能源的储存方式与技术邓树洪中南大学 化学化工学院 应化0903 1505091021摘要：作为清洁、对环境友好的绿色能源，太阳能技术推广和应用备受瞩目。太阳能热储存技术是一项复杂的技术，无论从技术层面和投资成本来看，太阳能热储存技术都是太阳能利用中的关键环节。本文介绍了几种太阳能的储存方式。关键词：太阳能 储存方式与技术 能源是社会和经济发展的重要物质基础，也是提高人们生活水平的先决条件。人类社会要发展，必须建筑在大量消耗能源的基础上。人类利用能源的历史经历了几个阶段：18世纪以前，木材在世界一次能源消费结构中长期占据首位；到19世纪下半叶，煤炭取代木材等成为主要能源；1965年，石油首次取代煤炭在世界能源消费结构中占据首位，由此开始了“石油时代。石油、煤炭等这些当前人们使用的主要能源都属不可再生的矿物燃料。在当今世界，矿物燃料提供世界91的一次商品能源，其中煤炭占28，石油超过40。在亚澳地区能源消费结构中，矿物燃料占93.5，其中煤炭占48.3，石油占3 7.3，然而，地球上矿物燃料的储量是有限的。作为清洁、对环境友好的绿色能源，可再生能源的规模开发利用已经成为21世纪解决化石能源造成的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的重要途径。其中，太阳能技术推广和应用备受瞩目。地面上接受到的太阳能，受气候、昼夜、季节的影响，具有间断性和不稳定性。因此，太阳能贮存十分必要，尤其对于大规模利用太阳能更为必要。太阳能不能直接贮存，必须转换成其它形式能量才能贮存。大容量、长时间、经济地贮存太阳能，在技术上比较困难。1 储存方式与技术1.1太阳氢系统储存太阳能 可再生能源，特别时太阳能、风能都具有时间不稳定和空间不稳定的特点，而氢作为重要的能源载体，可以解决可再生能源的稳定性问题，也就格外引起人们的关注。科学家对可再生能源氢能源系统抱有很大的期望。我国在氢能的开发方面做了大量的工作并取得令人瞩目的成果。不过，还没有研究过可再生能源氢能系统。为填补国内研究的空缺，清华大学核能与新能源技术研究院与壳牌氢能公司合作开展“太阳氢燃料电池”项目，确定试验为：由太阳能光伏电池发电，用此电供应住房正常使用。同时将不能及时用完的电驱动水电解设备制备氢气和氧气。用高压储罐和储氢合金储存氢气。在住户需要电时，再由燃料电池系统发电，提供给用户。由此，太阳能光伏电池水电解设备储氢及燃料电池发电设备组成“太阳氢燃料电池”系统。由于太阳氢系统是未来的能源系统，人们对之认识有限。因此，安全是第一位。本实验设置了五个氢气检测装置，当其中任一氢气检测器的数值超标，都予以报警，并在延续三分钟无人应答时，自动切断电源，关闭系统，以确保安全。太阳氢系统是长远项目，目前尚无经济性可言。特别希望本太阳氢系统能达到最高的效率，具有和其他能源系统竞争的能力。1.2 利用植物能量储存系统贮存太阳能一直以来太阳能只能作为白天使用的能源。直到如今，贮存额外的太阳能，供以后使用，由于受制于昂贵和低效的能量贮存系统，实际是不易实现的。美国麻省理工大学的研究人员受植物光合作用的启发，发明了一种简单、廉价且高效的存储太阳能的方法。这种方法需要的只是无公害的，且丰富的自然界的物质。美国麻省理工学院研究人员发现的这个方法，能够存储太阳能的能量，供没有阳光的时候使用，可以克服太阳能要被大量应用的最大屏障。这项研究具有革命性飞跃的转变，它将把太阳能从边缘的非主流的替代能源转变为主流能源。麻省理工学院的能量学教授和高级研究人员Daniel Nocera和Henry Dreyfus，声明：这是我们期待了多年的愿望。一直以来，太阳能只能作为有限的遥不可及的能源，供人类使用。不久的将来，我们把太阳能作为无限量能源的来源，就能实现了。Nocera与Matthew kanan在研究的过程中，开发了将太阳的能量，用于把水分解成H2和O2的流程。随后，再将H2和02重新组合的能量，贮存在质子交换膜燃料电池中，创造出无碳的电力，实现白天或晚上，都能为建筑或电动汽车供电。这个流程的关键部分，是利用放置在水中的钴金属、磷以及电极，构成一种催化装置，利用钴和磷的催化作用，从水中生产02和H2。不管电能来自于光伏、风能涡轮机，或是其他来源，当电流流过电极以及钻和磷酸构成的催化剂，就会形成薄膜电极对。在其催化作用下，如，铂，能够从水中生产出H2。整个系统仿佛完成光合作用下的，水的分解过程。这种新的催化系统，工作在pH中性环境和室温条件下，是很容易实现的。阳光是解决世界能源问题，最具有潜力的能源。伦敦皇家学院的生物学教授Ernst chain是光合作用研究领域的领军人物。他认为“这是一项重大的发现，它将对人类未来的繁荣昌盛起到巨大的影响。这项发现的重要性是不容忽视的。因为它打开了能源开发新技术的大门，从而提供减少人类对化石燃料的依赖以及应对全球气候变化的手段。这项发现是朝着清洁、无碳能源方向发展的里程碑。”当然还有更多的事情需要继续深入研究。虽然这只是个好的开端，因为现有的水和电流、电解反应以及人工光合作用，还不能适宜工业化生产。这些都是非常昂贵的，且需要很严格的环境条件作为基础，才能运行。1.3 沼气发酵、沼气化学能储存太阳能 沼气是有机物质在隔绝空气和保持一定水分、温度、酸碱度等条件下，经过多种微生物(统称沼气细菌)的分解而产生的。沼气细菌分解有机物质产生沼气的过程，叫沼气发酵。沼气是一种混合气体，可以燃烧，因为这种气体最早是在沼泽中被发现的，所以称之为沼气。厌氧发酵过程中，温度过低或温度波动过快，会降低厌氧发酵的产气效率以及所产沼气中CH4的含量，利用太阳能集热系统收集太阳能热能，以热水为媒介将热量提供给发酵系统，并通过控制装置维持发酵系统温度的稳定，使得发酵系统高效稳定运行，提高了有机物分解利用率和产气效率，与未加太阳能集热系统的发酵系统相比较，同周期内所产CH4量大幅增加，所增产的该部分CH4的热值，我们即可将其等效的认同为该周期内整套系统所储存的太阳能，即一部分太阳能经由该系统转化成了沼气化学能。在能源短缺的大环境下，从提出可再生能源利用的新方法入手，针对太阳能热储存和沼气生产中存在的问题，将太阳能中低温集热沼气化学能快速高效储存太阳能的初步研究装置和沼气发酵装置进行组合，设计了一套沼气化学能储存太阳能的装置。装置可利用丰富的生物质能和太阳能资源，冬季采用太阳能集热装置加热厌氧发酵装置生产沼气，满足用户用能需求；夏季温度较高，太阳能热水可以直接用于用户生活需要；实现了全工况条件下太阳能的稳定储存和沼气化学能的供应。本研究对改善农村人居环境和生态环境，推进农村城镇化建设步伐，缓解农村生活用能和工业用能之间的矛盾。1.4 跟踪太阳且定向输出光能的太阳能收集与高温储能技术 在太阳能热开发利用中，要达到良好的使用效果及更高的经济效益，就必须同时解决3个问题，：当太阳方位改变时，需要对跟踪系统中小的反光镜进行微调，跟踪系统比较复杂；反光镜的有效反光面积会产生很大的变化，导致了整体效率较低及系统的输出功率变化较大；对于这种每一个跟踪系统对应着一个集热器，不利于防止热能的散失和大规模统一利用及储存热能。目前的槽式、碟式和塔式太阳能发电装置存在的也是上述部分或全部问题。太阳灶中存在的问题主要是用热设备需要随着跟踪运动而运动，造成使用不便；或者利用工质将集热器收集到的热能转移到固定的地方，造成热损失较大，热能利用温度较低，进而影响其热效率和使用范围。为此设计并试制了该太阳能收集与储存装置。此装置利用凹面镜聚光，在精确跟踪太阳的同时利用光能传输管向定点输出收集到的光能，光能在储热容器中转化为热能进行高温储存或利用。此装置可用于太阳能炊事，也具有太阳能热水器的功能；多个聚光系统与大型储热容器组合在一起还可以用于一定规模的太阳能热发电。整个太阳能收集与储存装置包含三大系统：光学系统、机械跟踪系统、光热转换和热能储存及利用系统。光热转换、储存及利用系统的核心是储热容器。储热容器中心安置光热转换空腔，该空腔外面填充储热介质，再利用一层厚度适当、导热率低、耐高温的隔热介质将储热介质与容器壁隔开。在隔热介质中安置两层连通的簧状冷却水管，两层簧状冷却水管下端连接在一起，冷却水从外层的上端进，最终通过内层的上端出。通过这两层簧状冷却水管在绝热材料中的合理布置，使冷却水既能充分吸收向外传递的能量，又能把冷却水加热到一定的温度。向外传递的热量几乎全部被循环冷却水吸收，将此冷却水储存在保温水箱中加以利用，从而充分利用收集到储热容器中的热能。利用耐高温、热容较大的耐火材料作为高温储热介质，采用材料的显热高温储能，为能量的高温利用做好准备。从外壁到中心有适量的孔，用来把光能通入到光热转换空腔中。2 结语太阳能热储存技术是一项复杂的技术，无论从技术层面和投资成本来看，太阳能热储存技术都是太阳能利用中的关键环节。从现有的研究来看，显热储存研究比较成熟，已经发展到商业开发水平，但由于显热储能密度低，储热装置体积庞大，有一定局限性。化学反应储热虽然具有很多优点，但化学反应过程复杂、有时需催化剂、有一定的安全性要求、一次性投资较大及整体效率仍较低等困难。随着各种储存方式与技术的快速发展，希望太阳能在我们的生活中利用越来越多。参考文献1 毛宗强;刘志祥;王诚;、万年坊 “太阳氢”系统设计 期刊论文-化工装备技术2010,31(1)2 周旭;何攀;郑卫刚 飞雕太阳能收集与高温储能技术装置制作 期刊论文-ENERGY CONSERVATION 2010,29(8)3 Ann Steffora Mutschler 利用植物能量储存系统贮存太阳能的创新 期刊论文-山西能源与节能 2009(3)4 何攀， 周旭， 戴燕， 欧阳浩， 田林雳， 胡骅， 郑卫刚 新型太阳能收集与储存装置适时跟踪太阳且定向输出光能的太阳能收集与高温储能技术会议论文-20115 马涛 沼气化学能快速高效储存太阳热能的初步研究 硕士论文6 张学庆.刘波 储能装置在风光储联合发电系统中的应用会议论文-2011