1. 背景

本毕业论文题目为《闭式太阳能CaCO3/CaO储能系统热力学分析》。现今，太阳能技术的发展有利于缓解全球资源的紧张以及改善人类的生态环境^[1]，其中，大规模的高温无损储能是整个太阳能发电系统的关键。现有的常用热能储存方式主要有显热储存、潜热储存和热化学储存这3种^{[2, 3]}。显热储能指通过储能介质温度的变化来实现储能过程，是目前太阳能发电中技术最成熟、应用最多的储热方式，但是这种方式存在储能密度低、储能时间短、温度波动大等缺点。潜热储能指通过储能材料发生相变时吸收或释放能量来进行能量的储存以及释放，由于金属相变材料储能密度大、循环稳定性好并且纯热性能较好，其在中高温相变储能的应用中具有极大优势，但是相变材料的选择或开发是实现太阳能发电系统中的难点，因此此技术在太阳能热发电系统中处于试验阶段。热化学储能是基于一种可逆的热化学反应，如，在反应中储能材料C吸收能量转化成A和B储存起来，需要供能时，A和B发生反应生成C，同时将储存的化学能释放出来，与上述两种热能储存方式相比，热化学储能密度大，在环境温度下可实现长期无热损并且适合长距离运输。这些特性使得热化学储能拥有广阔的前景，也是今后研究的重点^[4]。

热化学储能体系分为多种^[5]，常见的有无机氢氧化物的分解、碳酸化合物的热分解和金属氢化物的分解等，包含了七十多种热化学反应。通过查看这些反应的性能与反应温度，我们不难看出CaCO₃/CaO体系储能密度高，且其原料石灰石是一种已经广泛应用于各行各业的廉价而丰富的原材料，可以在大气条件下长期储存，并且CaCO₃/CaO体系对水的需求不高，以该体系建造的太阳能发电站的位置可处于土地成本低的沙漠等水资源缺乏的地区^[6]。因此，CaCO₃/CaO体系的热化学储能系统将是今后研究的重点。

本文将建立CaCO₃/CaO体系下的太阳能热化学储能系统模型，并分析不同条件下对热化学储能系统的影响。

2. 国外相关文献

从上个世纪80年代开始，人们便尝试建造太阳能热电厂来代替石油发电^[7]。利用一些技术，人们可以反射并集中太阳辐射到太阳能接收器,使其中的能量被存储在传热介质中，接着运送这个媒介到电力转换单位从而进行发电。

虽然太阳能的前景十分诱人，但我们还有许多问题有待解决。在Antoni Gil等人写的有关于太阳能储能体系的文章《State of the art on high temperature thermal energy storage for power generation》^[8]中提到，不管太阳能发电技术的前景如何诱人，它们始终都不能绕开一个话题，即如何储存这些热能。热能的储存是整个太阳能发电系统的关键，但同时这也是发展的最缓慢的部分。在这篇文章里，作者详述了太阳能发电厂的运作原理以及各类储能方法，从其中的表格我们不难看出，拥有高能量密度的碳酸钙将是我们研究储能体系的目标。

在《Calcium looping in solar power generation plants》一文中，研究人员建立了一个利用CaCO₃/CaO体系储能的能量#8212;质量模型，该模型由三个主要子系统组成：太阳能煅烧炉，碳酸化器/燃气轮机和储存系统。其中的参数来自于HSC Chemistry软件。^[9]通过研究碳酸化器的压力和温度以及固体活性对电厂效率的影响，研究人员得出结论，钙循环CSP电厂的最佳吸附剂活性似乎在20-40％的范围内，且在800℃和900℃之间，压力为2.8-9.1bar的一系列碳酸化器操作条件可使效率达到40％至46％。^[10]在该模型中，作者重点提到了吸附剂的活性对工厂的效率有着至关重要的影响。由于钙循环的反应不是完全可逆的，随着煅烧/碳酸化循环的增加，碳酸化反应的转化率逐渐下降，这导致大部分非活性CaO循环于钙循环系统。而吸附剂活性碳与酸化中的氧化钙的百分比有关，这导致在前10次碳酸化/煅烧循环期间，碳酸化活性逐渐下降到低于相对稳定水平20％的位置，从而使得电厂效率降低，运营成本升高。^[11]因此，我们需要一些技术来提高石灰的平均活性，如CaCO₃沉淀法，在CaO中掺杂少量的盐，二氧化碳冲击法和通过水合再活化法，这些方法在Gupta写的《Carbonation#8211;calcination cycle using high reactivity calcium oxide for carbon dioxide separation from flue gas》^[12-14]等一些文章中提到。