天然沸石在太阳能储存中的应用

一、太阳能储存的分类

太阳能间歇性及其变化的辐射强度是影响太阳能效率的关键因素。例如，同一地点太阳能的辐射强度随季节、昼夜和天气而变化。一般来说，部分用户的能源需求很难与太阳能的多样性相匹配。因此，太阳能存储是当前太阳能应用研究的关键问题之一。太阳能的储存方式大致可以分为三种。

1.显热蓄热

在中低温太阳能系统中，水和石头是最好、最便宜的储能介质。太阳能集热器收集的热能使介质温度升高，因此热能储存在介质中。当需要时，热能被解吸以供使用。显热蓄热密度低，周期短。

2. 潜热储存

对于这种类型的储能，要求储能介质具有能量吸收率大、体积变化小、腐蚀小、重复性好等特点。目前，通常使用硫酸盐、硝酸盐和水合物碳酸盐作为介质。相变潜热蓄热具有蓄能密度高、蓄热期长等特点。然而，介质很容易冷却。一旦发生这种情况，介质的结晶就会变得困难。

3. 化学反应储能。

在这种类型中，化学物质的吸热反应用于储存热能。当发生相反的过程时，可以释放热量。一些无机氧化物通常用作介质。这种类型的优点是储存热量大，储存期长。然而，吸热反应所需的高温导致设备成本高。

二、沸石的储存太阳能原理

沸石是含有结晶水的碱金属或碱土金属的铝硅酸盐矿物。其一般化学式为A m X p O 2p · nH 2 O。其中A代表Ca、Na、K、Ba和Sr；X代表Al和Si。沸石由通过共享所有氧原子连接的AlO 4和SiO 4四面体的三维网络组成。沸石的铝硅酸盐骨架非常开放，包含通道和部分充满阳离子和水分子的互连空隙。晶内空隙占大多数沸石总晶体体积的 20% 至 50%。当沸石被加热时，晶内空隙中的水分子被部分或全部解吸。解吸后的水分子可再次吸附在空气或水中，不破坏沸石的晶格结构。

沸石对水具有极其非线性的吸附等温线。吸附和解吸水的特性使沸石成为一种新型的太阳能储存材料，并被人们炫耀。沸石受热时，其中的水分子逸出，同时储存热能；当水分子再次被吸附时，沸石中的热能被释放出来。这两个过程可以用化学方程式表示如下：

A m X p O 2p · nh 2 O = A m X p O 2p +nH 2 O （吸热） A
m X p O 2p · nh 2 O = A m X p O 2p + nH 2 O（吸热）

沸石吸热解吸结晶水分子时，其温度不变，因此该过程属于潜热储存过程。只要将水分子解吸的沸石将水隔离开来，它的热能就可以储存多久。沸石的储能密度高于上述三种储能方式。当沸石中的热能解吸时，我们可以通过控制吸水速度来控制解吸速度。因此，沸石比上述储存能量的方式具有更好的优点。

三、实验研究与结果分析

通常选择13X合成沸石作为储能材料。目前国内13X合成沸石价格偏高，近期可能不会大量使用13X合成沸石。为此，我们尝试用天然沸石代替13X合成沸石，并在解吸水、吸热和再解吸水、解吸热方面进行对比实验。实验过程 如下：

1、从不同矿山采集具有代表性、纯度高、储量大的天然沸石样品，对不同粒度的样品进行加工。

2、将天然沸石样品和13X合成沸石按一定数量分选，放入金属盒中，分别对金属盒进行标记和称重。

3. 将这些样品放入恒温器中，分别在50°C、100°C、150°C和200°C下加热1小时，普通太阳能集热器的工作温度在50--200°C左右。

4、加热后从恒温箱中取出盒子，分别称重，计算出每个盒子的失水量，并密封。

5. 分别用定量的水快速混合样品，直至冷却至环境温度。搅拌水和沸石的混合物，测量温度变化。

结论

1、当加热温度低于100°C时，天然沸石的储能效果与13X合成沸石大致相同。所以我们可以在100°C以下使用这些天然沸石代替13X合成沸石作为储存材料。传统平板太阳能集热器的工作温度一般在100°C以下，因此上述结论具有重要意义。

2、在100--200°C的加热温度范围内，13X合成沸石具有明显的优势，这是因为（1）天然沸石样品比13X合成沸石含有更多的杂质，影响其储存热能沸石。(2)天然沸石样品的结构不如13%沸石。

3、利用天然沸石储存太阳能热能的设想是可行的。在下一步的研究中，应重点关注天然沸石类型和粒度、成型方法和储能装置结构的选择。