能源的儲存方式與技術(shù)

1、能源的儲存方式與技術(shù)鄧樹洪中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 應(yīng)化0903 1505091021摘要：作為清潔、對環(huán)境友好的綠色能源，太陽能技術(shù)推廣和應(yīng)用備受矚目。太陽能熱儲存技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，無論從技術(shù)層面和投資成本來看，太陽能熱儲存技術(shù)都是太陽能利用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文介紹了幾種太陽能的儲存方式。關(guān)鍵詞：太陽能 儲存方式與技術(shù) 能源是社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是提高人們生活水平的先決條件。人類社會要發(fā)展，必須建筑在大量消耗能源的基礎(chǔ)上。人類利用能源的歷史經(jīng)歷了幾個階段：18世紀(jì)以前，木材在世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中長期占據(jù)首位；到19世紀(jì)下半葉，煤炭取代木材等成為主要能源；1965年，石油首次取代

2、煤炭在世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占據(jù)首位，由此開始了“石油時代。石油、煤炭等這些當(dāng)前人們使用的主要能源都屬不可再生的礦物燃料。在當(dāng)今世界，礦物燃料提供世界91的一次商品能源，其中煤炭占28，石油超過40。在亞澳地區(qū)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，礦物燃料占93.5，其中煤炭占48.3，石油占3 7.3，然而，地球上礦物燃料的儲量是有限的。作為清潔、對環(huán)境友好的綠色能源，可再生能源的規(guī)模開發(fā)利用已經(jīng)成為21世紀(jì)解決化石能源造成的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題的重要途徑。其中，太陽能技術(shù)推廣和應(yīng)用備受矚目。地面上接受到的太陽能，受氣候、晝夜、季節(jié)的影響，具有間斷性和不穩(wěn)定性。因此，太陽能貯存十分必要，尤其對于大規(guī)模利

3、用太陽能更為必要。太陽能不能直接貯存，必須轉(zhuǎn)換成其它形式能量才能貯存。大容量、長時間、經(jīng)濟(jì)地貯存太陽能，在技術(shù)上比較困難。1 儲存方式與技術(shù)1.1太陽氫系統(tǒng)儲存太陽能 可再生能源，特別時太陽能、風(fēng)能都具有時間不穩(wěn)定和空間不穩(wěn)定的特點(diǎn)，而氫作為重要的能源載體，可以解決可再生能源的穩(wěn)定性問題，也就格外引起人們的關(guān)注?？茖W(xué)家對可再生能源氫能源系統(tǒng)抱有很大的期望。我國在氫能的開發(fā)方面做了大量的工作并取得令人矚目的成果。不過，還沒有研究過可再生能源氫能系統(tǒng)。為填補(bǔ)國內(nèi)研究的空缺，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院與殼牌氫能公司合作開展“太陽氫燃料電池”項(xiàng)目，確定試驗(yàn)為：由太陽能光伏電池發(fā)電，用此電供應(yīng)住房正

4、常使用。同時將不能及時用完的電驅(qū)動水電解設(shè)備制備氫氣和氧氣。用高壓儲罐和儲氫合金儲存氫氣。在住戶需要電時，再由燃料電池系統(tǒng)發(fā)電，提供給用戶。由此，太陽能光伏電池水電解設(shè)備儲氫及燃料電池發(fā)電設(shè)備組成“太陽氫燃料電池”系統(tǒng)。由于太陽氫系統(tǒng)是未來的能源系統(tǒng)，人們對之認(rèn)識有限。因此，安全是第一位。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了五個氫氣檢測裝置，當(dāng)其中任一氫氣檢測器的數(shù)值超標(biāo)，都予以報(bào)警，并在延續(xù)三分鐘無人應(yīng)答時，自動切斷電源，關(guān)閉系統(tǒng)，以確保安全。太陽氫系統(tǒng)是長遠(yuǎn)項(xiàng)目，目前尚無經(jīng)濟(jì)性可言。特別希望本太陽氫系統(tǒng)能達(dá)到最高的效率，具有和其他能源系統(tǒng)競爭的能力。1.2 利用植物能量儲存系統(tǒng)貯存太陽能一直以來太陽能只能作為白天

5、使用的能源。直到如今，貯存額外的太陽能，供以后使用，由于受制于昂貴和低效的能量貯存系統(tǒng)，實(shí)際是不易實(shí)現(xiàn)的。美國麻省理工大學(xué)的研究人員受植物光合作用的啟發(fā)，發(fā)明了一種簡單、廉價且高效的存儲太陽能的方法。這種方法需要的只是無公害的，且豐富的自然界的物質(zhì)。美國麻省理工學(xué)院研究人員發(fā)現(xiàn)的這個方法，能夠存儲太陽能的能量，供沒有陽光的時候使用，可以克服太陽能要被大量應(yīng)用的最大屏障。這項(xiàng)研究具有革命性飛躍的轉(zhuǎn)變，它將把太陽能從邊緣的非主流的替代能源轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁髂茉?。麻省理工學(xué)院的能量學(xué)教授和高級研究人員Daniel Nocera和Henry Dreyfus，聲明：這是我們期待了多年的愿望。一直以來，太陽能只能

6、作為有限的遙不可及的能源，供人類使用。不久的將來，我們把太陽能作為無限量能源的來源，就能實(shí)現(xiàn)了。Nocera與Matthew kanan在研究的過程中，開發(fā)了將太陽的能量，用于把水分解成H2和O2的流程。隨后，再將H2和02重新組合的能量，貯存在質(zhì)子交換膜燃料電池中，創(chuàng)造出無碳的電力，實(shí)現(xiàn)白天或晚上，都能為建筑或電動汽車供電。這個流程的關(guān)鍵部分，是利用放置在水中的鈷金屬、磷以及電極，構(gòu)成一種催化裝置，利用鈷和磷的催化作用，從水中生產(chǎn)02和H2。不管電能來自于光伏、風(fēng)能渦輪機(jī)，或是其他來源，當(dāng)電流流過電極以及鉆和磷酸構(gòu)成的催化劑，就會形成薄膜電極對。在其催化作用下，如，鉑，能夠從水中生產(chǎn)出H2。

7、整個系統(tǒng)仿佛完成光合作用下的，水的分解過程。這種新的催化系統(tǒng)，工作在pH中性環(huán)境和室溫條件下，是很容易實(shí)現(xiàn)的。陽光是解決世界能源問題，最具有潛力的能源。倫敦皇家學(xué)院的生物學(xué)教授Ernst chain是光合作用研究領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。他認(rèn)為“這是一項(xiàng)重大的發(fā)現(xiàn)，它將對人類未來的繁榮昌盛起到巨大的影響。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的重要性是不容忽視的。因?yàn)樗蜷_了能源開發(fā)新技術(shù)的大門，從而提供減少人類對化石燃料的依賴以及應(yīng)對全球氣候變化的手段。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是朝著清潔、無碳能源方向發(fā)展的里程碑?！碑?dāng)然還有更多的事情需要繼續(xù)深入研究。雖然這只是個好的開端，因?yàn)楝F(xiàn)有的水和電流、電解反應(yīng)以及人工光合作用，還不能適宜工業(yè)化生產(chǎn)。這些都

8、是非常昂貴的，且需要很嚴(yán)格的環(huán)境條件作為基礎(chǔ)，才能運(yùn)行。1.3 沼氣發(fā)酵、沼氣化學(xué)能儲存太陽能 沼氣是有機(jī)物質(zhì)在隔絕空氣和保持一定水分、溫度、酸堿度等條件下，經(jīng)過多種微生物(統(tǒng)稱沼氣細(xì)菌)的分解而產(chǎn)生的。沼氣細(xì)菌分解有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生沼氣的過程，叫沼氣發(fā)酵。沼氣是一種混合氣體，可以燃燒，因?yàn)檫@種氣體最早是在沼澤中被發(fā)現(xiàn)的，所以稱之為沼氣。厭氧發(fā)酵過程中，溫度過低或溫度波動過快，會降低厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率以及所產(chǎn)沼氣中CH4的含量，利用太陽能集熱系統(tǒng)收集太陽能熱能，以熱水為媒介將熱量提供給發(fā)酵系統(tǒng)，并通過控制裝置維持發(fā)酵系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定，使得發(fā)酵系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，提高了有機(jī)物分解利用率和產(chǎn)氣效率，與未加太

9、陽能集熱系統(tǒng)的發(fā)酵系統(tǒng)相比較，同周期內(nèi)所產(chǎn)CH4量大幅增加，所增產(chǎn)的該部分CH4的熱值，我們即可將其等效的認(rèn)同為該周期內(nèi)整套系統(tǒng)所儲存的太陽能，即一部分太陽能經(jīng)由該系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成了沼氣化學(xué)能。在能源短缺的大環(huán)境下，從提出可再生能源利用的新方法入手，針對太陽能熱儲存和沼氣生產(chǎn)中存在的問題，將太陽能中低溫集熱沼氣化學(xué)能快速高效儲存太陽能的初步研究裝置和沼氣發(fā)酵裝置進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)了一套沼氣化學(xué)能儲存太陽能的裝置。裝置可利用豐富的生物質(zhì)能和太陽能資源，冬季采用太陽能集熱裝置加熱厭氧發(fā)酵裝置生產(chǎn)沼氣，滿足用戶用能需求；夏季溫度較高，太陽能熱水可以直接用于用戶生活需要；實(shí)現(xiàn)了全工況條件下太陽能的穩(wěn)定儲存和沼氣

10、化學(xué)能的供應(yīng)。本研究對改善農(nóng)村人居環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，推進(jìn)農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐，緩解農(nóng)村生活用能和工業(yè)用能之間的矛盾。1.4 跟蹤太陽且定向輸出光能的太陽能收集與高溫儲能技術(shù) 在太陽能熱開發(fā)利用中，要達(dá)到良好的使用效果及更高的經(jīng)濟(jì)效益，就必須同時解決3個問題，：當(dāng)太陽方位改變時，需要對跟蹤系統(tǒng)中小的反光鏡進(jìn)行微調(diào)，跟蹤系統(tǒng)比較復(fù)雜；反光鏡的有效反光面積會產(chǎn)生很大的變化，導(dǎo)致了整體效率較低及系統(tǒng)的輸出功率變化較大；對于這種每一個跟蹤系統(tǒng)對應(yīng)著一個集熱器，不利于防止熱能的散失和大規(guī)模統(tǒng)一利用及儲存熱能。目前的槽式、碟式和塔式太陽能發(fā)電裝置存在的也是上述部分或全部問題。太陽灶中存在的問題主要是用熱設(shè)備需要

11、隨著跟蹤運(yùn)動而運(yùn)動，造成使用不便；或者利用工質(zhì)將集熱器收集到的熱能轉(zhuǎn)移到固定的地方，造成熱損失較大，熱能利用溫度較低，進(jìn)而影響其熱效率和使用范圍。為此設(shè)計(jì)并試制了該太陽能收集與儲存裝置。此裝置利用凹面鏡聚光，在精確跟蹤太陽的同時利用光能傳輸管向定點(diǎn)輸出收集到的光能，光能在儲熱容器中轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行高溫儲存或利用。此裝置可用于太陽能炊事，也具有太陽能熱水器的功能；多個聚光系統(tǒng)與大型儲熱容器組合在一起還可以用于一定規(guī)模的太陽能熱發(fā)電。整個太陽能收集與儲存裝置包含三大系統(tǒng)：光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械跟蹤系統(tǒng)、光熱轉(zhuǎn)換和熱能儲存及利用系統(tǒng)。光熱轉(zhuǎn)換、儲存及利用系統(tǒng)的核心是儲熱容器。儲熱容器中心安置光熱轉(zhuǎn)換空腔，該空

12、腔外面填充儲熱介質(zhì)，再利用一層厚度適當(dāng)、導(dǎo)熱率低、耐高溫的隔熱介質(zhì)將儲熱介質(zhì)與容器壁隔開。在隔熱介質(zhì)中安置兩層連通的簧狀冷卻水管，兩層簧狀冷卻水管下端連接在一起，冷卻水從外層的上端進(jìn)，最終通過內(nèi)層的上端出。通過這兩層簧狀冷卻水管在絕熱材料中的合理布置，使冷卻水既能充分吸收向外傳遞的能量，又能把冷卻水加熱到一定的溫度。向外傳遞的熱量幾乎全部被循環(huán)冷卻水吸收，將此冷卻水儲存在保溫水箱中加以利用，從而充分利用收集到儲熱容器中的熱能。利用耐高溫、熱容較大的耐火材料作為高溫儲熱介質(zhì)，采用材料的顯熱高溫儲能，為能量的高溫利用做好準(zhǔn)備。從外壁到中心有適量的孔，用來把光能通入到光熱轉(zhuǎn)換空腔中。2 結(jié)語太陽能熱

13、儲存技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，無論從技術(shù)層面和投資成本來看，太陽能熱儲存技術(shù)都是太陽能利用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從現(xiàn)有的研究來看，顯熱儲存研究比較成熟，已經(jīng)發(fā)展到商業(yè)開發(fā)水平，但由于顯熱儲能密度低，儲熱裝置體積龐大，有一定局限性?；瘜W(xué)反應(yīng)儲熱雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但化學(xué)反應(yīng)過程復(fù)雜、有時需催化劑、有一定的安全性要求、一次性投資較大及整體效率仍較低等困難。隨著各種儲存方式與技術(shù)的快速發(fā)展，希望太陽能在我們的生活中利用越來越多。參考文獻(xiàn)1 毛宗強(qiáng);劉志祥;王誠;、萬年坊 “太陽氫”系統(tǒng)設(shè)計(jì) 期刊論文-化工裝備技術(shù)2010,31(1)2 周旭;何攀;鄭衛(wèi)剛 飛雕太陽能收集與高溫儲能技術(shù)裝置制作 期刊論文-ENERGY CONSERVATION 2010,29(8)3 An