「科普」太陽能光熱與儲熱

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北極星太陽能光伏網訊:太陽發出的太陽輻射是地球上所有自然能量的來源。但是，大多數的太陽輻射會反射回太空。到達地球表面的輻射只有三部分，即可見光，紫外線和紅外輻射。接收到的太陽輻射中約40-45%位於400至700nm之間的可見光譜中。在700nm–1mm之間的紅外線佔最大份額，為50–55%，而在100–400nm之間的紫外線輻射則最小，為5–10％。

（來源：微信公眾號「CSPFocus光熱發電資訊」 ID：cspfocus）

近年來，我們越來越善於使用太陽能電池板利用可見光。但是，我們不能否認，熱能仍然是主要的組成部分，而且可能是最古老的能源。太陽能光熱（CSP）系統使用反射鏡從入射的紅外輻射中收集熱能。光熱如何工作？所有太陽能光熱（CSP）系統都通過使用多個反射鏡陣列將大面積的散射陽光聚焦到熱接收器上來工作。首先，陽光照射到鏡子陣列上。然後，鏡子收集陽光並將其反射（重定向）到接收器。大多數現代反射鏡都能跟蹤太陽的位置以收集最大量的陽光。接收器實際上是裝滿工作流體的管道。因此，根據反射鏡的類型和所使用的流體，工作流體的溫度會升高到500度（甚至更高）。最終，流體流向熱能發電系統，在此流體中的熱量通過換熱產生蒸汽，從而驅動汽輪機發電。術語「工作流體」是指通過流動傳遞熱量的流體。

圖1 – 塔式太陽能光熱電站

圖1顯示了定日鏡將太陽光聚焦在中央接收器上。光熱電站產生的能量實際上可以滿足任何需求，特別是在陽光充足的地方。例如，世界上最大的光熱電站集群在摩洛哥。它的容量為500MW，可為110萬摩洛哥人供電。

現有各種各樣的光熱系統可以利用太陽的熱能，常見的集熱器技術是：槽式集熱器，線性菲涅爾集熱器，太陽能塔式集熱器，碟式集熱器。

儲熱（TES）系統

太陽能的主要缺點是在特定時間段內的不連續性。例如，遮蔽日光的雲層抑制了太陽能的發電。因此，將太陽能光熱電站與儲熱系統集成在一起是解決此問題的絕妙竅門。

與其他大多數能源系統類似，（過量的）熱能在明媚的陽光下存儲起來，在太陽強度可忽略或不可用時釋放。目前共有三種類型的儲熱系統：顯熱儲熱，潛熱儲熱，熱化學儲熱。

顯熱存儲

在能量存儲期間，通過增加存儲材料的溫度來存儲熱能。另一方面，通過降低材料的溫度從材料中吸收熱量以發電。

但是，該材料不會發生任何相變。換句話說，材料不會在物質的三種狀態（固體，液體和氣體）之間轉換。由於該過程不涉及相變，因此工程師需要具有高比容量、能量密度和導熱率的材料，這也是這種類型材料的缺點。更重要的是，整個過程不會改變存儲材料的化學性質。

顯熱存儲中使用的固體材料以低成本提供了高導熱率（0.05–5$/kg）。它們還為加熱過程提供了廣泛的溫度範圍（200–1200°C）。混凝土和陶瓷是受歡迎的選擇。

固體固然有其優勢，但液體存儲材料主導了整個行業。像太陽鹽和HitecXL這樣的熔融鹽是兩個最常見的例子。顧名思義，這些鹽雖然在室溫（25°C）下為固體，但在高溫下會熔化成液體。此外，熔融鹽無毒且熱穩定。

某些光熱電站甚至採用了第三種物質狀態來儲熱，即利用壓縮空氣或蒸汽等氣態物質。儘管這種材料具有經濟性，並且可以提供較大的工作溫度範圍，但與液態或固態材料相比，它們的導熱係數和能量密度都較低。

潛熱儲存

在潛熱存儲中，當存儲材料在恆定溫度下經歷相變時，熱能被存儲/提取。簡而言之，當材料熔化/凝固/蒸發/冷凝時，它會釋放或存儲所需要的熱能。

像顯熱存儲一樣，它也是純物理過程，材料的化學性質沒有變化。這些材料稱為相變材料（PCM）。由於材料在相變過程中存儲/釋放，因此它們可以在較小的溫度範圍內進行能量交換，並顯示出更高的能量密度。

然而，它們的主要缺點是低導熱率導致相之間的過渡速度極慢。為了解決這個問題，設計人員混合了諸如石墨之類的添加劑以提高導熱率，並通過控制添加劑的劑量來改變導熱率。

雖然有更好的選擇，例如由金屬合金製成的材料，但價格昂貴。俗話說「天下沒有免費的午餐！」

熱化學儲熱

與前兩個儲熱系統不同，可逆的吸熱化學反應會消耗太陽能。由於發生化學反應，使新形成的產物存儲太陽能。當這些新產品轉換回原始反應物時，它們釋放了儲存的太陽能。

「光合作用—呼吸」是熱化學儲熱的一個很好的例子。一方面，光合作用利用太陽能（儘管不是紅外範圍）產生澱粉（食物）和氧氣。另一方面，在有氧情況下，呼吸作用會分解相同的食物，從而釋放能量和二氧化碳。就像之前說的那樣，太陽是地球上所有能量形式的來源！

與光合作用—呼吸相似，金屬氫化物，碳酸鹽系統，氫氧化物系統等將太陽的熱能（紅外範圍）轉換為化學能以進一步使用。根據反應形式的不同，產品可能帶來其他麻煩，例如異常緩慢的反應速度。此外，某些反應可能需要催化劑（外部刺激）來進行反應。

將儲熱與太陽能光熱相結合

既然我們已經分別討論了這兩個概念，那麼在本節中，我們將看到它們是如何相互借鑑的。根據存儲材料是否可以流動（移動），集成過程大致分為兩類-主動和被動系統。圖2是描述分類的流程圖

圖2 - TES系統集成分類

主動系統它們很活躍，因為存儲材料流動以通過對流吸收和釋放熱量。存儲材料通常是液體，氣體不是首要選擇。主動系統中的兩個細分是：直接系統和間接系統。

直接系統—在直接系統中，存儲介質還充當傳熱流體（HTF）或工作流體的角色。在吸熱期間，流體直接存儲在熱罐中。在放熱和發電期間，流體會通過動力系統，該系統會吸收熱量，然後流入冷卻箱中以進行再利用。上圖是描繪主動直接系統的流程圖。儘管此系統不需要熱交換器，但選擇正確的存儲材料至關重要。例如，熔融鹽就可以滿足良好的傳熱流體以及良好的存儲材料的要求。

間接系統—與直接系統不同，間接系統中的傳熱流體和儲熱材料不同。如上圖所示，在吸熱階段，來自冷罐的儲熱材料流入熱交換器進行間接加熱並存儲在熱罐中。為了釋放熱量並發電，需要反轉儲熱材料的流動方向。

被動系統

圖3 – 被動式儲熱傳輸系統

與主動系統相比，被動系統的存儲材料通常為固體，且是固定不動的。傳熱流體向/從儲熱材料釋放/吸收熱量（請參見圖3）。流體的選擇隨光熱電站中使用的熱能系統的類型而變化。但是，始終需要具有高導熱率的流體。

結論

總之，太陽能光熱電站/系統的效率基於以下兩點：反射鏡可以吸收多少太陽熱量，儲熱系統可以將多少收集來的熱量傳遞到發電單元進行發電。

因此，有效能量產出取決於以上兩個部分。這項成熟技術有潛力改變乾旱地區，因為在乾旱地區，太陽是主要的能源。此外，有些混合系統同時使用太陽能光熱系統及其儲熱系統，以及光伏電池板及其電池技術，以同時利用可見光和紅外光！這更加令人期待。

原標題:【科普】太陽能光熱與儲熱

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