太陽(yáng)能高效存儲(chǔ)和能質(zhì)傳遞-修改版

1、太陽(yáng)能高效存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞太陽(yáng)能高效存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞的機(jī)理和方法的機(jī)理和方法廖廖 強(qiáng)強(qiáng)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶大學(xué)重慶大學(xué)一一背景背景簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介二二太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)三三其中的熱物理問(wèn)題其中的熱物理問(wèn)題四四擬開(kāi)展研究工作擬開(kāi)展研究工作匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱一一背景背景簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介二二太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)三三其中的熱物理問(wèn)題其中的熱物理問(wèn)題四四擬開(kāi)展研究工作擬開(kāi)展研究工作匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱 太陽(yáng)能是免費(fèi)的太陽(yáng)能是免費(fèi)的 太陽(yáng)能是可再生且環(huán)境友好的能源太陽(yáng)能是可再生且環(huán)境友好的能源 可以替代化石能源可以替代化石能源 分布廣泛分布廣泛 中國(guó)

2、日照豐富中國(guó)日照豐富優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì) 背景簡(jiǎn)介背景簡(jiǎn)介能源能源危機(jī)危機(jī)環(huán)境環(huán)境污染污染尋求可再生能源尋求可再生能源太陽(yáng)能：一種最有前太陽(yáng)能：一種最有前景的可再生能源景的可再生能源太陽(yáng)能在中國(guó)的分布太陽(yáng)能在中國(guó)的分布太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速背景簡(jiǎn)介背景簡(jiǎn)介全球可利用太陽(yáng)能分布情況全球可利用太陽(yáng)能分布情況最典型的太陽(yáng)能利用方式最典型的太陽(yáng)能利用方式直接利用：光伏發(fā)電直接利用：光伏發(fā)電太陽(yáng)能無(wú)法運(yùn)輸太陽(yáng)能無(wú)法運(yùn)輸穩(wěn)定可靠穩(wěn)定可靠形式多樣形式多樣化化地地域域分分布布不不均均能能量量不不穩(wěn)穩(wěn)定定直接或間接的能量傳輸直接或間接的能量傳輸無(wú)法保證能量供應(yīng)的連續(xù)性無(wú)法保證能量供應(yīng)的連續(xù)性太陽(yáng)能存儲(chǔ)太陽(yáng)能存

3、儲(chǔ)太陽(yáng)能高效存儲(chǔ)的必要性太陽(yáng)能高效存儲(chǔ)的必要性太陽(yáng)能直接利用存在的問(wèn)題太陽(yáng)能直接利用存在的問(wèn)題背景簡(jiǎn)介背景簡(jiǎn)介太陽(yáng)能儲(chǔ)存熱能儲(chǔ)存熱化學(xué)燃料儲(chǔ)存利用儲(chǔ)熱材料的熱容量，通過(guò)升高或降低材料的溫度而實(shí)現(xiàn)熱量的儲(chǔ)存或釋放的過(guò)程。利用儲(chǔ)熱材料在熱作用下發(fā)生相變而產(chǎn)生熱量?jī)?chǔ)存的過(guò)程。利用化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱的形式來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)熱顯熱儲(chǔ)存潛熱儲(chǔ)存反應(yīng)熱儲(chǔ)存甲烷重整耦合化學(xué)反應(yīng)蓄熱是一種非常有潛力的高溫蓄熱方式，太陽(yáng)能熱驅(qū)動(dòng)的甲烷重整可逆反應(yīng)，煤氣化和化石燃料重整，化石燃料裂解等成為太陽(yáng)能蓄熱的研究重點(diǎn)。背景簡(jiǎn)介背景簡(jiǎn)介煤氣化化石燃料裂解一一背景背景簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介二二太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)三三其中的熱物理問(wèn)題其中的熱物理

4、問(wèn)題四四擬開(kāi)展研究工作擬開(kāi)展研究工作匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱一一背景背景簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介二二太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)三三其中的熱物理問(wèn)題其中的熱物理問(wèn)題四四擬開(kāi)展研究工作擬開(kāi)展研究工作匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱熔融鹽（熔融鹽（molten saltmolten salt）：）：熔融鹽是鹽的熔融態(tài)液體。形成熔融態(tài)的無(wú)機(jī)鹽其固態(tài)大部分為離子晶體，在高溫下熔化后形成離子熔體。該蓄熱方式對(duì)于提高太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)具有重要意義，利用熔融鹽作為蓄熱工質(zhì)是未來(lái)太陽(yáng)能光熱發(fā)電研究的重點(diǎn)。太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)- -熔融鹽蓄熱熔融鹽蓄熱熔融鹽研究和應(yīng)用：熔融鹽研究和應(yīng)用：美國(guó)國(guó)家太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)中心美國(guó)Solar Two太陽(yáng)能電站意

5、大利阿基米德太陽(yáng)能電站熔融鹽的優(yōu)點(diǎn)：熔融鹽的優(yōu)點(diǎn)：1、使用溫度范圍廣2、高溫下的性質(zhì)穩(wěn)定3、工作壓力低4、比熱容高5、具有良好的導(dǎo)電性6、易于獲得熔融鹽的缺點(diǎn)：熔融鹽的缺點(diǎn)：1、高溫分解問(wèn)題和腐蝕問(wèn)題2、熔鹽的低溫凝固問(wèn)題熔融鹽工作流程：熔融鹽工作流程：冷罐熔融鹽運(yùn)送至加熱位置熔融鹽吸收太陽(yáng)能熱罐熔融鹽放熱發(fā)電太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)- -熔融鹽蓄熱熔融鹽蓄熱主要用于顯熱儲(chǔ)存，其是儲(chǔ)存太陽(yáng)能的簡(jiǎn)便方法。自然界的巖石、石英砂、土壤等是常用的固體儲(chǔ)能材料。這類儲(chǔ)能材料導(dǎo)熱系數(shù)較高、溫度承受能力強(qiáng)、材料成本低。該類材料可以廣泛應(yīng)用于民用太陽(yáng)能熱水、采暖儲(chǔ)能，以及太陽(yáng)能熱力發(fā)電儲(chǔ)能。太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)

6、太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)- -固體材料存儲(chǔ)固體材料存儲(chǔ)巖石儲(chǔ)能：巖石儲(chǔ)能：導(dǎo)熱系數(shù)大，能量可以及時(shí)存儲(chǔ)和取出，可耐受高溫利用熱空氣將太陽(yáng)能集熱器收集的能量對(duì)流換熱存儲(chǔ)到巖石床層固體材料蓄熱石英砂儲(chǔ)能：石英砂儲(chǔ)能：熱穩(wěn)定性好，可耐受高溫利用空氣作為傳熱介質(zhì)，通過(guò)氣固換熱器或者換熱管將太陽(yáng)能集熱器中的熱能儲(chǔ)存到石砂體中太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)- -固體材料存儲(chǔ)固體材料存儲(chǔ)土壤儲(chǔ)能：土壤儲(chǔ)能：使用成本低、維護(hù)成本低利用太陽(yáng)照射將太陽(yáng)能以熱能的形式存儲(chǔ)在地表或者利用空氣的等介質(zhì)將熱能引入較深的土壤層存儲(chǔ)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)- -固體材料存儲(chǔ)固體材料存儲(chǔ)蓄熱相變材料的性質(zhì)蓄熱相變材料的性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定

7、、無(wú)腐蝕性無(wú)毒、無(wú)危害、不易燃較小的過(guò)冷度、高的晶體生長(zhǎng)速率凝固時(shí)體積變化小高的熱導(dǎo)率可循環(huán)利用太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)- -相變材料存儲(chǔ)相變材料存儲(chǔ)常見(jiàn)蓄熱相變材料常見(jiàn)蓄熱相變材料基本原理基本原理：相變材料存相變材料存儲(chǔ)太陽(yáng)能的儲(chǔ)太陽(yáng)能的利用利用運(yùn)用在建筑節(jié)能運(yùn)用在電廠發(fā)電運(yùn)用在太陽(yáng)能廚具太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)- -相變材料存儲(chǔ)相變材料存儲(chǔ)太陽(yáng)能存儲(chǔ)的方法之一，是將裝有芒硝(Na2SO4)的密閉塑料管安裝在房屋的外墻內(nèi)，當(dāng)太陽(yáng)照射時(shí)，他能把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，達(dá)到蓄熱作用，使室內(nèi)保持較低溫度；晚上它能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能放出，使室內(nèi)溫暖這種作用是利用。太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)-

8、-NaNa2 2SOSO4 4工人搜集芒硝加工處理太陽(yáng)能小屋Na2SO4+10H2O Na2SO410H2O+QNa2SO410H2O+Q Na2SO4+10H2O反應(yīng)方程式：反應(yīng)方程式：通過(guò)中溫太陽(yáng)熱能與甲醇吸熱分解特性的有機(jī)集成，低品位的中低溫太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為高品位化學(xué)能，并以合成氣(CO,H2)的形式被儲(chǔ)存。太陽(yáng)能熱太陽(yáng)能熱解甲醇解甲醇太陽(yáng)能熱解甲醇熱化學(xué)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程機(jī)制太陽(yáng)能/甲醇裂解的發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)能熱化學(xué)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)- -熱解甲醇熱解甲醇太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)- -天然氣重整制氫天然氣重整制氫太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)天然氣重整天然氣重整制氫制氫天然氣重整制氫

9、是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)。通過(guò)重整反應(yīng)，提升為化學(xué)能的太陽(yáng)能占甲烷熱值份額為28%。反應(yīng)產(chǎn)物的合成氣可以通過(guò)傳統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)進(jìn)行發(fā)電，可實(shí)現(xiàn)CO2減排20%。反應(yīng)方程式：太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)天然氣重整天然氣重整制氫過(guò)程制氫過(guò)程世界首臺(tái)50MW太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)天然氣重整示范發(fā)電站太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)- -天然氣裂解天然氣裂解太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)天然氣裂解天然氣裂解太陽(yáng)能高溫裂解化石燃料過(guò)程是講天然氣，油和其他碳?xì)浠衔锛訜岬礁邷叵掳l(fā)生分解反應(yīng)，反應(yīng)后生成固態(tài)的碳和氣態(tài)的氫氣。這樣，分離制取高純度的氫氣只需簡(jiǎn)單地將固態(tài)的碳黑分離出去即可，同時(shí)在該過(guò)程中發(fā)生脫碳。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)天然氣裂解天然氣裂解制氫

10、過(guò)程制氫過(guò)程反應(yīng)方程式：太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)- -太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的煤氣化太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的煤氣化太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的煤氣化的煤氣化煤與CO2或者水蒸氣的氣化過(guò)程是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)，決定于能源和高溫?zé)崃抗┙o。煤氣化包括兩個(gè)過(guò)程：高溫分解和焦炭氣化。理想情況下，反應(yīng)吸熱的太陽(yáng)能約占煤熱值的44%-45%。產(chǎn)生的合成氣可用于發(fā)電。反應(yīng)方程式：太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的煤氣化的煤氣化太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)- -光流體的應(yīng)用光流體的應(yīng)用光流體光流體 = = 光光 + + 流體流體常規(guī)反應(yīng)光流體微反應(yīng)器比表面積比表面積 6006001000030000010000300000傳質(zhì)距離傳質(zhì)距離1-10m1-

11、10m10-200um10-200um光程光程1-10m1-10m10-200um10-200um光照情況光照情況 NonuniformNonuniformUniformUniform反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間hourshourssecondsseconds光流體微反應(yīng)器對(duì)太陽(yáng)能有更好的光流體微反應(yīng)器對(duì)太陽(yáng)能有更好的吸收和轉(zhuǎn)化能力吸收和轉(zhuǎn)化能力光流體技術(shù)對(duì)于太陽(yáng)能高效存光流體技術(shù)對(duì)于太陽(yáng)能高效存儲(chǔ)有巨大的應(yīng)用潛力儲(chǔ)有巨大的應(yīng)用潛力光流體微反應(yīng)器的特征光流體微反應(yīng)器的特征一一背景背景簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介二二太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)三三其中的熱物理問(wèn)題其中的熱物理問(wèn)題四四擬開(kāi)展研究工作擬開(kāi)展研究工作匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱

12、一一背景背景簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介二二太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)三三其中的熱物理問(wèn)題其中的熱物理問(wèn)題四四擬開(kāi)展研究工作擬開(kāi)展研究工作匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱太陽(yáng)能光熱技術(shù)太陽(yáng)能光熱技術(shù)太陽(yáng)能光熱技術(shù)是以各種形式的集熱器技術(shù)將太陽(yáng)輻射收集并存儲(chǔ)為熱能形式加以應(yīng)用。太陽(yáng)能熱存儲(chǔ)太陽(yáng)能熱存儲(chǔ)技術(shù)技術(shù)是以特定技術(shù)裝置存儲(chǔ)已經(jīng)轉(zhuǎn)換并收集的太陽(yáng)熱，并能夠以非即收即用的形式，在太陽(yáng)輻射較弱的時(shí)間或無(wú)太陽(yáng)輻射的夜間，能夠重新取用的能量存儲(chǔ)技術(shù)。非聚光集熱器聚光集熱器太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞顯熱存儲(chǔ)反應(yīng)熱存儲(chǔ)潛熱存儲(chǔ)太陽(yáng)能熱存儲(chǔ)形式采用水、巖石、土壤、地下巖層及水層等顯熱存儲(chǔ)材料采用相變蓄熱存儲(chǔ)材料（PCM)利用正

13、反向化學(xué)反應(yīng)的吸熱與放熱，將熱量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能蓄放緊湊式儲(chǔ)熱床顯熱太陽(yáng)能空氣系統(tǒng)相變儲(chǔ)熱自然循環(huán)開(kāi)環(huán)太陽(yáng)熱水系統(tǒng)相變儲(chǔ)熱水箱太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞設(shè)計(jì)選擇性吸收材料及其結(jié)構(gòu)將太陽(yáng)輻射能收集起來(lái)，通過(guò)光與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。能量傳遞示意圖顯熱：顯熱：太陽(yáng)光輻射能 儲(chǔ)熱介質(zhì)（礫石、水等）蓄熱量計(jì)算公式：e.g. 水的單位質(zhì)量的熱容量相當(dāng)高，1 kg水客儲(chǔ)存4.18 kJ/的熱能，金屬銅、鐵、鋁分別為3.73，3.64，2.64 kJ/，固體巖石約為1.7 kJ/。潛熱：潛熱：太陽(yáng)光輻射能 相變材料（結(jié)晶水合鹽、有機(jī)材料如石蠟等）。以固體蓄熱材料為例，蓄熱量計(jì)算公式：

14、21TTQCdT0+sfssfTTllslfllTTQC dTHC dT 利用熱容量 相變時(shí)溫度保持但持續(xù)吸熱光熱轉(zhuǎn)換的基光熱轉(zhuǎn)換的基本原理：本原理：太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞反應(yīng)熱存儲(chǔ)：反應(yīng)熱存儲(chǔ)：太陽(yáng)光輻射能 儲(chǔ)熱材料（結(jié)晶水合物、無(wú)極氫氧化物等）。蓄熱量計(jì)算公式：e.g. 結(jié)晶水合物 無(wú)機(jī)氫氧化物 金屬氧（氫）化物 類似此類儲(chǔ)熱體系的還有AB+heatA+B2222Na S nH O()+ HNa S+nH O固（固）（氣）22242442MgClH OH SOH ONH Al(SO ) 12H O、催化劑、產(chǎn)物分離等22Mg(OH)=MgO+H O熱2224KO +=2K

15、 O+3O熱太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞由于世界的飛速發(fā)展，大自然留給我們的資源越來(lái)越少，從能源方面考慮，光解水制氫是光化學(xué)轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)的最好途徑。氫燃燒后生成水，是便于儲(chǔ)存于運(yùn)輸?shù)目稍偕茉?。太?yáng)能光催化分解水制氫太陽(yáng)能光催化分解水制氫，是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能最理想的途徑太陽(yáng)能光催化分解水制氫，是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能最理想的途徑光化學(xué)能光化學(xué)能轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化光合作用光合作用和和光催化水解制氫光催化水解制氫是最主要的方式是最主要的方式太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞)光能（光量子）電能（電子）活躍的化學(xué)能（質(zhì)子、ATP、NADPH）穩(wěn)定的化學(xué)能（碳水化合物等）原初反應(yīng)電子傳遞光合磷酸化

16、碳同化光合作用能質(zhì)傳遞太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞光催化水解制氫能質(zhì)傳遞激發(fā)活化激發(fā)活化配位絡(luò)合配位絡(luò)合能量傳遞能量傳遞電子傳遞電子傳遞電子遷移及光轉(zhuǎn)化機(jī)理能級(jí)激發(fā)與轉(zhuǎn)化機(jī)理太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞photocatalyst光催化還原CO2能質(zhì)傳遞Hydrocarbon激發(fā)活化 光生電子（強(qiáng)還原性）光生空穴（強(qiáng)氧化性）H2OCO2 還原反應(yīng)（O2+H+e-） 氧化反應(yīng)H+e- 燃料+氧氣CO2 光還原反應(yīng)中不同電子下的還原電勢(shì)Reaction E0redox/(V vs NHE)CO2 + H+ + 2e- HCO2 0.49CO2 + 2H+ + 2e- CO +

17、 H2O 0.53CO2 + 4H+ + 4e- HCHO + H2O 0.48CO2 + 6H+ + 6e- CH3OH + H2O 0.38CO2 + 8H+ + 8e- CH4 + 2H2O 0.24太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞太陽(yáng)能存儲(chǔ)與能質(zhì)傳遞一一背景背景簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介二二太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)三三其中的熱物理問(wèn)題其中的熱物理問(wèn)題四四擬開(kāi)展研究工作擬開(kāi)展研究工作匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱一一背景背景簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介二二太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)太陽(yáng)能存儲(chǔ)技術(shù)三三其中的熱物理問(wèn)題其中的熱物理問(wèn)題四四擬開(kāi)展研究工作擬開(kāi)展研究工作匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱n 光熱效應(yīng)導(dǎo)致光熱效應(yīng)導(dǎo)致的傳熱特性和高效蓄熱的傳熱特性和高效蓄熱 界面?zhèn)鳠峒敖缑鎮(zhèn)鳠峒疤匦蕴匦?相變相變傳熱傳熱與界面與界面處處相間能質(zhì)傳遞耦合相間能質(zhì)傳遞耦合機(jī)理及特性機(jī)理及特性 多孔固體蓄熱材料內(nèi)傳熱特性多孔固體蓄熱材料內(nèi)傳熱特性n