太阳能相变贮能的研究应用

摘　要　太阳能相变贮能是目前很理想的一种贮能方式。本文介绍了固液相变贮能原理以及相变物质的选择要求，并阐述了此项技术在太阳热水器方面的应用。



Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＆ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ Ｐｈａｓｅ－ｃｈａｎｇｉｎｇ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ by Sun Bolu* Ａｂｓｔｒａｃｔ　 Phase-changing solar energy storage is an ideal.energy storage method now.This paper introduces.the principle of phase-changing energy.storage between solid and liquid,and selection requirement of phase change matierals. Additionally,describes its application on solar water heaters. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ phase-changing energy storagesolar radiant heatsolar water heater



引言 太阳能能量密度低，特别是冬季，无法解决一天24h总可以利用太阳辐射获得的能量满足采暖、烘干等问题。科学家把目光集中到能量贮存的实用技术研究领域，并利用大量的实验数据解决相变贮能问题。



1　相变贮能原理 相变贮能就是利用太阳能或低峰谷电能加热相变物质，使其吸收能量发生相变（如从固态变为液态），把太阳能贮存起来。在没有太阳的时间里，又从液态回复到固态，并释放出热能，相变贮能是针对物质的潜热贮存提出来的，它不同于太阳热水器利用水介质的显热贮能，对于温度波动小的采暖循环过程，相变贮能非常高效。



2　相变物质的选择 现采暖，这就把太阳能的供暖时间人为地延长，从而能够实现连续地使用廉价的太阳能量获得全天候采暖的目的。目前这个领域的研究和开发是太阳能利用的又一重点，不少厂家或研究单位都研制出了一些样机，整个趋势向着智能化控制的合理调配和高效能采暖的方向发展。对于所选择的相变物质要求非常严格，它要服从以下原则：相变温度适宜；相变潜热高；相变是可逆的，重复循环不变质；液相和固相的导热系数和导温系数高；密度大；比热容大；相变体积变化小；蒸汽压低，能在常温下操作；无毒；无腐蚀性；无过冷现象。这些条件中最主要的是相变温度合适，相变潜热高和价格便宜。通常要在选定好的相变物质中加入导温系数高的填料，可作填料的有金属、陶瓷和热解石墨。金属中以铝的综合性能最好。陶瓷中氧化铍和三氧化二铝为佳。热解石墨是一种极端各向异性的材料，纵向和横向的导温系数相差很大；纵向为10cm2/s，横向为0.04cm2/s，因此用它做填料时，应该使其纵向与热流方向平行，这将会极大地改善系统的导温性能。



现已开发的相变贮能物质分为水化盐类：如Na2SO4·10H2O（芒硝）；熔盐类：如硝酸盐类。它们不但价格便宜，而且对金属材料没有腐蚀性，一般熔点在300℃左右，500℃以下不会分解，但其导热系数低，熔解热小。比较常用的还有60%碳酸钾和40%碳酸钠的混合物，熔点可达704℃，比热容0.92kJ/（kg·℃），熔解热364 kJ/kg，但缺点是腐蚀性很大。另外还有有机相变材料和特殊性能的相变材料（如用于航天事业的相变材料）等。



3　利用太阳能进行相变贮能的开发及应用 国内不少科研单位正在相变贮能课题上探讨，尤其是研究它在太阳能采暖方面的应用。天津洪帆环保新能源有限公司和青岛桑达利环保新能源设备有限公司已经利用其专有技术进行研制开发，具备了生产各种太阳能相变贮能设备的能力。目前公司正在开发一种全新概念的采暖模式，即利用太阳能和辅助低谷电能，通过相变贮能和智能化控制实现全新的采暖方式，这种采暖系统有望成为小区或独立用户最经济和环保的采暖形式。



利用太阳能作为常年运行的能源，使用低谷电能和相变贮能系统贮存热能，同时，在系统中加入智能化控制技术，利用传感器指示的温度设定所需值，确定家中有人和人员外出状态下切换温度状态，实现节能；家中有人时充分采暖，家中无人时，自动控制系统进入保温状态。经过在北京的试运行，和集中供暖相比，可以节省费用30%以上，而且不产生任何污染。 生活中供利用的热源有很多，烟道、家用电器、冷凝器和散热器的外端等，因为没有一种贮能的手段，相变贮能可以收集这些没有被合理利用的余热、废热，通过热交换把热能充分保存在一个封闭的系统之中。这样厨房作饭时产生的废热、冰箱散热系统产生的废热等都可以输送至贮能系统贮存起来用在采暖方面。



青岛桑达利环保新能源设备有限公司生产和经营的太阳能相变贮能采暖设备，是利用一种特殊的聚焦太阳能罩板对太阳辐射能量进行大面积采集吸收，然后将能量传给介质水，使其升温。它不象一般市售的太阳热水器那样有一个大水箱，而是在集热器的热管冷凝系统内组装一个水量很少的微型水箱。室内在与暖气系统连接的位置上安装一个微型的换热器，这个换热器的效率很高，可以瞬间将洗浴、采暖、炊事所用的自来水加热到60～70℃。室内水箱含有相变贮能的夹层或盘管，家中无人时，相变物融化吸热，贮存热能。阴天和夜间，相变物重新凝固，同时放出热能继续维持采暖。为了充分保证热水的温度，设备的室内水箱里加了一个500～800W的小型辅助电加热棒，他的工作时间靠一个智能化仪表进行模糊控制。这样，系统建立起来后可以同时满足采暖、洗浴、洗衣、刷碗等用途的热水供应。这种设备适合在写字楼、公共场合、居室、实验室、病房等处使用。



4　结语 在建设部强调太阳能利用和建筑设计、建筑施工一体化进行的精神引领下，相信会有更多新型的太阳能综合利用的集热和贮能设备诞生。人类利用太阳能将会进入一个崭新的领域