沙電池

西部大學誠徵免費的適當永續發展技術 (FAST) 研究小組！學生將利用太陽能開源 3D 列印和回收來打造分散式未來。聯絡Joshua Pearce 博士-在此申請

首頁·專案與出版物·方法·文獻綜述·人物·贊助商·新聞· Twitter/X · YouTube · LinkedIn · Github ·適合孩子！

閱讀更多...

本頁是文獻綜述。請隨意編輯此頁面並新增來源和摘要。閱讀更多...

沙電池技術：一種有前景的再生能源儲存解決方案^[1]

• 沙子：豐富、便宜、可用、無毒
• 砂基電極-->儲存與釋放能量
• 用於小型住宅系統到大型電網級存儲
• 高級：
  • 高能量密度
  • 循環壽命長
  • 循環穩定性
  • 安全
  • 再生能源儲存的潛力
• 沙基電極-->鋰離子和超級電容器的潛力
• 沙基儲能技術：
  • 熱能儲存。
  • 機械能儲存。
  • 電化學儲能。
• 所需材料：
  • 沙
    • 儲存媒體
    • 應具有高導熱率
    • 低熱質量
    • 承受高溫
  • 熱電發電機
    • 沙中的熱能轉換為電能（放電：用於發電、電力工業、空間加熱）
    • 選擇：相變溫度和儲能容量。
  • 電極/加熱線圈
    • 在沙子和熱電發電機之間傳遞熱能
    • 石墨或金屬箔
  • 絕緣
    • 減少充放電時的熱損失
    • 提高效率
  • 熱源：
    • 為電池充電並加熱沙子
    • 可以是太陽能/工業廢熱/可再生/不可再生熱能
  • 容器
    • 容納一切
    • 承受高溫和熱應力。
• 設計-->基於所需熱能的量和儲存持續時間
• 能源產生與儲存：
  • 風能/太陽能 --> 電力
  • 30%-->立即為當地基礎設施供電
  • 70%-->儲存於沙池中並加熱至600-1000°C
  • 較弱的太陽能-->使用儲存的能量
• 收費：
  • 加熱到沙子-->增加溫度-->直到閾值-->充滿能量
  • 砂子類型&熱源-->不同的充電時間
• 釋放：
  • 沙子--> 暴露在散熱器或提取熱量的設備中
  • 沙溫下降-->能量以熱形式釋放
  • 砂型&散熱器溫度-->不同的放電時間
• 砂電池類型：
  • 間接蓄熱：
    • 傳熱流體（將熱傳入和傳出沙子）
    • 較高溫度操作
    • 物理足跡大
  • 直接蓄熱
    • 與熱源和散熱器直接接觸
    • 較低溫度操作
    • 袖珍的
  • 熱化學蓄熱
    • 化學反應
    • 儲存更多能量
    • 更長的充電和放電時間
  • 混合蓄熱
  • 直接與間接結合
  • 更高的能量密度
  • 更快的充電和放電
• 應用
  • 再生能源儲存
  • 加熱和冷卻
  • 緊急備用電源
• 挑戰
  • 效率 --> 取決於材料/設計/操作條件
  • 工作溫度
  • 放大

沙電池：再生能源儲存的創新解決方案（綜述）^[2]

• 阿聯酋 --> 目標是使用 7% 的可再生能源（特別是太陽能）能源 --> 但具有挑戰性 --> 阿聯酋沙漠
• 沙子成分：二氧化矽
• 零下溫度地區 --> 沙床太陽能熱/蓄熱前景廣闊
• 乾砂基TE-->高溫高能量-->可用於停車場等基礎設施
• 可取得材料：沙子和岩石
• 已安裝的循環儲存結構：德國、加拿大、土耳其、韓國、荷蘭、美國、芬蘭、法國和瑞士
• 沙子：儲存溫度高達 1000 °C，零質量損失，降低擁有和維護成本，提高和穩定能量交換率
• 砂介質：單盆太陽能-->年均日產量增加23.8%（與無砂相比），保持熱能時間更長，可在冬季使用（無太陽能時）
• 原則：
  • 使用 30% 的可再生能源，70% 儲存在沙子中 --> 將溫度提高到 600-1000
• 電池組成：
  • 鋼套管-->輸砂、傳熱管道
  • 外部-->機械機構、調節器、熱交換器、風扇
• 手術：
  • 收費
  • 貯存
  • 釋放
• 機制：
  • 沙子周圍循環熱空氣 --> 再生能源控制電阻電加熱器以提高沙子附近空氣的溫度
  • 風扇熱交換管
  • 緻密絕緣層 --> 覆蓋層 --> 保持溫度
  • 放電：吹冷風-->加熱-->可以蒸水
  • 不同 TES 系統的比較可用表
• 缺點：
  • 有限溫度範圍 (300-1000)
  • 慢速充電
  • 低功率密度
  • 土地利用
  • 運輸
• 最近的：
  • 優化顆粒尺寸和分佈
• 應用
  • 網格級存儲
  • 便攜式設備
  • 離網電力系統
  • 工業加熱
  • 建築暖氣
  • 區域供熱
  • 農業
  • 採礦系統

沙子在太陽能熱技術中的用途^[3]

• 岩石或礦物顆粒-->二氧化矽（石英）、長石、碳酸鹽、雲母、角閃石、輝石-->直徑0.06至2毫米
• 陸地表面積的6%（不同地區地球陸地表面積的6%）
  • 2% 北美
  • 超過 30% 澳大利亞
  • 超過45%的中亞地區
• 每公噸 11 美元和 58 美元
• 比熱容：700 至 1000 J/kg°C 之間
• 導熱率取決於孔隙度、粒徑、水分含量和礦物學
  • 孔隙較少-->導熱率較高
  • 顆粒越小-->導熱係數越低
  • 被水飽和-->更高的導熱率
  • 石英熱導率：7.7 W/mK
  • 其他沙子成分導熱係數：2.5 至 3.6 W/mK
• 無毒、無腐蝕、不易燃
• 太陽能中的沙子
  • 熱能儲存
  • 太陽能吸收
  • 傳播熱量
  • 隔熱適合
  • 表面積大-->水作為蒸發介質蒸發
• 太陽能蒸餾
  • 太陽輻射-->從不純淨的水中獲得淡水
  • 限制：白天產量低，晚上無
  • 有沙子
    • 填充盆內襯下方的區域、盆本身/使用金屬盒、棉袋或泥盆等容器
    • 保持較高的溫度
    • 透過毛細作用增加蒸發麵積
    • 砂細、均勻較好，黑色較好，厚度最小，無水高度
• 太陽能暖氣
  • 太陽能集熱器+熱能儲存介質
  • 高石英含量、低孔隙率、高含水量
  • 石英含量低的乾砂
• 罐式熱能儲存
  • 水：比熱容高，但熱損失大 --> 水箱周圍鋪上導熱係數低的沙子；沙土：較低的熱容量和導熱係數-->與花崗岩土壤相比，水箱的熱量損失較少
  • 要求
    • 低比熱容和導熱率
    • 乾燥
    • 足夠的深度
• 含水層熱能儲存 (ATES)
  • 含有多孔和滲透性砂層
  • 夏季熱水-->注入含水層-->加熱土壤和現有水-->冬季提取熱量，例如丹麥Gassum地層回收率72%
  • 要求
    • 高熱容和導熱率
    • 高孔隙率和滲透率
• 鑽孔熱能儲存（BTES）
  • 夏季透過U型管熱交換器將熱傳至地面-->冬季提取
  • 高石英低孔隙率砂 --> 優於膨潤土或礫石
  • 與礫石相比，熱量增加 50%，持續時間延長 50% --> 效率 78%
  • 比利時：年儲存效率 70%
  • 要求
    • 高導熱率和蓄熱能力
• 填充床熱能儲存
  • 在隔熱坑中使用填充床砂
  • 節省 64% 至 91%
  • 65–75% 的生活熱水需求
  • 芬蘭
  • 沙子 --> 填充在容器或坑中，傳熱流體流經床層 --> 低需求（夏季）傳熱，高需求提取
  • 要求
    • 高導熱率和比熱容
• 太陽能溫室增強
  • 蓄熱牆（Trombe 牆）--> 提高溫室中的空氣和土壤溫度
  • 組成：黑色表面（吸收太陽輻射，將熱量傳遞給沙子）、沙子和絕緣材料
  • 有沙蓄熱牆的溫室
    • 白天氣溫--> 比環境溫度升高 6.4°C，夜間溫度--> 升高 1.1°C
    • 土壤溫度-->深度達8公分-->白天上升6.4°C，夜間上升4°C
    • 提早開花（提早 14 天）、提早成熟（提早 20 天）和提高產量（增加 33.4%）
• 太陽能烘乾機
  • 太陽輻射 --> 乾燥農產品或食品
  • 石英、沙、礫石、土壤礦物、砂岩、岩石、石灰石、花崗岩、土壤、黏土、廢混凝土、耐火磚和水
  • 沙：
    • 在乾燥室和太陽能空氣加熱器中-->減少乾燥時間並防止夜間重新吸收水分
    • 增加吸收體表面積和粗糙度
    • 黑漆細砂高比熱容、高導熱率
• 太陽能烹飪
• 聚光太陽能發電 (CSP)
  • 運行電源塊
• 哪種沙子？
  • 石英中的雜質（應低於2%）-->能量密度較低
  • 黏土、碳酸鹽和長石-->團聚、降解/比熱容降低
    • 黏土 --> 600°C 時團聚程度較高
    • 碳酸鹽 --> 800°C 以下脫碳 --> 質量損失和粒徑分佈改變
    • 長石 --> 在 1200°C 以下玻璃化 --> 結塊 --> 對沙子運動的影響。
  • 需要中等冷卻速率 ~ 573°C
  • 1200°C以下-->石英到方石英-->晶粒裂紋
• 太陽能氣化
  • 氣化：含碳材料（如焦炭、煤炭、生物質）--> 燃料或化學品
  • 傳統方法：燃燒部分原料 --> 氣化產生熱 --> 材料流失與二氧化碳排放
  • 太陽能--> 加熱材料（無需燃燒材料）----> 石英：接收、傳遞和儲存熱量且惰性（不與材料發生反應）--> 更高的燃料質量和更少的碳排放
  • 將碳質材料與石英混合 --> 太陽能透過沙子吸收並傳遞熱量 --> 升溫（1100） --> 碳質材料熱分解 --> 合成氣（合成氣）生產
  • 要求：
    • 高比熱容和導熱率
  • 絕熱壓縮空氣儲能
    • 傳統：多餘的電力壓縮空氣-->儲存在地下-->需要時再加熱所需的天然氣
    • 在沙子中：壓縮過程中產生的熱量 --> 儲存 --> 當沙子需要時重新加熱壓縮空氣
      • 充氣：熱空氣-->透過熱交換器-->沙子沿相反方向流動-->沙子溫熱，壓縮空氣冷
      • 排出：冷壓縮空氣-->透過熱交換器-->熱砂提高空氣溫度
      • 電動循環效率69%
      • 高導熱率和比熱容
• 太陽能光伏/熱電池板
  • 光電-->一小部分輻射轉化為電力-->多餘的熱-->損壞
  • 可以儲存在沙子裡 --> 冷卻面板並防止過熱
  • 例如：沙漠沙和相變材料（例如正二十八烷）-->沙漠沙更好的傳熱
  • 最適合：高導熱率和比熱容
• 太陽能池：
  • 應用：
    • 工業製程熱
    • 海水淡化
    • 空間暖氣
    • 發電
    • 溫室供暖
    • 鹽生產
  • 上部區域：低鹽度水-->絕緣體
  • 中間帶（非對流帶或鹽躍層）-->鹽度隨深度增加而增加的梯度-->密度梯度-->阻止對流形成-->將熱量捕獲在下層
  • 下部區域：高鹽度水-->儲存太陽能-->溫度高達 85°C (185°F) 或更高
  • 將沙子包裹在底部和周圍下層 --> 減少熱損失 (69%) 並儲存 TE
  • 高導熱率和比熱容砂
• 太陽能冰箱：
  • 兩個金屬圓柱體 --> 之間充滿沙子且充滿水的空間
  • 太陽能 --> 用於冷卻的電力蒸發 --> 有效、可取得、可持續
• 針對研究差距的建議：
• 石英砂塗層--> 改善吸收、高機械磨損和高達 1000°C 的高溫PCM固體分數與太陽輻照度之間的關係^[4]

光伏/熱電池板中熱能儲存材料的比較 CFD 分析^[5]

• 沙漠沙（豐富、耐結塊、耐高溫）&碳化矽-->強化傳熱
• 這項研究：在暴露於太陽能的矩形相變材料 (PCM) 中含有水流的銅管，附加吸收層
• 在不同的太陽輻照度等級（範圍從 150 到 1,200 W/m2）
• 沙漠沙：出口邊界液體溫度與TES基體最高溫度較接近-->傳熱效果較好
• PCM固體分數與太陽輻照度之間的關係：
• 沙漠沙保留熱量 --> 熱通量關閉後 4,500 秒
• 正二十烷保留較長時間-->在較長時間內儲存和釋放熱量-->更適合需要隔夜釋放熱量的情況

具有成本效益的電熱儲能來平衡小型再生能源系統^[6]

• 假設電能 100% 轉換為熱能
• 儲能充電所需電量（P）：P=mCpΔT/t
  • m：蓄熱材料的質量
  • Cp：平均比熱容
  • ΔT：充電時的溫差
  • t：所用時間
• 熱電轉換 = ηth*效率（沙中的效率~85%）
• 熱耗率=功率輸出/熱電效率
• 降溫時間=儲存能量/熱耗率

使用響應曲面法評估砂石儲能裝置的性能^[7]

• 年能耗：~624,430 TWh
• 化石燃料的碳足跡：367億噸
• 2019年再生能源需求：6890.7 TWh
• 2022 年至 2025 年間預計增加 2,493 太瓦時
• TES 系統的類型：
  • 顯熱儲存：簡單且經濟高效。
  • 潛熱儲存：相變材料。
  • 熱電儲存：熱能和電能之間的轉換
  • 儲存媒介：
    • 岩石、水、油、鹽
    • 鹽：必須低於 600°C
    • 混凝土磚：白天，500°C以下，放電時溫度變化-->循環效率降低
    • 沙：
      • 高熱容量
      • 高導熱性
      • 性價比高
      • 長期穩定性
      • 無毒環保
      • 高溫
      • 最佳傳熱尺寸 2-3 mm（較大：傳熱效率降低，較小：壓降增加-->熱交換器體積增加）
• 這項研究：
  • 插入圓柱形罐內的銅製成的螺旋線圈
  • 熱入口流體 --> 進入溫度高達 200°C 的盤管
  • 熱導率測量：25°C 時配備 TR1 單針感測器類型的 KD2 Pro Decagon 設備
  • 比熱容測量：DSC-25，溫度範圍 25–200°C
  • 比重測量：1 kg 沙漠和海灘沙，乾燥至質量恆定（110 ± 5 ℃），然後加入 6% 水分 --> 乾燥 15-19 小時。
• 實驗結果：
  • X射線螢光光譜
    • 沙漠沙：13種元素，鈣60.96%。
    • 沙灘沙：元素11種，鈣86.9%。
  • 比熱容
    • 隨溫度增加
    • 沙漠的 Cp-->更高
    • 200℃熱處理後產生的氫氧化鈣脫水
  • 密度
    • 海灘沙：較密
  • 模擬場景：
    • 熱油--> 100°C、0.01 m/s 速度--> 傳熱至 25°C 沙子，油溫降低--> 沙子溫度和儲存能量增加
    • 油溫變化-->增加砂溫並儲存熱能
    • 油速和線圈匝數增加-->儲存能量增加
    • 充電8小時後每公斤沙子的總儲存能量-->6.348 kJ/kg。
    • 壓降-->71.4 Pa
    • 沙漠沙導熱係數-->比沙灘沙高1.77%
    • 海灘沙的熱阻率 --> 比沙漠沙高 29.3%

提高熱能儲存系統中砂床的有效導熱係數^[8]

• 介紹：
  • TES--> 固定電網儲存中鋰離子電池的替代品
  • 沙-->耐熱性高（熔點約1700°C）
  • 寬溫度範圍-->提高卡諾循環效率
  • 砂 高比熱容 --> 高能量密度，但顆粒形狀和顆粒之間的點接觸 --> 低導熱率
  • 石英砂塗層-->提高太陽能吸收和熱穩定性，與原砂相比提高儲能效率60%至80%
  • 膨潤土砂導熱係數-->添加花崗岩粉提高導熱係數
  • 常用方法-->直接太陽能加熱和流化加熱（透過砂填充床中的熱交換器循環傳熱流體）
  • 混合不同儲熱材料-->提高儲熱性能
  • 廢料流-->經濟材料選擇
    • 從金屬車間切割金屬廢料 --> 循環經濟
• 這項研究：
  • 矩形鋁容器（高380毫米，長230毫米，寬380毫米）-->研究沙床的熱性能
  • 兩個管式電阻加熱器（高 298 毫米，寬 309 毫米，直徑 50 毫米）--> 箱體中心間隔 95 毫米--> 2 kW 開/關控制箱和溫度調節高達 1000 °C
  • K型熱電偶 --> 加熱器之間（距離每個加熱器 45 ±0.7 mm）和距加熱器 30 mm
  • 沙床-->暴露在空氣中（T低於26℃），無隔熱層
  • 沙子和金屬副產品的組合（增強導熱性）
    • 棕色二氧化矽：二氧化矽（SiO2），粒徑0.06至0.2毫米，熔點1713°C，比熱容703 J/(kg·K)，導熱係數0.2至0.7 W/(m·K)，堆積密度1800 kg /立方米
    • 鋁：長15至20毫米，厚0.5毫米，寬1.5毫米，熔點660℃，比熱897J/(kg·K)，導熱係數205W/(m·K)，密度2712kg/m3
    • 黃銅：直徑 0.25 毫米，長度 4.5 毫米，熔化溫度 900 至 940 °C，比熱 380 J/(kg⋅K)，導熱係數 113 W/(m⋅K)，密度 8430 至 8730 kg/m3
    • 混合金屬碎片：90%鋼，10%鋁/長度10-15毫米，厚度0.5毫米，寬度1.5毫米/ Tm：1370-1540°C/比熱490 J/(kg·K)/導熱係數50-70 W/(m⋅K)（因合金而異）/密度：7850 kg/m3
  • T4：牆壁與電暖器之間/ T3：兩個電暖器之間
  • 30分鐘內表面溫度達500℃
  • T4：前 75 分鐘加熱速度比 T3 快（距離熱源較近 17.5 毫米），3 小時後溫度恆定在 350 °C，加熱元件外部溫度快速下降
  • T3：80 分鐘後比 T4 更熱，7 小時後等於加熱器的表面溫度，並且向環境和熱阱的快速熱損失較少/導熱係數低，砂的熱容高 --> T3 中的終端滯後
  • 砂電導率：0.114 W/(m⋅K)
  • 類比充電時間：5小時
  • 黃銅砂層：最高的有效導熱係數/更高的密度和更少的孔隙結構-->比鋁導熱係數低
  • 鋁屑：
    • 均勻混合更有效：高導熱性
    • 20%鋁：熱耗率為純砂的1.7倍，提高穩定的T4溫度-->更高的有效導熱係數
    • 10%和5%鋁熱率分別是純砂的1.36倍和1.18倍
    • 更高的鋁含量：增加滲透和更多互連 --> 促進傳熱
    • 更低的晶片集中度：晶片隔離、更少的導電路徑以及更低的熱導率
    • 提高砂床整體溫度梯度
  • 混合金屬碎片-->性能較低：鋼含量較高（導熱係數較低）
  • 熱電偶外部溫度：金屬複合材料-->比純砂溫度高
  • 金屬晶片：容易傳熱-->更多儲存
  • 芬蘭商業廢金屬價格--> 鋁：0.7 & 黃銅：3.1 & 不鏽鋼：0.7

從廢棄物到價值：利用熱能儲存中的廢鑄造砂作為複合材料中的基體材料^[9]

• 介紹：
  • 金屬鑄造過程中的副產品鑄造廢砂 (WFS)
  • WFS特性：陶瓷成分、密度、粒徑（0.15 mm < D < 0.6 mm）、比表面積
  • WFS回收途徑：複合相變材料捕獲、儲存、再利用廢熱的關鍵材料
• 這項研究：
  • 材料：
    • NaNO3、包括黏土在內的天然材料，完全可回收、鈉形式膨潤土、鑄造廢砂（CPCM 基質材料，主要成分：SiO2 87.91%，次要成分：Al2O3 4.7%、Fe2O3 0.94%）、添加劑X (? )
  • 製造：
    • 用研缽和研杵粉碎（85–95% 0.6 毫米至 0.15 毫米均勻粒徑分佈）
    • 手動攪拌混合物
    • 60 MPa 壓力 2 分鐘成型為 13 mm 顆粒
    • 400 °C、5 °C/min 高溫燒結
    • 冷卻至室溫以獲得形狀穩定的結構
  • 70–30（WFS-鹽）質量比時內聚力差 --> 不穩定
  • 添加劑X（？）：
    • 觸變特性與水形成凝膠狀基質--> 改善 WFS 顆粒結合
    • 提高 CPCM 在相變過程中的抗應力能力
  • 測試：
    • 砂粒密度：氦基比重瓶，2.51 ± 0.06 g/cm3
    • 堆積密度：單一顆粒的質量和體積（尺寸），從密度比推導出的孔隙率
    • 潛熱、熔點、比熱容：DSC：溫度範圍：20 至 400 °C，升溫速度：10 °C/min，鋁坩堝，周圍空氣環境，氣體流速：100 ml/min，具體藍寶石法熱
    • 熱導率和擴散率：雷射閃光技術，水平樣品表面，石墨噴塗氣流設定：100 ml/min，熱導率公式：λ = a(T)ρ(T)Cp(T)
    • TGA：樣品重量：~10 mg，鉑坩堝，溫度範圍：25 至 500 °C，加熱速率：10 °C/min，環境空氣
    • 微觀結構與孔徑分佈：X射線奈米CT，圓柱形樣品：φ2×15mm，電壓：95kV，電流：150μA，像素解析度：9.5μm，投影影像以0.1°間隔，180°旋轉，資料分析：Recon軟體、CTan軟體
    • 熱膨脹係數：光學膨脹計，圓柱形樣品：直徑約 13 mm，加熱：環境溫度至 500 °C，速率：5 K/min，空氣環境
    • 抗壓強度
    • 熱循環方案：升溫至400°C，維持30分鐘，降溫至270°C，維持10分鐘，總共48個循環，WFS-鹽CPCM的結構彈性與熱功效評估
    • ..... （討論）
    • 儲能密度：Na60 為 628 ± 27 kJ/kg，Na55 為 567 ± 43 kJ/kg
    • 平均導熱率：Na60 (1.38 W/mK) 比 Na55 (1.08 W/mK) 高 24%，因為 Na55 的孔隙率較高
    • 抗壓強度：Na60 為 141 MPa，Na55 為 105 MPa，受孔隙率和孔徑影響
    • 較大的孔隙率有利於 CPCM 的 CTE

儲熱砂電池^[10]

• 沙漠沙可儲存高達1000℃的熱能
• 比熔鹽高400℃
• 熔鹽：
  • 維護以避免堵塞
  • 需要外部熱量來維持溫度高於 260 °C
  • 28,000噸 --> 儲存7.5小時
  • 儲存媒體2520萬美元
• 這項研究：
  • 選擇電加熱器作為熱輸入
  • 由加熱器加熱-->透過傳熱流體（油）傳至熱交換器
  • 油 --> 在油箱中，透過管道泵送到熱交換器
  • 溫度感測器-->監測沙子溫度變化
  • 充電：將沙子加熱至所需溫度 (150 °C)
  • 儲存：沙子隨著時間的推移熱能保留
  • 放電：
    • 冷油-->透過管道吸收沙子熱量
    • 熱電發電機-->熱能轉換為電能

什麼是「沙電池」？^[11]

• 第一個商業沙電池：位於芬蘭西部的 Kankaanpää（最高溫度：600 ℃，但可以更高）--> 整合到 Vatajankoski（綠色能源供應商）營運的區域供熱網路中
  • 在住宅和商業建築（住宅和游泳池）
• 結構：
  • 鋼製外殼的隔熱筒倉充滿沙子和傳熱管。
  • 自動化組件、閥門、風扇、熱交換器或蒸汽發生器。
• 加熱：
  • 來自電網的電力或當地風能和太陽能發電。
  • 在清潔且廉價的電力供應期間充電。
  • 電能-->透過電阻加熱空氣-->透過閉環風管-->透過傳熱管道循環-->蓄熱
• 萃取：
  • 透過管道吹冷空氣-->加熱
  • 用於在空氣-水熱交換器中將水轉化為製程蒸汽/熱區域加熱水。
• 保持高溫數月，通常以兩週為週期充電和放電
• 每年充放電 20 至 200 次時的最佳使用範圍
• 在《極夜能量》中：
  • 600℃，10GWh，100MW
  • 36%的工業供熱需求可以由砂電池提供（現在主要依靠石油和天然氣）
  • 到 2030 年每年可減少 100 公噸一氧化碳
  • 可為約1萬人供電
• 30%太陽能/風能-->直接利用，70%儲存為熱量，全年需外部能源不足10%

氣候變遷：「沙電池」可以解決綠色能源的大問題^[12]

• 芬蘭與俄羅斯接壤，由於芬蘭加入北約，天然氣和電力供應中斷 --> 漫長寒冷的冬季對熱源和光源的擔憂
• 芬蘭研究人員安裝的世界上第一個完全工作的沙電池-->由「極夜能源」開發
• 芬蘭西部發電廠 --> 灰色筒倉內裝有 100 噸沙子
• 難以有效地將儲存的熱能轉換回電能。

儲熱砂電池^[13]

• Batsand：帶有加熱發生器和沙罐的熱電池。
• 將新鮮的熱沙直接帶回家
• 夏季充電（使用太陽能板）-->需要時加熱/冷卻
• 4-6年內收回投資的潛力
• 與太陽能板結合 --> 可以與電網斷開
  • 額定功率：1：14KW、2：25KW
  • 電池容量：1：12000千瓦時，2：21000度
  • 適合房屋面積：1：300-600平方米，2：500-1200
  • 尺寸：1：140厘米×72厘米×55厘米，2：185厘米×85厘米×72厘米
  • 重量：1：142公斤，2：174公斤

沙電池如何徹底改變家庭儲能^[14]

• 密西根大學：美國住宅能源使用總量的 30% --> 用於暖氣（熱水：13%）
• 美國勞倫斯伯克利國家實驗室：美國生產的能源的1/5-->建築熱負荷
• DrAKE登陸太陽能社群-->2012年：96%，2015年，2016年：每年100%暖氣來自太陽能
• TES：良好的往返效率（RTE）率（儲存電量的百分比）--> 100% RTE：每個儲存的能量都可以使用；熱力學上不可能
• 鉛酸：70%，鋰離子：90%
• 砂：比熱低，密度高：蓄熱大，無化學反應：無需維護，沸水以上
• 用太陽能加熱沙子-->用空氣搬回家
• 挑戰：尺寸--> Batsand（7700 美元-安裝後增加到19000 美元，以92% 的效率儲存能量，94% RTE）尺寸較小（40m^3），位於地下-->300-400 m^2建築物， 10680 kW/h +30 kW 太陽能
• 牛頓能源解決方案 (NES)（$5300-6400，95% RTE）--> TES 與熱水器和緩衝槽之間--> 熱水器已經是 TES（但不能將熱能轉換為電能）水體積為 590 mm x 1650毫米（214 公升）--> 20 千瓦時（可將600 公升自來水加熱至40 °C，320 公升--> 29 千瓦時
• 熱轉電效率下降50-70%

DIY 沙電池加熱器。超過 599f 製作簡單^[15]

• 裝置:
  • 30公升鋼桶
  • 水加熱元件--> 300W 12v
  • 五金酸痛沙（玩沙）-->5-8公斤
  • 需要使用呼吸器
  • 瓦特表
• 方法：
  • 填充一半
  • 將元素放在中心
  • 將功率計連接至元件線
• 40 分鐘內--> 179°C，50 分鐘內--> 290°C

熱水器砂儲能係統

• 對新型有效儲存材料的需求。
• 使用約旦豐富的沙子作為儲存材料。
• 約旦南部以矽砂為主，SiO2 含量為 95.5% 至 98.31%
• 矽砂比熱容：平均830 J/kg°C
• 儲存的能量與溫升、比熱容和介質品質成正比。
• 約旦的太陽輻射:
  • 年平均：2080 kWh/m2。
  • 每年晴天超過300天。
  • 日平均輻射：5.7 kWh/m2，日照8小時。
  • 六月和七月的日照時數（近 12 小時）和輻射值最高（8.2 kWh/m2）。
  • 12 月和 1 月 --> 陽光活動最少（每天 5 小時），每日輻射最低（2.9 kWh/m2）。
  • 優化 10° 至 60° 之間的傾角可將年輻射量增加至 2419 kWh/m2。
  • 約旦光電系統安裝最經濟有效的傾斜角度：30°。
  • 此角度下的年輻射量：2330 kWh/m2。
• 約旦 天氣：
  • 最熱月份：七月（平均氣溫 25°C/77°F）。
  • 最冷月份：一月（平均氣溫 8°C/46°F）。
  • 溫度波動參數：全年在31°C至4°C之間。
  • 罕見的極端氣溫：約旦不同地區高達 43°C，低至 -10°C。
  • 儲能設計，適合夜間作為水加熱源。
  • 標準熱水溫度：70°C。
  • 約旦人均熱水用量：40 公升/天。
  • 約旦平均家庭人數：5 人。
  • 供熱總水量：200 公升（四捨五入為 240 公升）。
  • 水質：240公斤。
  • 水的比熱：4.186 kJ/kg°C。
  • 所需溫度：80°C（包括誤差）。
  • 一月最低溫：5°C。
  • 溫差（ΔT）：75°C。
  • 所需能量（Q）：
    • Q=m×Cp×ΔT=240kg×4.186kJ/kg°C×75°C=75,348kJ
  • 12 月每天最少日照時數：5 小時。
  • 12 月每日平均太陽輻射最少：2.9 kWh/m²。
  • 能源需求：75,500 kJ --> 20.98 kWh。
• 矽砂
  • 導熱係數：0.33W/m°C。
  • 平均熱容：0.83 kJ/kg°C
  • 溫度：75°C
  • m=Q/Cp×ΔT-->m=1,213kg。
  • 二氧化矽密度：1,522 kg/m3 --> V= 1 m3
• 系統設計
  • 儲存罐
  • 熱交換器
    • 深= 60 厘米，高= 0.9 米
    • 頂部入口、底部出口

加拿大安大略省倫敦太陽能計算器^[16]

• 安大略省倫敦年平均太陽輻射：1547.32 kWh/m2
• 平均日輻射：4.232 kWh/m2
• 最高晴天月份：6月9.6小時和6.08 kWh/m2，7月10.1小時和6.11 kWh/m2
• 太陽活動最少：1 月 2.3 小時和 1.97 kWh/m2，12 月 2.7 小時和 1.67 kWh/m2

氣候與每月天氣預報, 倫敦, 加拿大^[17]

• 最熱月平均溫度：25.5
• 最冷月平均氣溫：-8.2

頁面數據

作者	瑪麗亞姆·莫塔吉
執照	CC-BY-SA-4.0
語言	英語（en）
有關的	子頁面，頁面連結在這裡
影響	頁面瀏覽量
已創建	2024 年5 月 14 日作者：瑪麗安‧莫塔吉
修改的	2024 年6 月 3 日，作者：StandardWikitext 機器人
引用為	瑪麗亞姆·莫塔吉(2024)。“沙電池”。附錄。檢索日期：2024 年 7 月 11 日。
API查詢	基本，語義，html，文件，更多