能源的儲存方式與技術

1、能源的儲存方式與技術鄧樹洪中南大學 化學化工學院 應化0903 1505091021摘要：作為清潔、對環(huán)境友好的綠色能源，太陽能技術推廣和應用備受矚目。太陽能熱儲存技術是一項復雜的技術，無論從技術層面和投資成本來看，太陽能熱儲存技術都是太陽能利用中的關鍵環(huán)節(jié)。本文介紹了幾種太陽能的儲存方式。關鍵詞：太陽能 儲存方式與技術 能源是社會和經濟發(fā)展的重要物質基礎，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上。人類利用能源的歷史經歷了幾個階段：18世紀以前，木材在世界一次能源消費結構中長期占據首位；到19世紀下半葉，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結構中占據首位，由此開始了“石油時代。石油、煤炭等這些當前人們使用的主要能源都屬不可再生的礦物燃料。在當今世界，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)能源消費結構中，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)利用已經成為21世紀解決化石能源造成的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應等問題的重要途徑。其中，太陽能技術推廣和應用備受矚目。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，必須轉換成其它形式能量才能貯存。大容量、長時間、經濟地貯存太陽能，在技術上比較困難。1 儲存方式與技術1.1太陽氫系統(tǒng)儲存太陽能 可再生能源，特別時太陽能、風能都具有時間不穩(wěn)定和空間不穩(wěn)定的特點，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注?？茖W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)。為填補國內研究的空缺，清華大學核能與新能源技術研究院與殼牌氫能公司合作開展“太陽氫燃料電池”項目，確定試驗為：由太陽能光伏電池發(fā)電，用此電供應住房正

4、常使用。同時將不能及時用完的電驅動水電解設備制備氫氣和氧氣。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備儲氫及燃料電池發(fā)電設備組成“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)，人們對之認識有限。因此，安全是第一位。本實驗設置了五個氫氣檢測裝置，當其中任一氫氣檢測器的數值超標，都予以報警，并在延續(xù)三分鐘無人應答時，自動切斷電源，關閉系統(tǒng)，以確保安全。太陽氫系統(tǒng)是長遠項目，目前尚無經濟性可言。特別希望本太陽氫系統(tǒng)能達到最高的效率，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)，實際是不易實現的。美國麻省理工大學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。美國麻省理工學院研究人員發(fā)現的這個方法，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用的最大屏障。這項研究具有革命性飛躍的轉變，它將把太陽能從邊緣的非主流的替代能源轉變?yōu)橹髁髂茉?。麻省理工學院的能量學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，就能實現了。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，貯存在質子交換膜燃料電池中，創(chuàng)造出無碳的電力，實現白天或晚上，都能為建筑或電動汽車供電。這個流程的關鍵部分，是利用放置在水中的鈷金屬、磷以及電極，構成一種催化裝置，利用鈷和磷的催化作用，從水中生產02和H2。不管電能來自于光伏、風能渦輪機，或是其他來源，當電流流過電極以及鉆和磷酸構成的催化劑，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，是很容易實現的。陽光是解決世界能源問題，最具有潛力的能源。倫敦皇家學院的生物學教授Ernst chain是光合作用研究領域的領軍人物。他認為“這是一項重大的發(fā)現，它將對人類未來的繁榮昌盛起到巨大的影響。這項發(fā)現的重要性是不容忽視的。因為它打開了能源開發(fā)新技術的大門，從而提供減少人類對化石燃料的依賴以及應對全球氣候變化的手段。這項發(fā)現是朝著清潔、無碳能源方向發(fā)展的里程碑?！碑斎贿€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，因為現有的水和電流、電解反應以及人工光合作用，還不能適宜工業(yè)化生產。這些都

8、是非常昂貴的，且需要很嚴格的環(huán)境條件作為基礎，才能運行。1.3 沼氣發(fā)酵、沼氣化學能儲存太陽能 沼氣是有機物質在隔絕空氣和保持一定水分、溫度、酸堿度等條件下，經過多種微生物(統(tǒng)稱沼氣細菌)的分解而產生的。沼氣細菌分解有機物質產生沼氣的過程，叫沼氣發(fā)酵。沼氣是一種混合氣體，可以燃燒，因為這種氣體最早是在沼澤中被發(fā)現的，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)酵的產氣效率以及所產沼氣中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)定運行，提高了有機物分解利用率和產氣效率，與未加太

9、陽能集熱系統(tǒng)的發(fā)酵系統(tǒng)相比較，同周期內所產CH4量大幅增加，所增產的該部分CH4的熱值，我們即可將其等效的認同為該周期內整套系統(tǒng)所儲存的太陽能，即一部分太陽能經由該系統(tǒng)轉化成了沼氣化學能。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中存在的問題，將太陽能中低溫集熱沼氣化學能快速高效儲存太陽能的初步研究裝置和沼氣發(fā)酵裝置進行組合，設計了一套沼氣化學能儲存太陽能的裝置。裝置可利用豐富的生物質能和太陽能資源，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；實現了全工況條件下太陽能的穩(wěn)定儲存和沼氣

10、化學能的供應。本研究對改善農村人居環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，推進農村城鎮(zhèn)化建設步伐，緩解農村生活用能和工業(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 在太陽能熱開發(fā)利用中，要達到良好的使用效果及更高的經濟效益，就必須同時解決3個問題，：當太陽方位改變時，需要對跟蹤系統(tǒng)中小的反光鏡進行微調，跟蹤系統(tǒng)比較復雜；反光鏡的有效反光面積會產生很大的變化，導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備需要

11、隨著跟蹤運動而運動，造成使用不便；或者利用工質將集熱器收集到的熱能轉移到固定的地方，造成熱損失較大，熱能利用溫度較低，進而影響其熱效率和使用范圍。為此設計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輸出收集到的光能，光能在儲熱容器中轉化為熱能進行高溫儲存或利用。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)：光學系統(tǒng)、機械跟蹤系統(tǒng)、光熱轉換和熱能儲存及利用系統(tǒng)。光熱轉換、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換空腔，該空

12、腔外面填充儲熱介質，再利用一層厚度適當、導熱率低、耐高溫的隔熱介質將儲熱介質與容器壁隔開。在隔熱介質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，最終通過內層的上端出。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，采用材料的顯熱高溫儲能，為能量的高溫利用做好準備。從外壁到中心有適量的孔，用來把光能通入到光熱轉換空腔中。2 結語太陽能熱

13、儲存技術是一項復雜的技術，無論從技術層面和投資成本來看，太陽能熱儲存技術都是太陽能利用中的關鍵環(huán)節(jié)。從現有的研究來看，顯熱儲存研究比較成熟，已經發(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反應儲熱雖然具有很多優(yōu)點，但化學反應過程復雜、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1 毛宗強;劉志祥;王誠;、萬年坊 “太陽氫”系統(tǒng)設計 期刊論文-化工裝備技術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裝置制作 期刊論文-ENERGY CONSERVATION 2010,29(8)3 An