天然沸石是可以在太陽(yáng)能儲(chǔ)存中應(yīng)用的，下面我們具體來(lái)說(shuō)一下。
一、太陽(yáng)能儲(chǔ)存的分類
太陽(yáng)能間歇性及其變化的輻射強(qiáng)度是影響太陽(yáng)能效率的關(guān)鍵因素。例如，同一地點(diǎn)太陽(yáng)能的輻射強(qiáng)度隨季節(jié)、晝夜和天氣而變化。一般來(lái)說(shuō)，部分用戶的能源需求很難與太陽(yáng)能的多樣性相匹配。因此，太陽(yáng)能存儲(chǔ)是當(dāng)前太陽(yáng)能應(yīng)用研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。太陽(yáng)能的儲(chǔ)存方式大致可以分為三種。
1.顯熱蓄熱
在中低溫太陽(yáng)能系統(tǒng)中，水和石頭是最好、最便宜的儲(chǔ)能介質(zhì)。太陽(yáng)能集熱器收集的熱能使介質(zhì)溫度升高，因此熱能儲(chǔ)存在介質(zhì)中。當(dāng)需要時(shí)，熱能被解吸以供使用。
顯熱蓄熱密度低，周期短。
2.潛熱儲(chǔ)存
對(duì)于這種類型的儲(chǔ)能，要求儲(chǔ)能介質(zhì)具有能量吸收率大、體積變化小、腐蝕小、重復(fù)性好等特點(diǎn)。目前，通常使用硫酸鹽、硝酸鹽和水合物碳酸鹽作為介質(zhì)。
相變潛熱蓄熱具有蓄能密度高、蓄熱期長(zhǎng)等特點(diǎn)。然而，介質(zhì)很容易冷卻。一旦發(fā)生這種情況，介質(zhì)的結(jié)晶就會(huì)變得困難。
3.化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能。
在這種類型中，化學(xué)物質(zhì)的吸熱反應(yīng)用于儲(chǔ)存熱能。當(dāng)發(fā)生相反的過(guò)程時(shí)，可以釋放熱量。一些無(wú)機(jī)氧化物通常用作介質(zhì)。
這種類型的優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)存熱量大，儲(chǔ)存期長(zhǎng)。然而，吸熱反應(yīng)所需的高溫導(dǎo)致設(shè)備成本高。
二、沸石的儲(chǔ)存太陽(yáng)能原理
沸石是含有結(jié)晶水的堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸鹽礦物。其一般化學(xué)式為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。沸石由通過(guò)共享所有氧原子連接的AlO?4和SiO?4四面體的三維網(wǎng)絡(luò)組成。沸石的鋁硅酸鹽骨架非常開(kāi)放，包含通道和部分充滿陽(yáng)離子和水分子的互連空隙。晶內(nèi)空隙占大多數(shù)沸石總晶體體積的 20% 至 50%。當(dāng)沸石被加熱時(shí)，晶內(nèi)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氣或水中，不破壞沸石的晶格結(jié)構(gòu)。
沸石對(duì)水具有極其非線性的吸附等溫線。吸附和解吸水的特性使沸石成為一種新型的太陽(yáng)能儲(chǔ)存材料，并被人們炫耀。沸石受熱時(shí)，其中的水分子逸出，同時(shí)儲(chǔ)存熱能；當(dāng)水分子再次被吸附時(shí)，沸石中的熱能被釋放出來(lái)。這兩個(gè)過(guò)程可以用化學(xué)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?（吸熱） A
m?X?p?O?2p?·?nh?2?O?= A m?X?p?O?2p?+?nH 2?O（吸熱）
沸石吸熱解吸結(jié)晶水分子時(shí)，其溫度不變，因此該過(guò)程屬于潛熱儲(chǔ)存過(guò)程。只要將水分子解吸的沸石將水隔離開(kāi)來(lái)，它的熱能就可以儲(chǔ)存多久。沸石的儲(chǔ)能密度高于上述三種儲(chǔ)能方式。當(dāng)沸石中的熱能解吸時(shí)，我們可以通過(guò)控制吸水速度來(lái)控制解吸速度。因此，沸石比上述儲(chǔ)存能量的方式具有更好的優(yōu)點(diǎn)。
三、實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析
通常選擇13X合成沸石作為儲(chǔ)能材料。目前國(guó)內(nèi)13X合成沸石價(jià)格偏高，近期可能不會(huì)大量使用13X合成沸石。為此，我們嘗試用天然沸石代替13X合成沸石，并在解吸水、吸熱和再解吸水、解吸熱方面進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程?如下：
1、從不同礦山采集具有代表性、純度高、儲(chǔ)量大的天然沸石樣品，對(duì)不同粒度的樣品進(jìn)行加工。
2、將天然沸石樣品和13X合成沸石按一定數(shù)量分選，放入金屬盒中，分別對(duì)金屬盒進(jìn)行標(biāo)記和稱重。
3.將這些樣品放入恒溫器中，分別在50°C、100°C、150°C和200°C下加熱1小時(shí)，普通太陽(yáng)能集熱器的工作溫度在50–200°C左右。
4.加熱后從恒溫箱中取出盒子，分別稱重，計(jì)算出每個(gè)盒子的失水量，并密封。
5.分別用定量的水快速混合樣品，直至冷卻至環(huán)境溫度。攪拌水和沸石的混合物，測(cè)量溫度變化。
結(jié)論
1.當(dāng)加熱溫度低于100°C時(shí)，天然沸石的儲(chǔ)能效果與13X合成沸石大致相同。所以我們可以在100°C以下使用這些天然沸石代替13X合成沸石作為儲(chǔ)存材料。傳統(tǒng)平板太陽(yáng)能集熱器的工作溫度一般在100°C以下，因此上述結(jié)論具有重要意義。
2.在100–200°C的加熱溫度范圍內(nèi)，13X合成沸石具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)椋?）天然沸石樣品比13X合成沸石含有更多的雜質(zhì)，影響其儲(chǔ)存熱能沸石。(2)天然沸石樣品的結(jié)構(gòu)不如13%沸石。
3.利用天然沸石儲(chǔ)存太陽(yáng)能熱能的設(shè)想是可行的。在下一步的研究中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注天然沸石類型和粒度、成型方法和儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)的選擇。
