第1章 绪论
能量为人类提供动力，是科技发展和人民生活的重要物质基础。进入21世纪后，全球的能源消费迅速增长。经济越发达的工业化国家对能源的消费量越大，不超过全球10%人口的英国、法国、美国等发达国家，却消耗了世界能源的40%。能源的消费量和开发利用水平是衡量科技发展和生活水平的重要标志。
1.1 基本概念
1.1.1 能源
关于能源的定义，目前有20种左右。比较典型的有：《科学技术百科全书》——能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源。
《大英百科全书》——能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量。
《日本百科全书》——在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来做功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源。
《热能储存技术与应用》——把比较集中且又比较容易转化为机械能、热能、电磁能、化学能等各种人们能够利用的能量的含能物质，称为能源。
能源分类见表1-1。
表1-1 能源分类
由表1-1可知，能源可分为三大类。第一类能源来自地球之外，包括太阳能，远古动植物在太阳能作用下日积月累形成的矿物燃料(如煤、石油、天然气等)，以及由于太阳辐射引起大气运动而形成的风能、海洋能等；第二类能源来自地球本身，包括核燃料、地热能等；第三类能源来自地球与其他天体之间的相互作用，如因月球引力的变化引起潮汐现象，潮汐导致海水平面周期性地升降，因海水涨落及潮水流动所产生的潮汐能。
一次能源也可分为可再生能源和不可再生能源。前者是指能够重复产生、取之不尽用之不竭的能源，如太阳能、风能、海洋能、潮汐能等；而后者是指生产周期较长，相对于短暂的人类历史不能够重复产生的能源，如化石能源和核燃料，会随着不断开采和使用而枯竭。
1.1.2 能源储存
能源储存即储能、蓄能，是指使能源转化为在自然条件下比较稳定的存在形态的过程，一般可分为两种形式，即自然的储能和人为的储能。
自然的储能：如植物，太阳能通过光合作用转化为化学能。
人为的储能：如钟表，机械功通过拧紧发条转化为势能。
能源储存按照储存状态下的能量形态，可分为机械储能、化学储能、电磁储能、热能储能等；储能过程往往存在着能量的传递和形态转化。
1.1.3 能源储存技术
在能源的开发、转换、运输和利用过程中，能量的供应和需求之间，往往存在着数量上、形态上和时间上的差异。为了弥补这些差异，有效地利用能源，常采取储存和释放能量的人为过程或技术手段，称为能源储存技术。储能技术作为一种合理、高效、清洁利用能源的重要手段，在能量富余时，利用特殊装置把能量储存起来；在能量不足时释放出来，从而调节能量供求在时间和强度上的不匹配。
1.2 能源类型
目前，人类认识的能量形式有6大类：机械能、热能、电能、电磁能、化学能和原子能。
1．机械能
与物体宏观机械运动或空间状态相关的能量，前者称为动能，后者称为势能。这是人类*早认识的能量形式。机械储能是指将电能转换为机械能存储，在需要使用时再重新转换为电能，主要包括抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能。
2．热能
从分子运动论观点看，热能的本质是物体内部所有分子无规则运动的动能之和。热能是能量的一种基本形式，所有其他形式的能量都可以完全转换为热能，而且大多数的一次能源都是首先经过热能形式而被利用的，所以研究开发利用热能具有重要意义。
3．电能
电能是电流所做的功，电流在某段电路上所做的功等于这段电路两端的电压、电流和通电时间的乘积。电能是应用*广泛、使用*方便、*清洁的二次能源，可由光伏效应得到，可由一次能源通过电磁感应转换而成，也可由燃料电池将氢、煤气、天然气等燃料的化学能直接转换而成。图1-1所示为各种不同形式的能源转化为电能的途径。
图1-1 各种能源转化为电能的途径
4．电磁能
电磁波中电场能量和磁场能量的总和叫做电磁波的能量，也称为辐射能。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热而发出的辐射能称热辐射能。
电磁能的大小与放射波的频率成正比：E=hf，h为普朗特常数，f为放射波的频率。
地球表面所接受的太阳能是*重要的热辐射能。太阳能(solar energy)，是指太阳的热辐射能(参见热能传播的三种方式)，主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能、水能等。
太阳能是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，来自太阳的辐射能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1369W/㎡。地球赤道周长为40076km，从而可计算出，地球获得的能量可达173000TW。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤，每秒照射到地球的能量则为49940000000J。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来储存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。
太阳能具有以下四大优点。
(1)普遍。太阳光普照大地，没有地域的限制，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，处处皆有，可直接开发和利用，便于采集，且无须开采和运输。
(2)无害。开发利用太阳能不会污染环境，它是*清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。
(3)巨大。每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的*大能源。
(4)长久。根据太阳产生的核能速率估算，氢的储量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。
然而，太阳能也具有一定的缺点。
(1)分散性。到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度*大，在垂直于太阳光方向1m2面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。
(2)不稳定性。由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而*终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量储存起来，以供夜间或阴雨天使用，但蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。
(3)效率低和成本高。太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，现在的实验室利用效率也不超过30%，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。
5．化学能
化学能是物质结构能的一种，即原子核外进行化学变化时放出的能量，是由粒子(分子、原子、离子)之间发生化学反应而释放的能量。人类利用*普遍的化学能是燃烧碳和氢，它们是煤、石油、天然气、薪柴等燃料中的主要可燃元素。
6．原子能
原子能是粒子相互作用而释放的能，是蕴藏在原子核内的物质结构能。核燃料(如铀235)，具有体积小、能量大的优点，1g铀235可以释放约等于30t标准煤完全燃烧释放的能量。原子核反应包括放射性衰变、裂变和聚变三种，可为航空母舰、核潜艇等大型舰船提供动力，也可用来发电发热。
1.3 能源供求矛盾与储能
能量供求往往存在着矛盾，如新能源或可再生能源，其供应的能量随时间、季节呈周期性或非周期性变化，不具备定量持续供应的特性；再如电力，输出容量固定，但是需求随时间变化。能源储存系统可以储存多余的热能、动能、电能、位能、化学能等，改变能量的输出容量密度、输出地点、输出时间等，提高能源利用体系的效率。
如峰期电力紧张，谷期电力过剩，用电峰谷差大，因此可将谷期(深夜和周末)的电能储存起来供峰期使用，可大大改善电力供需矛盾，提高发电设备利用率。
太阳能热利用系统中，可以设置储能器。热流离开集热器后进入储能器，然后经过热能转换器供给热机。无太阳光时，冷流体直接经过储能器，提取储存的热量并传给热机工作。
一个良好的储能系统应当具备如下特征。
(1)单位容积所储存的能量高；(2)具有良好的负荷调节性能，储能系统在使用时，能够根据用能一方的要求调节其释放能量的大小和速度；(3)能源储存效率高，能源传递和转换效率高，过程中的泄露、蒸发、摩擦等损耗小；(4)系统成本低，长期运行可靠，具有良好的经济性。
1.4 储能技术与应用
储能主要包括热能、机械能、电能、化学能、电磁能等能量的存储，常见的储能技术见表1-2。
表1-2 储能技术方法
目前储能技术的研究、开发和应用主要是以储存热能、电能为主，广泛应用于太阳能利用、电力的“削峰填谷”、废热回收利用以及空调节能等领域。
1.4.1 热能存储技术
热能存储是把一个时期内暂时用不到的多余热量通过某种方法储存起来，待需要时再提取使用。热能存储技术主要分为显热储能、潜热储能和化学反应热储能三种，其简要特性如表1-3所示。
表1-3 三种热能存储的比较
显热储能技术通过加热储能介质提高温度，从而储存热能，过程不涉及相变。
常用的显热储能材料有水、土壤和岩石等。从单位体积的储热量来看，水*大，土壤其次，岩石*小。显热储能技术是一种技术比较成熟、效率较高、成本较低的储能方法。
潜热储能技术是利用储能介质液相与固相之间的相变产生的溶解热将热能储存起来的。目前实际应用的潜热储能介质有Na2SO4 10H2O，Na2S2O3 5H2O，CaCl2 6H2O。该技术的特点是适宜低温储能，储能密度较高，可在一定的相变温度下释放热量。但是，潜热储能介质往往价格昂贵，容易腐蚀，有的介质还可能产生分解反应，储能装置比显热储能装置要复杂，技术难度较大。
化学反应热储能技术利用能量把化学物质分解后储存能量，分解后的物质再化合时，释放储存的热能。可以利用可逆分解反应、有机可逆反应和氢化物化学反应三种技术实现，其中氢化物化学反应技术是*具有发展潜力的技术，若取得突破性的成功，可为解决能源短缺的问题提供良好的途径。
1.4.2 机械能存储技术
工业上已经得到应用的电能储存技术主要有三种，分别是水力储能、压缩空气储能和飞轮储能技术。
水力储能技术是目前*古老、技术*成熟、设备容量*大的商业化技术，全世界已建有超过500座水力储能电站。水力储能系统一般有两个大的储水库，一个处于较低位
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