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 太陽發(fā)出的太陽輻射是地球上所有自然能量的來源。但是，大多數(shù)的太陽輻射會(huì)反射回太空。到達(dá)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%位于400至700nm之間的可見光譜中。在700nm–1mm之間的紅外線占最大份額，為50–55%，而在100–400nm之間的紫外線輻射則最小，為5–10％。

近年來，我們越來越善于使用太陽能電池板利用可見光。但是，我們不能否認(rèn)，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(tǒng)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(tǒng)都通過使用多個(gè)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。然后，鏡子收集陽光并將其反射（重定向）到接收器。大多數(shù)現(xiàn)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(shí)際上是裝滿工作流體的管道。因此，根據(jù)反射鏡的類型和所使用的流體，工作流體的溫度會(huì)升高到500度（甚至更高）。最終，流體流向熱能發(fā)電系統(tǒng)，在此流體中的熱量通過換熱產(chǎn)生蒸汽，從而驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。術(shù)語“工作流體”是指通過流動(dòng)傳遞熱量的流體。

定日鏡將太陽光聚焦在中央接收器上。光熱電站產(chǎn)生的能量實(shí)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(xiàn)有各種各樣的光熱系統(tǒng)可以利用太陽的熱能，常見的集熱器技術(shù)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(chǔ)熱（TES）系統(tǒng)

太陽能的主要缺點(diǎn)是在特定時(shí)間段內(nèi)的不連續(xù)性。例如，遮蔽日光的云層抑制了太陽能的發(fā)電。因此，將太陽能光熱電站與儲(chǔ)熱系統(tǒng)集成在一起是解決此問題的絕妙竅門。


與其他大多數(shù)能源系統(tǒng)類似，（過量的）熱能在明媚的陽光下存儲(chǔ)起來，在太陽強(qiáng)度可忽略或不可用時(shí)釋放。目前共有三種類型的儲(chǔ)熱系統(tǒng)：顯熱儲(chǔ)熱，潛熱儲(chǔ)熱，熱化學(xué)儲(chǔ)熱。

顯熱存儲(chǔ)

在能量存儲(chǔ)期間，通過增加存儲(chǔ)材料的溫度來存儲(chǔ)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(fā)電。

但是，該材料不會(huì)發(fā)生任何相變。換句話說，材料不會(huì)在物質(zhì)的三種狀態(tài)（固體，液體和氣體）之間轉(zhuǎn)換。由于該過程不涉及相變，因此工程師需要具有高比容量、能量密度和導(dǎo)熱率的材料，這也是這種類型材料的缺點(diǎn)。更重要的是，整個(gè)過程不會(huì)改變存儲(chǔ)材料的化學(xué)性質(zhì)。

顯熱存儲(chǔ)中使用的固體材料以低成本提供了高導(dǎo)熱率（0.05–5$/kg）。它們還為加熱過程提供了廣泛的溫度范圍（200–1200°C）?；炷梁吞沾墒鞘軞g迎的選擇。

固體固然有其優(yōu)勢，但液體存儲(chǔ)材料主導(dǎo)了整個(gè)行業(yè)。像太陽鹽和HitecXL這樣的熔融鹽是兩個(gè)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(huì)熔化成液體。此外，熔融鹽無毒且熱穩(wěn)定。

某些光熱電站甚至采用了第三種物質(zhì)狀態(tài)來儲(chǔ)熱，即利用壓縮空氣或蒸汽等氣態(tài)物質(zhì)。盡管這種材料具有經(jīng)濟(jì)性，并且可以提供較大的工作溫度范圍，但與液態(tài)或固態(tài)材料相比，它們的導(dǎo)熱系數(shù)和能量密度都較低。

潛熱儲(chǔ)存

在潛熱存儲(chǔ)中，當(dāng)存儲(chǔ)材料在恒定溫度下經(jīng)歷相變時(shí)，熱能被存儲(chǔ)/提取。簡而言之，當(dāng)材料熔化/凝固/蒸發(fā)/冷凝時(shí)，它會(huì)釋放或存儲(chǔ)所需要的熱能。

像顯熱存儲(chǔ)一樣，它也是純物理過程，材料的化學(xué)性質(zhì)沒有變化。這些材料稱為相變材料（PCM）。由于材料在相變過程中存儲(chǔ)/釋放，因此它們可以在較小的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行能量交換，并顯示出更高的能量密度。

然而，它們的主要缺點(diǎn)是低導(dǎo)熱率導(dǎo)致相之間的過渡速度極慢。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)人員混合了諸如石墨之類的添加劑以提高導(dǎo)熱率，并通過控制添加劑的劑量來改變導(dǎo)熱率。

雖然有更好的選擇，例如由金屬合金制成的材料，但價(jià)格昂貴。俗話說“天下沒有免費(fèi)的午餐！”

熱化學(xué)儲(chǔ)熱

與前兩個(gè)儲(chǔ)熱系統(tǒng)不同，可逆的吸熱化學(xué)反應(yīng)會(huì)消耗太陽能。由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使新形成的產(chǎn)物存儲(chǔ)太陽能。當(dāng)這些新產(chǎn)品轉(zhuǎn)換回原始反應(yīng)物時(shí)，它們釋放了儲(chǔ)存的太陽能。

“光合作用—呼吸”是熱化學(xué)儲(chǔ)熱的一個(gè)很好的例子。一方面，光合作用利用太陽能（盡管不是紅外范圍）產(chǎn)生淀粉（食物）和氧氣。另一方面，在有氧情況下，呼吸作用會(huì)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(tǒng)，氫氧化物系統(tǒng)等將太陽的熱能（紅外范圍）轉(zhuǎn)換為化學(xué)能以進(jìn)一步使用。根據(jù)反應(yīng)形式的不同，產(chǎn)品可能帶來其他麻煩，例如異常緩慢的反應(yīng)速度。此外，某些反應(yīng)可能需要催化劑（外部刺激）來進(jìn)行反應(yīng)。

將儲(chǔ)熱與太陽能光熱相結(jié)合

既然我們已經(jīng)分別討論了這兩個(gè)概念，那么在本節(jié)中，我們將看到它們是如何相互借鑒的。根據(jù)存儲(chǔ)材料是否可以流動(dòng)（移動(dòng)），集成過程大致分為兩類-主動(dòng)和被動(dòng)系統(tǒng)。

主動(dòng)系統(tǒng)它們很活躍，因?yàn)榇鎯?chǔ)材料流動(dòng)以通過對流吸收和釋放熱量。存儲(chǔ)材料通常是液體，氣體不是首要選擇。主動(dòng)系統(tǒng)中的兩個(gè)細(xì)分是：直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)。
 
直接系統(tǒng)—在直接系統(tǒng)中，存儲(chǔ)介質(zhì)還充當(dāng)傳熱流體（HTF）或工作流體的角色。在吸熱期間，流體直接存儲(chǔ)在熱罐中。在放熱和發(fā)電期間，流體會(huì)通過動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)會(huì)吸收熱量，然后流入冷卻箱中以進(jìn)行再利用。上圖是描繪主動(dòng)直接系統(tǒng)的流程圖。盡管此系統(tǒng)不需要熱交換器，但選擇正確的存儲(chǔ)材料至關(guān)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(chǔ)材料的要求。

間接系統(tǒng)—與直接系統(tǒng)不同，間接系統(tǒng)中的傳熱流體和儲(chǔ)熱材料不同。如上圖所示，在吸熱階段，來自冷罐的儲(chǔ)熱材料流入熱交換器進(jìn)行間接加熱并存儲(chǔ)在熱罐中。為了釋放熱量并發(fā)電，需要反轉(zhuǎn)儲(chǔ)熱材料的流動(dòng)方向。
 
 
流體的選擇隨光熱電站中使用的熱能系統(tǒng)的類型而變化。但是，始終需要具有高導(dǎo)熱率的流體。

結(jié)論

總之，太陽能光熱電站/系統(tǒng)的效率基于以下兩點(diǎn)：反射鏡可以吸收多少太陽熱量，儲(chǔ)熱系統(tǒng)可以將多少收集來的熱量傳遞到發(fā)電單元進(jìn)行發(fā)電。

因此，有效能量產(chǎn)出取決于以上兩個(gè)部分。這項(xiàng)成熟技術(shù)有潛力改變干旱地區(qū)，因?yàn)樵诟珊档貐^(qū)，太陽是主要的能源。此外，有些混合系統(tǒng)同時(shí)使用太陽能光熱系統(tǒng)及其儲(chǔ)熱系統(tǒng)，以及光伏電池板及其電池技術(shù)，以同時(shí)利用可見光和紅外光！這更加令人期待。

原標(biāo)題：【科普】太陽能光熱與儲(chǔ)熱