛的应用前景 , 目前已成为世界范围内的 10212 研究热点 。 现行的储热方式主要有 : 显热 ,潜热 ( 相变) 和化 学反应热储热 3 种方式 。显热储热技术发展最早 、 最为成熟储热装置的运行和管理也较为方便 ; 潜热 储热密度较高 ,而且储 、 放热过程近似等温 , 特别是 13217 固液相变储热 , 储热系统效率
8、较高 , 体积较小 ; 化学储热是利用可逆化学反应的反应热来进行储热 的 ,这种储热方式虽然具有储热密度大等独特优点 , 但技术复杂并且使用不便 ,对系统及设备要求较高 , 13 目前仅在少数领域受到重视 。 目前 ,化学储热主要用在蓄电池上 。蓄电池作 为一种储热设备 , 具有电压稳定 、 供电可靠 、 移动方 便等优点 ,应用前景非常广阔 : 在供电系统 , 交通工 另一方面 ,潜热蓄热作为发展中的技术 ,由于自身的 几项操作上的优点最近已被发现有很好的前景 。 1. 1 储热材料的性能要求 根据储热材料的使用特点 ,无论它属于哪一类 , 材料 熔点 0 ( cm 密度 g? - 3 )
9、1. 0 3. 0 一般都要满足以下几点要求 : 1) 储热密度大 : 对显热储热材料要求材料的热 容大 ; 对潜热储热材料要求相变潜热大 ; 对于化学反 应储热材料要求反应的热效应大 。 2) 稳定性好 : 对单组分材料要求不易挥发和分 解 ; 对多组分材料 , 要求各组分间结合牢固 , 不能发 生离析现象 。 3) 无毒 、 无腐蚀 、 不易燃易爆 ,且价格低廉 。 4) 导热系数大 ,能量可以及时的储存或取出 。 5) 不同状态间转化时 ,材料体积变化要小 。 6) 合适的使用温度 。 1. 2 储热材料的分类 如前所述 , 又可根据储热过程不同将储热材料 分为显热储热材料 ,相变材料
10、、 化学反应储热材料 3 大类 。其中 ,相变材料包括 : 固2液相变 、 液2气相变 、 固2气相变和固2固相变材料 4 类 。 1. 2. 1 显热式储热材料 显热储热材料主要是利用物质的热容量 , 通过 温度的升高或降低进行能量的储存和释放 。显热储 热材料使用简单安全 ,寿命较长且成本很低 ,但其缺 点是储热密度较小 , 并且储热或放热时不能恒温 。 这种储热材料式人们开发利用最成熟的储热材料 , 最初的储热材料就是利用物质的显热来储存太阳 能 ,如水 、 岩石和耐火泥等比热较大的物质都是较理 想的显热储热材料 ,他们在维持地球温度平衡 、 热水 资源利用等方面起了很大的作用或得到广泛
11、的应 用 。表 1 给出了几种显热储热材料的热物性能参 数。 具 ,航天 ,通讯设备 ,电子产品上使用的比较多 ,在建 筑采暖上并没有作为热源的先例 。 考虑到当今的不同应用 ,就像供暖和热水生产 , 显热和潜热蓄热是蓄热的两大主要蓄热技术 。水和 13 岩石的显热蓄热目前处于一个高度发达的阶段 。 表1 显热储热材料的热物性能 ( ( K 比热 J ?g? ) 4. 18 1. 0 - 1 ) ( ( 导热系数 W?m? ) K 0. 57 4. 56. 0 1. 55. 0 1. 01. 5 - 1 ) ( 容积热容量 kJ ? - 3 ? - 1 ) m K 4 010 3 000 1
12、6002 300 2 350 水 ( 1 atm) MgO ( 90 %) 1 700 - 岩石 1. 92. 6 2. 12. 6 0. 8 - 0. 9 1. 0 耐火泥 目前 ,引人注目的几种显热储热材料 : 太阳池 、 土壤 、 地下蓄水层 、 温度分层型储热水槽 、 、 砖石 水泥 及将 Li2 O 与 Al2 O3 、 2 、 2 O5 、 2 等混合高温 TiO B ZrO 烧结成型的显热储热材料 。 流体储热中 ,水作为储热介质 ,主要是用在居民 的日常生活热水 ,及冬季主要用于供暖 ; 油作为储热 介质 ,有用于粘油储热的太阳能油库的采暖上 ; 融岩 储热主要用在航天器的太阳
13、能储热上 。 固体储热已在锅炉 、 电厂中得到应用 。镁橄榄 石 ( 2MgO ? 2 ) , 铁橄榄石 ( FeSO4 ) 的比热和容重 SiO 较大 , 有较高的导热系数 , 适于作储热材料 。岩石 、 小鹅卵石用于民用太阳能热水器 , 储热温度达 100 ; 用于工业储热 ,温度达 1 000 。 1. 2. 2 相变式储热材料 相变材料与显热储热材料相比 , 它的储热密度 至少高出一个数量级 , 能够通过相变在恒温条件下 19 2007 国外建材科技 年 第 28 卷 第 5 期 吸收或释放大量的热能 ,它也能储存显热 ,但因温度 变化小 ,这部分显热与相变潜热相比是很小的 。相 变材
14、料有固2液相变 、 液2气相变 、 固2气相变和固2固 相变材料 4 大类 , 但是由于液2气和固2气相变过程 中有着大量气体产生 ,体积变化很大 ,对容器的要求 很高 ,故在实际中应用很少 。固2液和固2固相变材 料式目前研究最多 。最广 , 也是最成熟的两大类储 热材料 。 1) 固2液相变材料 固2液相变材料主要包括水和盐 、 无机盐 、 金属 或合金 、 部分有机物等 。 ( 1) 水和盐 它的使用温度一般在 100 以下 (见表 2) , 式中低温相变材料中目前较为广泛的一 类 。无机水和盐具有较高的潜热和较大的体积储热 密度 、 固定的熔点 ( 实际是结晶水脱出的温度 , 脱出 结
15、晶水是盐溶解而吸热 , 降温时发生逆过程吸收结 晶水放热) 、 良好的导热性能 、 无毒性 ,且大多式化工 副产品 ,价廉易得 。其缺点是过冷度大 、 易发生晶液 分离和热性能的严重衰减等 。解决过冷度的方法主 要有 : 加微粒结构与盐类结晶物类似的成核剂 、 搅拌 法、 冷指法等 ; 解决晶液分离的方法有 : 搅拌法 、 浅盘 容器法 ,增稠 ( 悬浮) 剂法 、 额外水法等 。 (2) 无机盐 这是一类使用温度较高的相变材 料 ,从 1001 000 以上 ,其相变潜热很高 ,特别是 Li 、 、 等第一主族元素的化合物 , 潜热最高可超 Na K 过 1 000 kJ ( 见表 3 ) , 但是锂盐的价格很昂贵 。 kg 具有高性价比的无机盐有 NaCl 、 、 、 2 SO4 、 NaF KCl Na Na2 CO3 等 。另外 , 可以根据需要将各种无机盐制 成混合盐或共晶盐 , 得到所需温度的高储热密度相 变材料 。无机盐固2液相
