太陽能系統的蓄熱技術綜述

〔摘 要〕蓄熱、蓄能是發展太陽能系統的關鍵技術問題。針對太陽能具有的稀薄性、間歇性和不可靠性，介紹了短期蓄熱、季節性蓄熱、顯熱蓄熱、化學反應蓄熱、相變蓄熱等幾種太陽能蓄熱技術，分析了國內外對蓄熱技術的研究現狀。分析認為，相變材料的導熱率和相變蓄熱技術的應用成本是未來相關研究的主要方向。

〔關鍵詞〕太陽能；蓄熱技術；相變蓄熱

中圖分類號：TK519 " 文獻標志碼：Ｂ 文章編號：1004-4345（2023）0６-0026-0４

Ｏverview of Thermal Storage Technology for Solar Energy System

TANG Jinhua

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" Heat storage and energy storage are key technical issues in the development of solar energy system. Several solar energy storage technologies， including short-term heat storage， seasonal heat storage， sensible heat storage， chemical reaction heat storage， and phase change heat storage， are introduced to address the scarcity， intermittency， and unreliability of solar energy. The paper analyzes the research status of heat storage technologies at home and abroad. Analysis shows that the thermal conductivity of phase change materials and the application cost of phase change heat storage technology are the main directions for the corresponding researches in the future.

Keywords" "solar energy; thermal storage technology; phase change heat storage

0" "前言

隨著我國社會經濟的發展，能源緊張和環境問題日益突出。如何更好地開發利用清潔的可再生能源是緩解能源緊張和減少環境污染問題的重要途徑。眾所周知，我國地處北半球歐亞大陸的東部，幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源，大部分地區每年日照時數大約在2 000 h以上。根據全國700個氣象臺站長期實測積累的數據資料表明，我國陸地表面每年接收的太陽能輻射能約為5.0×1019 kJ，全國各地太陽年輻射總量達3 340～8 400 MJ/（m2·a）[1]。

雖然我國有著十分豐富的太陽資源，但是太陽輻射熱量隨季節、晝夜變化很大，同時還受到陰晴云雨等隨機因素的強烈影響，故太陽輻射熱量具有很大的不穩定性。要利用太陽能，必須解決太陽能的間歇性和不可靠性問題。在太陽能利用系統中設置蓄熱裝置是解決上述問題的最有效的方法之一。蓄能可以緩解能量供求雙方在時間、強度以及空間上的不匹配，是合理利用能源及減輕環境污染的有效途徑，也是廣義熱能系統優化運行的重要手段。因此，在太陽能利用研究中蓄能問題占有特別重要的地位[2]。目前，太陽能系統中常用的蓄熱方式按蓄熱時間的長短分為短期蓄熱、季節性蓄熱；按蓄熱介質分為可逆化學反應蓄熱、顯熱式蓄熱、潛熱式蓄熱。本文擬針對太陽能蓄熱技術進行綜述分析。

1" "太陽能蓄熱技術的分類及特點

太陽能是巨大的能源寶庫，具有清潔無污染、取用方便的特點，但到達地球表面的太陽輻射具有顯著的稀薄性、間斷性和不穩定性。為了保持供熱或供電裝置穩定不間斷地運行，太陽能蓄熱技術以蓄熱材料為媒介將太陽能光熱儲存起來，在太陽能不足時再釋放出來，從而滿足生產和生活用能連續和穩定供應的需要，最大限度地提高太陽能利用率。

1.1" 短期蓄熱

短期蓄熱一般是為了實現當日太陽集熱量的晝夜轉移，通常采用水作為熱媒，大多采用蓄熱水箱。短期蓄熱，其蓄熱量只滿足1～2 d供熱需要。短期蓄熱裝置體積較小，投資小，在太陽能供熱系統中應用十分廣泛。

1.2" 季節性蓄熱

季節性蓄熱是將夏、秋季豐富的太陽能轉化為熱能蓄存起來，到冬季時再使用，以達到跨季節熱量調節的目的。相比短期蓄熱，蓄熱容量較大，可利用的太陽能大幅增加，但投資很大，應用遠不如短期蓄熱廣泛和成熟。

季節性蓄熱主要有熱水蓄熱（Hot-water heat store）、砂礫—水蓄熱（Gravel－water heat store） 、地埋管蓄熱（Duct heat store）、地下含水層蓄熱（Aquifer heat store），其中熱水蓄熱應用最為廣泛。

1.3" 顯熱蓄熱

顯熱蓄能就是把物質因溫度變化而產生的顯熱貯存起來。顯熱蓄能時，蓄能材料在蓄存和釋放熱能時，只有材料自身發生溫度的變化。這種蓄能方式簡單、成本低，是目前較成熟的蓄能技術。但其儲能密度低，儲熱裝置體積龐大，在釋放熱能時溫度持續變化，要想溫度定值輸出必須采用溫控裝置。而且該蓄熱方式要求蓄熱介質有較高的比熱、長期的熱循環穩定性、與污染物較好的共存性等。根據蓄能介質的不同，可以分為液體介質蓄熱和固體介質蓄熱。

1） 液體介質蓄熱。

水蓄能的蓄熱性能最佳，而且水的資源豐富、價格便宜、黏度很低、無腐蝕性，幾乎不需要花費代價，在工業上應用極為廣泛。但其缺點也十分明顯，因為水的蒸汽壓力較高，在高溫應用中必須為容器的絕熱和耐壓花費大量成本。

水的常見蓄能替代物還有石油提純油和熔鹽。就蓄能能力而言，它們只有水的25%～40%，但較低的蒸汽壓力和超過300 ℃的工作溫度使它們也有著較高的應用價值。為了安全和穩定起見，油的工作溫度一般不宜超過350 ℃。一些無機鹽的熔融混合物可在高溫800 ℃左右工作，但其強烈的腐蝕性應該給予足夠的考慮。液體金屬也可以用于蓄能。

2） 固體介質蓄熱。

與液體蓄能相比，固體蓄能[1]的優勢在于：蓄能物質不會發生凝固或沸騰之類的相變現象，消除了液體蓄能中諸如蒸汽壓力、易燃易爆、腐蝕性等不利因素，消除了容器泄漏的可能。

石塊、金屬、混凝土、砂子和磚塊等均可用于低溫或高溫蓄能。蓄能能力最好的固體物質當屬生鐵，但相對于石塊、磚瓦而言較高的成本是其難以得到廣泛推廣的原因。

巖石是除水以外應用最廣的顯熱蓄熱物質。巖石成本低廉，易于取得。雖然巖石的比熱只有水的四分之一，但密度大約是水的兩倍半。在體積相同的時候，巖石的蓄熱能力大約是水的一半多一些。

黏土的熱容量相對巖石來說比較高，導熱系數比巖石低，較適合于蓄熱。但是，黏土蓄熱會降低土壤的抗剪強度，從而可能產生地面下沉，并且蓄熱溫度一般要限制在20～40 ℃。所以，黏土蓄熱屬于低溫蓄熱，需要熱泵來提升溫度。

1.4" 化學反應蓄熱

化學反應蓄熱是利用蓄熱材料相互接觸時發生可逆的化學反應來蓄熱和放熱。例如，正反應吸熱，熱被蓄存起來；逆反應放熱，則熱被釋放出去。化學蓄熱系統具有不少潛在的優點，例如：能量密度高；反應物可以在環境溫度下存放；有可能將熱能存貯很長的時間；也可能在日照充足的地區生產可運輸的“燃料”，供其他地方使用。但這種蓄熱系統的缺點是，與顯熱式和潛熱式蓄熱系統相比，系統很復雜，價格也高，目前僅在太陽能利用研究領域受到重視，還沒有得到廣泛的工業應用。

1.5" 相變蓄熱

相變蓄能[1]就是利用蓄能介質在發生相變時吸收或者放出熱量來蓄存和釋放熱量。物質的潛熱要比顯熱大得多，因此蓄能裝置體積可以大為縮小。物質的相變過程在一定溫度下進行，變化范圍極小，這個特性使相變蓄能器能夠保持基本恒定的熱力效率和供熱能力。

相變蓄能有固—固相變、固—液相變、液—汽相變和固—汽相變四種相變形式。在這四種相變過程中，相變潛熱逐漸增大。液—汽相變和固—汽相變雖然可以蓄存較多熱量，但因氣體占有的體積大，使體系增大，設備復雜。因此，盡管這兩類相變過程中相變潛熱很大，但在實際應用中很少被選用。與此相反，固—液相變和固—固相變，體積變化小，對容器要求低，目前的研究和利用最為廣泛。

相變材料（Phase Change Material， PCM）大致可分為3類：無機相變材料、有機相變材料及混合相變材料。

1）無機相變材料。無機相變材料包括結晶水合鹽、熔融鹽、金屬合金和其他無機物。無機相變材料有較大的熔解熱和固定的熔點，是中低溫相變材料中重要的一類。最典型的是結晶水合鹽類，這類材料具有熔解熱大、導熱系數高、相變時體積小等優點。但是這類材料易出現“過冷”和“相分離”現象，導致蓄熱能力下降，而且與金屬儲存容器不相容。降低過冷度的方法是添加微粒結構與鹽類結晶物相類似的成核劑和攪拌。解決析出的辦法是添加增稠劑、加晶體結構改變劑、攪拌[1]。

2）有機相變材料。有機相變材料包括石蠟、脂肪酸、脂、乙醇、乙二醇和其他有機物。有機相變材料具有固體成型好、不易發生相分離和過冷現象、腐蝕性小、性能穩定等優點。但是這類材料導熱系數小，為了改善其導熱性能，常在其中加入金屬網格、金屬粉末[7]。

3）混合相變材料。混合相變材料主要是有機和無機共熔相變材料的混合物。有機無機共熔混合物是種類和應用范圍最廣的一類相變材料，將幾種有機物配合成二元或多元相變材料，也可以將有機物與無機物復合，形成復合相變材料，從而得到合適的相變溫度及相變熱，以補充有機和無機相變材料的不足。其相變溫度從140～670 ℃可供選擇的相變材料達４ 300余種。

2" "蓄熱技術研究現狀及進展

2.1" 蓄熱技術的發展

太陽能蓄熱技術的研究，主要以相變蓄熱技術研究居多。相變蓄熱技術是一種以相轉移蓄熱材料為基礎的技術。通過使用相轉移材料來儲存或釋放熱量，可以調節和控制相轉移材料的環境溫度，以提高能源效率。熱化學蓄熱由于安全性低，無法控制蓄熱過程，現已很少使用。如今，顯熱供熱被廣泛使用，但其熱密度非常低。相比之下，潛熱蓄熱的熱密度是顯熱蓄熱的5～10 倍。相儲熱技術具有恒溫、儲熱密度高的優點，因此現在廣泛應用于間歇供熱和供熱與需求不協調的情況。當國內外研究人員探索相轉移蓄熱技術時，更多的研究在增加相變材料的導熱系數、增加導熱材料的穩定性、探究相變蓄熱器的結構等。這些研究的目的更多的是增加蓄熱系統的蓄熱效率。在發展初期，更多學者探究相變材料的性能，發現單一相變材料的諸多弊端，近些年來，越來越多的學者進行了復合相變材料的研究， 以提高相變蓄熱系統的效率。

2.2" 國內蓄熱技術研究現狀

我國是在20世紀80年代初著手研究蓄熱材料的，而且早期主要研究對象是相變蓄熱材料中的無機水合鹽類。20世紀90年代中期，研究重點才轉向有機蓄熱材料及固—固相變蓄熱材料，但研究的種類和方法還比較少。近年來，國內對相變蓄熱材料的研究日益廣泛，尤其以相變蓄熱材料的組成、提高相變材料蓄熱與放熱特性以及相變材料的相關應用為主。

閆澤濱[3]等以山西省原平市某辦公樓為研究對象，利用相變蓄熱型空氣源熱泵技術，設計了一套具有雙水箱的太陽能相變蓄熱蒸發型空氣源熱泵復合供熱系統，并開發出一套與之相匹配的集散控制系統，實現對供熱系統各個部件的監控。試驗結果表明，在保證供熱系統安全、穩定運行的前提下，控制系統提高了供熱系統的能效比，實現了供熱系統對用戶端的全天恒溫供暖。

胡文舉[4]等針對空氣源熱泵的蓄冷除霜系統，有三種供熱方式可供選擇：流動供熱、不連線供熱和連線供熱。實驗研究了三種加熱模式下蓄熱器對熱泵空氣源性能的影響。通過分析實驗數據，與系統主要參數 相比，減少參與工作的制冷劑來關閉加熱模式和順序加熱模式，并注意到有很大的機會提高系統的功率因數和系統在連接的加熱操作。

楊超[5]等以空氣源熱泵系統劃分空間中的空調為研究對象，以空氣源熱泵系統為結霜逆循環蓄熱系統的凝固效果，描述了操作系統中的凍結過程，總結得出了性能較高的蓄能除霜方式。

蔣永明[6]等設計研制了相變蓄熱的空氣源熱泵樣機并進行了實驗研究和性能分析。共有三種運行模式：蓄熱模式、散熱模式和除霜模式。根據測試結果，系統COP可以達到1.94，系統所提供的制冷量可以較好地滿足寒供暖用戶的供暖需求。

韓瑋[7]等將太陽能光熱技術、空氣源熱泵技術以及相變蓄能技術結合起來，研制一套復合型熱水制取系統，為建筑熱水供給的節能降耗提出一種思路。研究發現布置有相變蓄能材料的蓄熱水箱相較無相變蓄能材料的蓄熱水箱其持續出熱水的時間增 加，出熱水率提升，溫度分層更好，性能得到提升。

浙江大學、華南理工大學、清華大學在這些方面做了大量工作，但與發達國家相比，我國相變蓄熱材料的理論和應用研究還較薄弱。從應用范圍來看，國內的蓄熱材料目前只是應用在太陽暖房、農用日光溫室等領域，在太陽能熱泵中的應用研究還處于初始階段。

2.3" 國外蓄熱技術研究現狀

20世紀30年代以來，發達國家（如美國、加拿大、日本、德國等）在相變蓄熱的基礎理論和應用技術研究方面迅速崛起。材料科學、太陽能、航天科技、建筑物空調采暖通風及工業余熱利用等領域的相互滲透與迅猛發展，為相變蓄熱技術研究和應用創造了條件；在相變蓄熱技術方面，美國一直處于領先地位。

Dr. Maria Teikes等先后在相變蓄熱材料的配制和性能研究、相變平衡、相變傳熱、相變材料性能改善等方面做了大量工作，并在馬薩諸塞州建起了世界上第一座PCM太陽能暖房。20世紀60年代，隨著載人空間技術的迅速發展，美國NASA大力發展了相變蓄熱材料的熱控技術。20世紀70年代早期，日本三菱電子公司和東京電力公司聯合進行了用于采暖和制冷系統的相變材料的研究。德國也進行了大量相變儲能的機制和應用的研究，Krichel繪制了大量PCM的物性圖標。近年來，相變蓄熱的應用研究主要集中在太陽能動態發電系統蓄熱，建筑物圍護結構蓄熱和空調蓄熱和工業余熱、余熱回收系統蓄熱。

Jradi M[8]等分析和評價一種基于地下土壤的太陽能儲能系統的性能，結合熱電聯產系統。該系統位于丹麥歐登塞的一個住宅項目，是利用空氣源熱泵組合系統來滿足供暖和供電需求，在夏季產生多余的電力時，還可以對土壤 存儲介質充電。

Cunha J[9]等對帶有傳統燃氣鍋爐和帶有潛熱存儲的空氣源熱泵的家用空間和熱水加熱系統進行了性能比較，這兩種系統都帶有太陽能集熱器，適用于典型的英國氣候，以此證明帶有潛熱存儲的空氣源熱泵系統在主動加熱應用中的改變基于材料的能量存儲。

Koan M[10]等介紹了一種熱泵系統冷凝器的創新潛熱儲存裝置的實驗研究。開發并設計了一種熱交換器，用于使用相變材料存儲從熱泵冷凝器釋放的熱量。對于可持續和高效的供暖系統，其目的是在熱泵系統中使用相變材料，為此而設計的潛熱蓄熱裝置在空氣源熱泵系統中進行了測試。

Underwood C P[11]等提出了一種新模型，用于關聯混合相變材料在熔化和凝固過程中的焓和溫度，并構建了帶有空氣源熱泵的混合存儲的詳細熱模型，將其應用于示例房屋。

3" "結論與展望

蓄熱技術是提高能源利用效率和保護環境的重要技術，可用于解決熱能供給與需求失配的矛盾。蓄熱技術不僅僅是用在太陽能利用方面，在電力的“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收利用以及工業與民用建筑和空調的節能等領域同樣具有廣泛的應用前景，目前已成為世界范圍內的研究熱點。

太陽能蓄熱技術作為一項復雜的技術，從技術層面和投資成本來看，都是太陽能利用中的關鍵環節。從現有的研究來看，顯熱蓄熱技術研究比較成熟，已經發展到商業開發水平，但顯熱蓄熱密度低，蓄熱裝置體積龐大，有一定的局限性。化學反應蓄熱雖然具有很多優點，但是化學反應過程復雜、有時需要催化劑、有一定的安全性要求、一次性投資大、整體效率低，在大規模應用之前仍有許多問題需要解決。相變蓄熱憑借其優越性吸引著人們對其進行大量的研究，發展勢頭強勁。然而常規相變材料在實際應用過程存在的種種問題，比如無機相變材料的過冷和相分離現象以及有機相變材料的導熱率低等問題，嚴重制約了相變蓄熱技術在太陽能蓄熱技術中的應用，此外降低相變蓄熱技術的應用成本也是相變蓄熱技術在太陽能蓄熱應用必須解決的一個問題。

參考文獻

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