儲熱技術在太陽能工程領域的應用研究

薛浩

【摘 要】太陽能光熱利用離不開儲熱技術。儲熱系統作為太陽能利用核心子系統之一，其造價占整個工程造價的20%～25%。由此可見，太陽能光熱利用系統的成敗很大一部分取決于儲熱子系統的成敗。因此，儲熱技術一直是太陽能光熱利用領域的研究熱點。本文對儲熱技術在太陽能工程領域的應用進行了分析。

【關鍵詞】儲熱技術;太陽能工程;應用

太陽能工程建設是新能源開發利用的具體體現，是解決能源和環境問題的重要手段。在太陽能工程建設過程中，要確保太陽能利用質量及效率的有效提升，提高能源利用的安全性、穩定性和連續性，必須明確儲熱技術應用的重要性，加強太陽能儲熱技術的研究，從而為太陽能工程的可持續發展打下良好的技術基礎。

一、儲熱技術分類

1、顯熱儲熱技術。顯熱儲熱技術是儲熱系統技術的重要組成部分。它是一種根據材料本身的性質來儲存和釋放熱能的儲熱方式。與其它儲熱技術相比，具有成本低、技術成熟等優勢。當前，太陽能工程領域大多廣泛采用水箱儲熱、埋管儲熱、高溫混凝土儲熱等顯熱儲熱技術。

就水箱儲熱技術而言，水作為主要儲熱介質來收集、儲存和傳遞熱能。比如，在太陽能冬季取暖系統的建設過程中，利用太陽能集熱器在白天收集和儲存多余的太陽能熱量，而在夜晚通過太陽能供熱系統中中央控制器的自動控制，合理釋放太陽能集熱器中儲存的熱能，從而滿足室內全天供暖的供應需求。

就埋管儲熱技術而言，土壤和巖石等為主要的儲熱介質。與水箱儲存技術相比，埋管儲熱技術具有較大的等效儲熱體積，約為水箱儲熱技術的3～5倍，并且系統建設成本相對較低。但因埋管儲熱技術對地質類型的要求較高，在實際應用過程中應做好地質調查和分析工作，以提高技術應用的適用性和合理性。當前，在太陽能工程領域，埋管儲熱技術應用的典型代表是“德雷克太陽能社區工程”。社區建設過程中配置了多個豎直埋管換熱器，并與太陽能集熱器相結合，能滿足社區90%以上的冬季供熱需求。

2、熱化學儲熱技術。熱化學儲熱技術是一種基于化學反應原理的熱能存儲技術。根據化學反應的類型，熱化學儲熱技術可分為“熱化學吸附儲熱技術”、“熱化學吸收儲熱技術”和“熱化學反應儲熱技術”等類型。目前已形成并廣泛應用的熱化學儲熱系統主要有“金屬氫化物分解儲熱系統”、“水合鹽熱分解儲熱系統”、“氨水吸收儲熱系統”、“強酸溶液吸收儲熱系統”、“強堿溶液吸收儲熱系統”等。而在太陽能工程領域，熱化學儲熱技術應用的典型代表主要是建筑太陽能采暖工程和太陽能熱發電工程。

3、潛熱儲熱技術。潛熱儲熱技術廣泛應用于太陽能工程領域，其基本原理是儲熱材料的相變原理，即材料在相變過程中吸收或釋放一定的熱能。因此，潛熱儲熱技術又稱為“相變儲熱技術”。與顯熱儲熱技術相比，潛熱儲熱技術具有較高的儲熱密度和相對緊湊的結構、熱能存儲量大、系統質量輕、控溫效果強等優勢。隨著潛熱儲熱技術理論和實踐研究的不斷深入，該技術已成為綠色建筑太陽能供熱的核心技術。此外，根據綠色建筑節能環保的要求，在建筑采暖工程建設過程中，采用儲熱技術設計構建太陽能采暖系統，以提高太陽能利用率，從而滿足建筑冬季供暖需求。在此過程中，根據建設項目的施工要求和建設項目所在地的氣候特點，設計人員將潛熱儲熱技術與顯熱儲熱技術相結合，構建了相變儲熱系統。一方面，將相變材料與建筑材料有機結合，提高建筑圍護結構的保溫能力;另一方面，利用太陽能集熱器，在陽光充足的位置構建太陽能暖廊，并將收集到的熱能儲存在相變儲熱器中，余熱作為熱泵系統的熱源。

二、常見的太陽能儲熱技水

1、固體顯熱儲熱。德國航空航天研究中心（DLR）已開發出耐高溫混凝土及鑄造陶瓷等固體儲熱系統，它由儲熱材料、高溫傳熱流體及嵌入固體材料的圓管換熱管組成。在儲熱階段，熱流體沿換熱管流動，將高溫熱能傳遞到儲熱材料中。在放熱階段，冷流體反向流動，從儲熱材料中吸收熱能用于發電。另外，混凝土儲熱裝置造價低，配置靈活，操作簡便。混凝土的主要原料是沙子與礫石，在沙漠地區幾乎可免費獲取，這種混凝土儲熱裝置值得開發和推廣。

2、液體顯熱儲熱。當前常用的液體儲熱介質有各種熔鹽、礦物油、導熱油、液態金屬及水等。熔鹽具有良好的儲熱傳熱性能，其工作溫度與高溫高壓蒸汽輪機相匹配，在常壓下是液態，不易燃燒、無毒性，且成本低，更適合于高溫太陽能光熱發電。目前應用廣泛的熔鹽主要是二元熔鹽與三元熔鹽。

1）單罐儲熱系統。單罐熔鹽儲熱系統是指作為儲熱介質的冷、熱流體均儲存在一個單罐中，在儲熱或放熱過程中，冷、熱流體相互接觸，在接觸區形成一個溫度斜溫層，斜溫層以上的流體保持高溫，斜溫層以下的流體保持低溫。在系統的蓄放熱過程中，冷流體由罐底的低溫泵抽出，經外部換熱器加熱后，從罐的頂部進入罐內，或熱流體由罐頂的高溫泵抽出，由外部換熱器冷卻后，從罐底進入罐內。隨著換熱過程的進行，斜溫層會上下移動，抽出的流體可保持恒溫。為了縮短斜溫層距離，防止冷熱流體的對流混合，增加儲熱量，將石英砂等材料灌入罐內，以增加斜溫層效應。單罐熔鹽儲熱系統比雙罐熔鹽儲熱系統節省投資約35%。

德國DLR正在開發一種新的單罐儲熱方法，其原理是利用可活動的機械壁將一個罐分成兩部分，分別存放高溫熔鹽及低溫熔鹽。在儲熱過程中，高溫熔鹽進入單罐高溫部分，增加了高溫熔鹽的體積，促進了分隔壁面移動，使低溫熔鹽流出儲熱罐，從而使低溫熔鹽體積減小，但整個儲熱罐的熔鹽體積不變。由于分離界面的存在，冷熱熔鹽的熱損失小于斜溫層單罐儲熱，其結構與控制過程更為簡單。

2）雙罐儲熱系統。雙罐熔鹽儲熱系統是指由兩個蓄熱罐、一個高溫儲熱罐和一個低溫儲熱罐組成的太陽能光熱發電系統。按儲熱方式可分為直接儲熱系統及間接儲熱系統。間接儲熱系統通常采用導熱油作為傳熱介質，熔鹽作為儲熱介質。傳熱介質與儲熱介質間設有油鹽換熱器，工作溫度不超過400℃。其缺點是傳熱介質與儲熱介質間的換熱是通過換熱器進行的，導致間接換熱損失。

在直接儲熱系統中，傳熱流體既是傳熱介質又是儲熱介質，不存在油鹽換熱器，適用于400～500℃的高溫條件，使朗肯循環的發電效率達到40%。對管道平面布置的槽式太陽能光熱發電系統，必須采用伴熱的方法防止熔鹽傳熱介質的凍結。塔式太陽能光熱發電系統的管網大多豎直布置在塔內，其工作溫度高于槽式系統，傳熱介質易于排出，因此，采用直接儲熱的雙罐熔鹽儲熱系統是塔式系統的較好選擇。

3）水-水蒸汽儲熱系統。在太陽能光熱發電系統中，水直接作為傳熱與儲熱介質，具有比熱容大、導熱系數高、無毒、無腐蝕性、便于儲運等優點。在系統中加入蒸汽儲熱器，能將多余的水蒸汽轉化為體積熱容大的水來儲熱，以保持系統壓力在穩定工作范圍內，具有較少的反應時間、較高的放熱速率。

作為一種直接蒸汽儲熱發電系統，它是最有希望降低成本的途徑之一。但直接蒸汽儲熱發電系統存在高溫高壓問題，水蒸氣臨界壓力為22.129MPa，臨界溫度為374.15℃，當水溫高于臨界溫度時，過熱水蒸氣壓力較高，這對熱傳輸系統的耐壓性能提出了較高的要求。

三、結語

綜上所述，自儲能技術提出以來，儲能技術以其在儲能方面的優勢，引起了各個領域和各行業的廣泛關注。它已成為緩解能源壓力、提高能源（以太陽能為主）利用率的關鍵技術，并且在一定程度上克服了空間與時間對太陽能源利用的制約。

參考文獻：

[1]邵繼新.相變儲熱在太陽能采暖中的應用研究[J].節能技術，2018（05）.

（作者單位：金亨新能源有限公司）