太陽能高效存儲和能質(zhì)傳遞修改

太陽能高效存儲與能質(zhì)傳遞的機理和方法廖強低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室重慶大學(xué)當(dāng)前第1頁\共有36頁\編于星期三\22點一背景簡介二太陽能存儲技術(shù)三其中的熱物理問題四擬開展研究工作匯報提綱當(dāng)前第2頁\共有36頁\編于星期三\22點一背景簡介二太陽能存儲技術(shù)三其中的熱物理問題四擬開展研究工作匯報提綱當(dāng)前第3頁\共有36頁\編于星期三\22點優(yōu)勢

太陽能是免費的太陽能是可再生且環(huán)境友好的能源可以替代化石能源分布廣泛中國日照豐富背景簡介能源危機環(huán)境污染尋求可再生能源太陽能：一種最有前景的可再生能源當(dāng)前第4頁\共有36頁\編于星期三\22點太陽能在中國的分布太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速背景簡介全球可利用太陽能分布情況最典型的太陽能利用方式直接利用：光伏發(fā)電當(dāng)前第5頁\共有36頁\編于星期三\22點太陽能無法運輸穩(wěn)定可靠形式多樣化地域分布不均能量不穩(wěn)定直接或間接的能量傳輸無法保證能量供應(yīng)的連續(xù)性太陽能存儲太陽能高效存儲的必要性太陽能直接利用存在的問題背景簡介當(dāng)前第6頁\共有36頁\編于星期三\22點太陽能儲存熱能儲存熱化學(xué)燃料儲存利用儲熱材料的熱容量，通過升高或降低材料的溫度而實現(xiàn)熱量的儲存或釋放的過程。利用儲熱材料在熱作用下發(fā)生相變而產(chǎn)生熱量儲存的過程。利用化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱的形式來進行儲熱顯熱儲存潛熱儲存反應(yīng)熱儲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，太陽能熱驅(qū)動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能蓄熱的研究重點。背景簡介煤氣化化石燃料裂解當(dāng)前第7頁\共有36頁\編于星期三\22點一背景簡介二太陽能存儲技術(shù)三其中的熱物理問題四擬開展研究工作匯報提綱當(dāng)前第8頁\共有36頁\編于星期三\22點一背景簡介二太陽能存儲技術(shù)三其中的熱物理問題四擬開展研究工作匯報提綱當(dāng)前第9頁\共有36頁\編于星期三\22點熔融鹽（moltensalt）：熔融鹽是鹽的熔融態(tài)液體。形成熔融態(tài)的無機鹽其固態(tài)大部分為離子晶體，在高溫下熔化后形成離子熔體。該蓄熱方式對于提高太陽能光熱發(fā)電技術(shù)具有重要意義，利用熔融鹽作為蓄熱工質(zhì)是未來太陽能光熱發(fā)電研究的重點。太陽能存儲技術(shù)-熔融鹽蓄熱熔融鹽研究和應(yīng)用：美國國家太陽能實驗中心美國SolarTwo太陽能電站意大利阿基米德太陽能電站當(dāng)前第10頁\共有36頁\編于星期三\22點熔融鹽的優(yōu)點：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：1、高溫分解問題和腐蝕問題2、熔鹽的低溫凝固問題熔融鹽工作流程：冷罐熔融鹽運送至加熱位置熔融鹽吸收太陽能熱罐熔融鹽放熱發(fā)電太陽能存儲技術(shù)-熔融鹽蓄熱當(dāng)前第11頁\共有36頁\編于星期三\22點主要用于顯熱儲存，其是儲存太陽能的簡便方法。自然界的巖石、石英砂、土壤等是常用的固體儲能材料。這類儲能材料導(dǎo)熱系數(shù)較高、溫度承受能力強、材料成本低。該類材料可以廣泛應(yīng)用于民用太陽能熱水、采暖儲能，以及太陽能熱力發(fā)電儲能。太陽能存儲技術(shù)-固體材料存儲巖石儲能：▲導(dǎo)熱系數(shù)大，能量可以及時存儲和取出，可耐受高溫▲利用熱空氣將太陽能集熱器收集的能量對流換熱存儲到巖石床層固體材料蓄熱當(dāng)前第12頁\共有36頁\編于星期三\22點石英砂儲能：▲熱穩(wěn)定性好，可耐受高溫▲利用空氣作為傳熱介質(zhì)，通過氣固換熱器或者換熱管將太陽能集熱器中的熱能儲存到石砂體中太陽能存儲技術(shù)-固體材料存儲當(dāng)前第13頁\共有36頁\編于星期三\22點土壤儲能：▲使用成本低、維護成本低▲利用太陽照射將太陽能以熱能的形式存儲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太陽能存儲技術(shù)-固體材料存儲當(dāng)前第14頁\共有36頁\編于星期三\22點蓄熱相變材料的性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無腐蝕性無毒、無危害、不易燃較小的過冷度、高的晶體生長速率凝固時體積變化小高的熱導(dǎo)率可循環(huán)利用太陽能存儲技術(shù)-相變材料存儲常見蓄熱相變材料基本原理：當(dāng)前第15頁\共有36頁\編于星期三\22點相變材料存儲太陽能的利用運用在建筑節(jié)能運用在電廠發(fā)電運用在太陽能廚具太陽能存儲技術(shù)-相變材料存儲當(dāng)前第16頁\共有36頁\編于星期三\22點太陽能存儲的方法之一，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)太陽照射時，他能把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，達到蓄熱作用，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。太陽能存儲技術(shù)-Na2SO4工人搜集芒硝加工處理太陽能小屋Na2SO4+10H2ONa2SO4·10H2O+QNa2SO4·10H2O+QNa2SO4+10H2O反應(yīng)方程式：當(dāng)前第17頁\共有36頁\編于星期三\22點通過中溫太陽熱能與甲醇吸熱分解特性的有機集成，低品位的中低溫太陽能轉(zhuǎn)換為高品位化學(xué)能，并以合成氣(CO,H2)的形式被儲存。太陽能熱解甲醇太陽能熱解甲醇熱化學(xué)能量轉(zhuǎn)化過程機制太陽能/甲醇裂解的發(fā)電系統(tǒng)太陽能熱化學(xué)能量轉(zhuǎn)化過程太陽能存儲技術(shù)-熱解甲醇當(dāng)前第18頁\共有36頁\編于星期三\22點太陽能存儲技術(shù)-天然氣重整制氫太陽能驅(qū)動天然氣重整制氫天然氣重整制氫是一個強吸熱反應(yīng)。通過重整反應(yīng)，提升為化學(xué)能的太陽能占甲烷熱值份額為28%。反應(yīng)產(chǎn)物的合成氣可以通過傳統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)進行發(fā)電，可實現(xiàn)CO2減排20%。反應(yīng)方程式：太陽能驅(qū)動天然氣重整制氫過程世界首臺50MW太陽能驅(qū)動天然氣重整示范發(fā)電站當(dāng)前第19頁\共有36頁\編于星期三\22點太陽能存儲技術(shù)-天然氣裂解太陽能驅(qū)動天然氣裂解太陽能高溫裂解化石燃料過程是講天然氣，油和其他碳氫化合物加熱到高溫下發(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單地將固態(tài)的碳黑分離出去即可，同時在該過程中發(fā)生脫碳。太陽能驅(qū)動天然氣裂解制氫過程反應(yīng)方程式：當(dāng)前第20頁\共有36頁\編于星期三\22點太陽能存儲技術(shù)-太陽能驅(qū)動的煤氣化太陽能驅(qū)動的煤氣化煤與CO2或者水蒸氣的氣化過程是一個強吸熱反應(yīng)，決定于能源和高溫?zé)崃抗┙o。煤氣化包括兩個過程：高溫分解和焦炭氣化。理想情況下，反應(yīng)吸熱的太陽能約占煤熱值的44%-45%。產(chǎn)生的合成氣可用于發(fā)電。反應(yīng)方程式：太陽能驅(qū)動的煤氣化當(dāng)前第21頁\共有36頁\編于星期三\22點太陽能存儲技術(shù)-光流體的應(yīng)用光流體=光+流體常規(guī)反應(yīng)光流體微反應(yīng)器比表面積

<60010000–300000傳質(zhì)距離<1-10m<10-200um光程1-10m10-200um光照情況

NonuniformUniform反應(yīng)時間hoursseconds光流體微反應(yīng)器對太陽能有更好的吸收和轉(zhuǎn)化能力光流體技術(shù)對于太陽能高效存儲有巨大的應(yīng)用潛力光流體微反應(yīng)器的特征當(dāng)前第22頁\共有36頁\編于星期三\22點一背景簡介二太陽能存儲技術(shù)三其中的熱物理問題四擬開展研究工作匯報提綱當(dāng)前第23頁\共有36頁\編于星期三\22點一背景簡介二太陽能存儲技術(shù)三其中的熱物理問題四擬開展研究工作匯報提綱當(dāng)前第24頁\共有36頁\編于星期三\22點太陽能光熱技術(shù)太陽能光熱技術(shù)是以各種形式的集熱器技術(shù)將太陽輻射收集并存儲為熱能形式加以應(yīng)用。太陽能熱存儲技術(shù)是以特定技術(shù)裝置存儲已經(jīng)轉(zhuǎn)換并收集的太陽熱，并能夠以非即收即用的形式，在太陽輻射較弱的時間或無太陽輻射的夜間，能夠重新取用的能量存儲技術(shù)。非聚光集熱器聚光集熱器太陽能存儲與能質(zhì)傳遞當(dāng)前第25頁\共有36頁\編于星期三\22點顯熱存儲反應(yīng)熱存儲潛熱存儲太陽能熱存儲形式采用水、巖石、土壤、地下巖層及水層等顯熱存儲材料采用相變蓄熱存儲材料（PCM)利用正反向化學(xué)反應(yīng)的吸熱與放熱，將熱量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能蓄放緊湊式儲熱床顯熱太陽能空氣系統(tǒng)相變儲熱自然循環(huán)開環(huán)太陽熱水系統(tǒng)相變儲熱水箱太陽能存儲與能質(zhì)傳遞當(dāng)前第26頁\共有36頁\編于星期三\22點設(shè)計選擇性吸收材料及其結(jié)構(gòu)將太陽輻射能收集起來，通過光與物質(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：太陽光輻射能儲熱介質(zhì)（礫石、水等）蓄熱量計算公式：e.g.水的單位質(zhì)量的熱容量相當(dāng)高，1kg水客儲存4.18kJ/℃的熱能，金屬銅、鐵、鋁分別為3.73，3.64，2.64kJ/℃，固體巖石約為1.7kJ/℃。潛熱：太陽光輻射能

相變材料（結(jié)晶水合鹽、有機材料如石蠟等）。以固體蓄熱材料為例，蓄熱量計算公式：

光熱轉(zhuǎn)換的基本原理：太陽能存儲與能質(zhì)傳遞當(dāng)前第27頁\共有36頁\編于星期三\22點反應(yīng)熱存儲：太陽光輻射能儲熱材料（結(jié)晶水合物、無極氫氧化物等）。蓄熱量計算公式：e.g.結(jié)晶水合物

無機氫氧化物

金屬氧（氫）化物

類似此類儲熱體系的還有太陽能存儲與能質(zhì)傳遞當(dāng)前第28頁\共有36頁\編于星期三\22點由于世界的飛速發(fā)展，大自然留給我們的資源越來越少，從能源方面考慮，光解水制氫是光化學(xué)轉(zhuǎn)化與存儲的最好途徑。氫燃燒后生成水，是便于儲存于運輸?shù)目稍偕茉础Ｌ柲芄獯呋纸馑茪涮柲芄獯呋纸馑茪?，是太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能最理想的途徑光化學(xué)能轉(zhuǎn)化光合作用和光催化水解制氫是最主要的方式太陽能存儲與能質(zhì)傳遞當(dāng)前第29頁\共有36頁\編于星期三\22點)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碳同化光合作用能質(zhì)傳遞太陽能存儲與能質(zhì)傳遞當(dāng)前第30頁\共有36頁\編于星期三\22點光催化水解制氫能質(zhì)傳遞激發(fā)活化配位絡(luò)合能量傳遞電子傳遞電子遷移及光轉(zhuǎn)化機理能級激發(fā)與轉(zhuǎn)化機理太陽能存儲與能質(zhì)傳遞當(dāng)前第31頁\共有36頁\編于星期三\22點photocatalyst光催化還原CO2能質(zhì)傳遞Hydrocarbon激發(fā)活化

光生電子（強還原性）光生空穴（強氧化性）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Reaction

E0redox/(VvsNHE)CO2

+H++2e-→HCO2––0.49CO2

+2H+

+2e-→CO+H2O–0.53CO2

+4H+

+4e-→HCHO+H2O–0.48CO2

+6H+

+6e-→CH3OH+H2O–0.38CO2

+8H+

+8e-→CH4

+2H2O–0.24太陽能存儲與能質(zhì)傳遞當(dāng)前第32頁\共有36頁\編于星期三\22點一背景簡介二太陽能存儲技術(shù)三其中的熱物理問題四擬開展研究工作匯報提綱當(dāng)前第33頁\共有36頁\編于星期三\22點一背景簡介二太陽能存儲技術(shù)三其中的熱物理問題四擬開展研究工作匯報提綱當(dāng)前第34頁\共有36頁\編于星期三\22點光熱效應(yīng)導(dǎo)致