储热技术在太阳能工程领域的应用研究

薛浩

【摘 要】太阳能光热利用离不开储热技术。储热系统作为太阳能利用核心子系统之一，其造价占整个工程造价的20%～25%。由此可见，太阳能光热利用系统的成败很大一部分取决于储热子系统的成败。因此，储热技术一直是太阳能光热利用领域的研究热点。本文对储热技术在太阳能工程领域的应用进行了分析。

【关键词】储热技术;太阳能工程;应用

太阳能工程建设是新能源开发利用的具体体现，是解决能源和环境问题的重要手段。在太阳能工程建设过程中，要确保太阳能利用质量及效率的有效提升，提高能源利用的安全性、稳定性和连续性，必须明确储热技术应用的重要性，加强太阳能储热技术的研究，从而为太阳能工程的可持续发展打下良好的技术基础。

一、储热技术分类

1、显热储热技术。显热储热技术是储热系统技术的重要组成部分。它是一种根据材料本身的性质来储存和释放热能的储热方式。与其它储热技术相比，具有成本低、技术成熟等优势。当前，太阳能工程领域大多广泛采用水箱储热、埋管储热、高温混凝土储热等显热储热技术。

就水箱储热技术而言，水作为主要储热介质来收集、储存和传递热能。比如，在太阳能冬季取暖系统的建设过程中，利用太阳能集热器在白天收集和储存多余的太阳能热量，而在夜晚通过太阳能供热系统中中央控制器的自动控制，合理释放太阳能集热器中储存的热能，从而满足室内全天供暖的供应需求。

就埋管储热技术而言，土壤和岩石等为主要的储热介质。与水箱储存技术相比，埋管储热技术具有较大的等效储热体积，约为水箱储热技术的3～5倍，并且系统建设成本相对较低。但因埋管储热技术对地质类型的要求较高，在实际应用过程中应做好地质调查和分析工作，以提高技术应用的适用性和合理性。当前，在太阳能工程领域，埋管储热技术应用的典型代表是“德雷克太阳能社区工程”。社区建设过程中配置了多个竖直埋管换热器，并与太阳能集热器相结合，能满足社区90%以上的冬季供热需求。

2、热化学储热技术。热化学储热技术是一种基于化学反应原理的热能存储技术。根据化学反应的类型，热化学储热技术可分为“热化学吸附储热技术”、“热化学吸收储热技术”和“热化学反应储热技术”等类型。目前已形成并广泛应用的热化学储热系统主要有“金属氢化物分解储热系统”、“水合盐热分解储热系统”、“氨水吸收储热系统”、“强酸溶液吸收储热系统”、“强碱溶液吸收储热系统”等。而在太阳能工程领域，热化学储热技术应用的典型代表主要是建筑太阳能采暖工程和太阳能热发电工程。

3、潜热储热技术。潜热储热技术广泛应用于太阳能工程领域，其基本原理是储热材料的相变原理，即材料在相变过程中吸收或释放一定的热能。因此，潜热储热技术又称为“相变储热技术”。与显热储热技术相比，潜热储热技术具有较高的储热密度和相对紧凑的结构、热能存储量大、系统质量轻、控温效果强等优势。随着潜热储热技术理论和实践研究的不断深入，该技术已成为绿色建筑太阳能供热的核心技术。此外，根据绿色建筑节能环保的要求，在建筑采暖工程建设过程中，采用储热技术设计构建太阳能采暖系统，以提高太阳能利用率，从而满足建筑冬季供暖需求。在此过程中，根据建设项目的施工要求和建设项目所在地的气候特点，设计人员将潜热储热技术与显热储热技术相结合，构建了相变储热系统。一方面，将相变材料与建筑材料有机结合，提高建筑围护结构的保温能力;另一方面，利用太阳能集热器，在阳光充足的位置构建太阳能暖廊，并将收集到的热能储存在相变储热器中，余热作为热泵系统的热源。

二、常见的太阳能储热技水

1、固体显热储热。德国航空航天研究中心（DLR）已开发出耐高温混凝土及铸造陶瓷等固体储热系统，它由储热材料、高温传热流体及嵌入固体材料的圆管换热管组成。在储热阶段，热流体沿换热管流动，将高温热能传递到储热材料中。在放热阶段，冷流体反向流动，从储热材料中吸收热能用于发电。另外，混凝土储热装置造价低，配置灵活，操作简便。混凝土的主要原料是沙子与砾石，在沙漠地区几乎可免费获取，这种混凝土储热装置值得开发和推广。

2、液体显热储热。当前常用的液体储热介质有各种熔盐、矿物油、导热油、液态金属及水等。熔盐具有良好的储热传热性能，其工作温度与高温高压蒸汽轮机相匹配，在常压下是液态，不易燃烧、无毒性，且成本低，更适合于高温太阳能光热发电。目前应用广泛的熔盐主要是二元熔盐与三元熔盐。

1）单罐储热系统。单罐熔盐储热系统是指作为储热介质的冷、热流体均储存在一个单罐中，在储热或放热过程中，冷、热流体相互接触，在接触区形成一个温度斜温层，斜温层以上的流体保持高温，斜温层以下的流体保持低温。在系统的蓄放热过程中，冷流体由罐底的低温泵抽出，经外部换热器加热后，从罐的顶部进入罐内，或热流体由罐顶的高温泵抽出，由外部换热器冷却后，从罐底进入罐内。随着换热过程的进行，斜温层会上下移动，抽出的流体可保持恒温。为了缩短斜温层距离，防止冷热流体的对流混合，增加储热量，将石英砂等材料灌入罐内，以增加斜温层效应。单罐熔盐储热系统比双罐熔盐储热系统节省投资约35%。

德国DLR正在开发一种新的单罐储热方法，其原理是利用可活动的机械壁将一个罐分成两部分，分别存放高温熔盐及低温熔盐。在储热过程中，高温熔盐进入单罐高温部分，增加了高温熔盐的体积，促进了分隔壁面移动，使低温熔盐流出储热罐，从而使低温熔盐体积减小，但整个储热罐的熔盐体积不变。由于分离界面的存在，冷热熔盐的热损失小于斜温层单罐储热，其结构与控制过程更为简单。

2）双罐储热系统。双罐熔盐储热系统是指由两个蓄热罐、一个高温储热罐和一个低温储热罐组成的太阳能光热发电系统。按储热方式可分为直接储热系统及间接储热系统。间接储热系统通常采用导热油作为传热介质，熔盐作为储热介质。传热介质与储热介质间设有油盐换热器，工作温度不超过400℃。其缺点是传热介质与储热介质间的换热是通过换热器进行的，导致间接换热损失。

在直接储热系统中，传热流体既是传热介质又是储热介质，不存在油盐换热器，适用于400～500℃的高温条件，使朗肯循环的发电效率达到40%。对管道平面布置的槽式太阳能光热发电系统，必须采用伴熱的方法防止熔盐传热介质的冻结。塔式太阳能光热发电系统的管网大多竖直布置在塔内，其工作温度高于槽式系统，传热介质易于排出，因此，采用直接储热的双罐熔盐储热系统是塔式系统的较好选择。

3）水-水蒸汽储热系统。在太阳能光热发电系统中，水直接作为传热与储热介质，具有比热容大、导热系数高、无毒、无腐蚀性、便于储运等优点。在系统中加入蒸汽储热器，能将多余的水蒸汽转化为体积热容大的水来储热，以保持系统压力在稳定工作范围内，具有较少的反应时间、较高的放热速率。

作为一种直接蒸汽储热发电系统，它是最有希望降低成本的途径之一。但直接蒸汽储热发电系统存在高温高压问题，水蒸气临界压力为22.129MPa，临界温度为374.15℃，当水温高于临界温度时，过热水蒸气压力较高，这对热传输系统的耐压性能提出了较高的要求。

三、结语

综上所述，自储能技术提出以来，储能技术以其在储能方面的优势，引起了各个领域和各行业的广泛关注。它已成为缓解能源压力、提高能源（以太阳能为主）利用率的关键技术，并且在一定程度上克服了空间与时间对太阳能源利用的制约。

参考文献：

[1]邵继新.相变储热在太阳能采暖中的应用研究[J].节能技术，2018（05）.

（作者单位：金亨新能源有限公司）