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▼西安大略大学自由适用可持续技术（FAST）研究小组

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沙电池技术：一种前景广阔的可再生能源存储解决方案^{[ 1 ]}

• 沙子：储量丰富、价格低廉、易于获取、无毒
• 沙基电极-->储存和释放能量
• 可用于从小型住宅系统到大型电网级储能系统的各种应用
• 高级：
  • 高能量密度
  • 长循环寿命
  • 循环稳定性
  • 安全
  • 可再生能源存储的潜力
• 沙基电极——在锂离子电容器和超级电容器中的应用潜力
• 沙基储能技术：
  • 热能储存。
  • 机械储能。
  • 电化学储能。
• 所需材料：
  • 沙
    • 存储介质
    • 应具有高导热性
    • 低热质量
    • 耐高温
  • 热电发电机
    • 沙子中的热能转化为电能（放电：用于发电、电力工业、空间供暖）
    • 选择：相变温度和储能容量。
  • 电极/加热线圈
    • 在沙子和热电发电机之间传递热能
    • 石墨或金属箔
  • 绝缘
    • 减少充放电过程中的热损失
    • 提高效率
  • 热源：
    • 给电池充电并加热沙子
    • 可以是太阳能/工业废热/可再生/不可再生热能
  • 容器
    • 包含一切
    • 能够承受高温和热应力。
• 设计-->基于所需热能总量和存储时长
• 能源生产与储存：
  • 风能/太阳能→电力
  • 30%——立即为当地基础设施供电
  • 70%-->储存在沙浴中并加热至600-1000°C
  • 太阳能较弱时——利用储存的能量
• 收费：
  • 加热沙子→温度升高→直至达到阈值→释放全部能量
  • 沙子类型和热源→不同的充电时间
• 释放：
  • 沙子-->暴露于散热器或散热装置下
  • 沙子温度下降→能量以热量的形式释放
  • 沙子类型和散热器温度会影响放电时间
• 沙电池类型：
  • 间接蓄热：
    • 传热流体（将热量传递给沙子并从沙子中传递热量）
    • 高温运行
    • 占地面积大
  • 直接储热
    • 与热源和散热器直接接触
    • 低温运行
    • 袖珍的
  • 热化学储热
    • 化学反应
    • 储存更多能量
    • 更长的充电和放电时间
  • 混合式储热
  • 直接和间接相结合
  • 更高的能量密度
  • 更快的充电和放电
• 应用
  • 可再生存储
  • 制冷和制热
  • 应急备用电源
• 挑战
  • 效率取决于材料/设计/运行条件
  • 工作温度
  • 扩大规模

沙电池：一种创新的可再生能源存储解决方案（综述）^{[ 2 ]}

• 阿联酋的目标是使用7%的可再生能源（特别是太阳能），但面临挑战：阿联酋沙漠遍布沙子。
• 沙子成分：二氧化硅
• 零度以下地区 -->基于沙床的太阳能热/蓄热技术前景广阔
• 干砂基热电材料--> 高温高能--> 可用于停车场等基础设施建设
• 可获取材料：沙子和岩石
• 已安装循环存储设施的国家：德国、加拿大、土耳其、韩国、荷兰、美国、芬兰、法国和瑞士
• 沙子：可储存高达 1000°C 的高温，零质量损失，降低拥有和维护成本，提高并稳定能量交换率
• 沙介质：在单个水池太阳能系统中，日均年发电量增加 23.8%（与无沙介质相比），可长时间保持热能，可在冬季（无太阳能可用时）使用。
• 原则：
  • 30%的可再生能源被利用，70%储存在沙子中 --> 将温度提高到600-1000度
• 电池组成部分：
  • 钢制外壳-->砂和热传输管道
  • 外部部件：机械装置、调节器、热交换器、风扇
• 手术：
  • 收费
  • 贮存
  • 释放
• 机制：
  • 在沙子周围循环热空气 --> 可再生能源控制电阻式电加热器，以提高沙子附近空气的温度
  • 风扇旁的热交换管
  • 高密度隔热层 --> 覆盖层 --> 保持温度
  • 排气：吹出冷空气→加热→可产生蒸汽
  • 不同测试系统对比表已提供
• 缺点：
  • 温度范围有限（300-1000）
  • 慢速充电
  • 低功率密度
  • 土地利用
  • 运输
• 最近的：
  • 优化粒径和分布
• 应用
  • 网格级存储
  • 便携式设备
  • 离网电力系统
  • 工业加热
  • 建筑供暖
  • 区域供热
  • 农业
  • 采矿系统

沙子在太阳能热技术中的应用^{[ 3 ]}

• 岩石或矿物颗粒→二氧化硅（石英）、长石、碳酸盐、云母、角闪石、辉石→直径0.06至2毫米
• 陆地表面积的 6%（地球陆地表面积在不同区域的 6%）
  • 2% 北美
  • 超过30%的澳大利亚
  • 超过45%的中亚
• 每公吨11美元和58美元
• 比热容：介于 700 和 1000 J/kg℃ 之间
• 热导率取决于孔隙率、颗粒度、含水量和矿物组成。
  • 孔隙率越低，导热系数越高
  • 颗粒越小，导热性越差
  • 水饱和状态下，导热系数更高。
  • 石英的热导率：7.7 W/mK
  • 其他沙粒成分的热导率：2.5 至 3.6 W/mK
• 无毒、无腐蚀性、不易燃
• 太阳中的沙子
  • 热能储存
  • 太阳吸收
  • 热传递
  • 隔热性能良好
  • 大表面积→水蒸发作为蒸发介质
• 太阳能蒸馏
  • 太阳辐射→从不纯净的水中提取淡水
  • 局限性：白天产量低，夜间无产量。
  • 沙子
    • 用金属盒、棉布袋或泥罐等容器填充盆底衬垫下方的空间以及盆体本身。
    • 保持较高温度
    • 通过毛细作用增加蒸发表面积
    • 细砂均匀性好，黑色砂子好，厚度最小好，水位不要高于地面
• 太阳能加热
  • 太阳能集热器+储热介质
  • 高石英含量、低孔隙率和高含水量
  • 石英含量低的干燥砂
• 储罐式热能储存
  • 水：比热容高，但热损失大 --> 用导热系数低的沙子包裹水箱；沙质土壤：比热容和导热系数均较低 --> 与花岗岩土壤相比，水箱的热损失更小
  • 要求
    • 比热容和热导率低
    • 干燥
    • 足够深度
• 含水层热能储存（ATES）
  • 含有多孔渗透性砂层
  • 夏季热水注入含水层→加热土壤和地下水→冬季提取热量，例如丹麦加苏姆组的热量回收率高达72%。
  • 要求
    • 高比热容和导热性
    • 高孔隙率和渗透率
• 钻孔热能储存（BTES）
  • 夏季通过U型管换热器向地面输送热量→冬季抽取
  • 高石英低孔隙率砂 --> 适用于膨润土或砾石
  • 与砾石相比，热量增加 50%，持续时间延长 50% --> 效率达 78%。
  • 比利时：年存储效率 70%
  • 要求
    • 高导热性和储热能力
• 填充床热能存储
  • 在保温坑中使用填充床砂
  • 节省 64% 至 91%
  • 65%–75%的家庭热水需求
  • 芬兰
  • 沙子 --> 填充在容器或坑中，传热流体流经沙层 --> 低需求时进行传热（夏季），高需求时进行抽吸
  • 要求
    • 高导热性和比热容
• 太阳能温室增强
  • 蓄热墙（特朗布墙）——提高温室内的空气和土壤温度
  • 材质：黑色表面（吸收太阳辐射，将热量传递给沙子）、沙子和隔热材料
  • 带有沙质蓄热墙的温室
    • 白天气温比环境温度升高6.4摄氏度，夜间气温比环境温度升高1.1摄氏度
    • 土壤温度（深度达 8 厘米）白天升高 6.4°C，夜间升高 4°C。
    • 提前开花（提前14天）、提前成熟（提前20天）、提高产量（提高33.4%）
• 太阳能干燥器
  • 太阳辐射→干燥农产品或食品
  • 石英、沙子、砾石、土壤矿物质、砂岩、岩石、石灰岩、花岗岩、土壤、粘土、废弃混凝土、耐火砖和水
  • 沙：
    • 在干燥室和太阳能空气加热器中-->缩短干燥时间并防止夜间水分再次吸收
    • 增加吸收体表面积和粗糙度
    • 黑色细砂，具有高比热容和高导热性
• 太阳能烹饪
• 聚光太阳能发电（CSP）
  • 运行电源模块
• 哪种沙子？
  • 石英中的杂质（应低于 2%）→ 能量密度降低
  • 粘土、碳酸盐和长石→团聚、降解/比热容降低
    • 粘土 --> 在 600°C 时团聚程度更高
    • 碳酸盐 --> 800°C 以下脱碳 --> 质量损失和粒度分布改变
    • 长石→在1200°C以下玻璃化→团聚→对沙粒运动产生影响。
  • 适中的冷却速率，约需 573°C
  • 低于 1200°C --> 石英转变为方石英 --> 晶粒裂纹
• 太阳能气化
  • 气化：含碳物质（如焦炭、煤、生物质）→燃料或化学品
  • 传统方法：燃烧部分原材料→产生热量进行气化→造成物料损失和二氧化碳排放
  • 太阳能加热材料（无需燃烧材料）——石英：接收、传递和储存热量，且性质稳定（不与材料发生反应）——燃料品质更高，碳排放更少
  • 将含碳材料与石英混合→沙子吸收并传递太阳能→温度升高（1100℃）→含碳材料热分解→合成气（合成气体）生成
  • 要求：
    • 高比热容和导热系数
  • 绝热压缩空气储能
    • 传统方式：多余的电力压缩空气→储存在地下→需要时用天然气进行再加热
    • 在沙子中：压缩过程中产生的热量 --> 储存 --> 当沙子需要时重新加热压缩空气
      • 充气过程：热空气→通过热交换器→沙子沿相应方向流动→沙子变暖，压缩空气变冷
      • 排放：冷压缩空气→经热交换器→热沙提升空气温度
      • 电动循环效率 69%
      • 高导热性和比热容
• 太阳能光伏/热能板
  • 光伏发电——辐射转化为电能的比例很小——过剩的辐射转化为热能——造成损坏。
  • 可以存放在沙子里 --> 冷却面板并防止过热
  • 例如：沙漠沙和相变材料（例如正二十八烷）→ 沙漠沙具有更好的传热性能
  • 最合适的条件：高导热系数和比热容
• 太阳能池塘：
  • 应用：
    • 工业过程热
    • 海水淡化
    • 空间供暖
    • 发电
    • 温室供暖
    • 盐的生产
  • 上层区域：低盐度水→绝缘体
  • 中间带（非对流带或盐跃层）→ 盐度随深度增加而递增的梯度 → 密度梯度 → 阻止对流形成 → 将热量滞留在下层
  • 下层：高盐度水-->储存太阳热量-->温度可达85°C (185°F) 或更高
  • 在底部和周围下层包裹沙子 --> 减少热损失 (69%) 并储存热能
  • 高导热性和比热容的沙子
• 太阳能冰箱：
  • 两个金属圆柱体 --> 中间充满沙子的空间，并被水浸透
  • 太阳能→蒸发制冷→高效、便捷、可持续
• 针对研究空白的建议：
• 石英砂涂层-->提高吸水性，耐机械磨损，耐高温达1000°C

  

光伏/热面板中热能存储材料的对比CFD分析^{[ 5 ]}

• 沙漠沙（储量丰富、不易结块、耐高温）和碳化硅 → 增强传热
• 本研究：铜管内装有水流，置于矩形相变材料（PCM）中，并暴露于太阳能下，附加吸收层
• 在不同的太阳辐照度水平下（范围从 150 到 1,200 W/m2）
• 沙漠沙地：出口边界处液体的温度与储能基质的最高温度越接近，传热效果越好
• 相变材料固相含量与太阳辐照度的关系：
• 沙漠沙子在热通量关闭后仍能保持热量长达 4500 秒
• 正二十八烷的保温时间更长——能够长时间储存​​和释放热量——更适合需要在夜间释放热量的情况。

经济高效的电热储能技术，用于平衡小型可再生能源系统^{[ 6 ]}

• 假设电能100%转化为热能
• 为储能装置充电所需的电量 (P)：P=mCp​ΔT​/t
  • m：储热材料的质量
  • Cp：平均比热容
  • ΔT：充电过程中的温度差
  • t：所用时间
• 热能转化为电能 = ηth*效率（沙子中的效率约为85%）
• 热耗率 = 功率输出 / 热电转换效率
• 温度下降所需时间 = 储存的能量 / 热速率

利用响应面法对砂储能单元进行性能评价^{[ 7 ]}

• 年能源消耗量：约 624,430 太瓦时
• 化石燃料的碳足迹：367亿吨
• 2019年可再生能源需求量：6890.7太瓦时
• 预计2022年至2025年间将增加2493太瓦时
• TES系统类型：
  • 显热储存：简单且经济高效。
  • 潜热储存：相变材料。
  • 热电储能：热能和电能之间的转换
  • 存储介质：
    • 岩石、水、石油、盐
    • 盐：温度必须低于 600°C
    • 混凝土砖：白天，温度低于 500°C，放电过程中温度变化→循环效率降低
    • 沙：
      • 高热容量
      • 高导热性
      • 成本效益高
      • 长期稳定性
      • 无毒环保
      • 高温
      • 最佳传热尺寸为 2–3 毫米（过大：传热效率降低；过小：压降增加→换热器体积增大）
• 这项研究：
  • 置于圆柱形储罐内的铜制螺旋线圈
  • 高温进水进入盘管，温度高达 200°C
  • 热导率测量：使用配备 TR1 单针传感器的 KD2 Pro Decagon 设备，在 25°C 下进行测量
  • 比热容测量：DSC-25，温度范围 25–200°C
  • 比重测量：1 公斤沙漠和海滩沙子，干燥至恒重（在 110 ± 5 ℃ 下），然后加入 6% 的水分 --> 干燥 15-19 小时。
• 实验结果：
  • X射线荧光光谱
    • 沙漠沙：13 种元素，钙 60.96%。
    • 海滩沙：11 种元素，钙 86.9%。
  • 比热容
    • 随温度升高而增加
    • 沙漠地区的CP值-->更高
    • 200℃热处理后形成的氢氧化钙脱水
  • 密度
    • 海滩沙子：密度较高
  • 模拟场景：
    • 热油在100°C和0.01 m/s速度下向25°C的沙子传递热量，油温下降，沙子温度和储存能量增加。
    • 油温变化→提高砂温并储存热能
    • 油流速度和线圈匝数增加→储存能量增加
    • 每公斤沙子储存的总能量-->充电 8 小时后为 6.348 kJ/kg。
    • 压降 -->71.4 Pa
    • 沙漠沙的热导率比海滩沙高1.77%。
    • 海滩沙的热阻比沙漠沙高 29.3%。

提高热能储存系统中砂床的有效导热系数^{[ 8 ]}

• 介绍：
  • TES（热能储存）——替代固定式电网储能中的锂离子电池
  • 沙子——耐热性高（熔点约1700°C）
  • 宽广的温度范围→提高卡诺循环效率
  • 沙子比热容高，能量密度也高；但由于其颗粒状形态和颗粒间点接触的特性，导热系数较低。
  • 石英砂涂层可提高太阳能吸收率和热稳定性，与原砂相比，储能效率提高60%至80%。
  • 膨润土砂的热导率→添加花岗岩粉可提高其热导率
  • 常用方法-->直接太阳能加热和流化床加热（在沙床中通过换热器循环传热流体）
  • 混合不同的储热材料→提高储热性能
  • 废弃物料流-->经济型材料选项
    • 金属加工车间的废金属切割 --> 循环经济
• 这项研究：
  • 矩形铝制容器（高 380 毫米，长 230 毫米，宽 380 毫米）--> 用于研究沙床的热特性
  • 两个管状电阻加热器（高 298 毫米，宽 309 毫米，直径 50 毫米）--> 位于箱体中心，间距 95 毫米 --> 2 千瓦开关控制箱，温度调节范围高达 1000 °C
  • K型热电偶 --> 位于加热器之间（距每个加热器45±0.7毫米）和距加热器30毫米处
  • 沙床暴露于空气中（温度低于 26°C），无保温层
  • 沙子与金属副产品的混合物（增强导热性）
    • 棕色二氧化硅：二氧化硅 (SiO2)，粒径 0.06 至 0.2 毫米，熔点 1713 °C，比热容 703 J/(kg·K)，导热系数 0.2 至 0.7 W/(m·K)，堆积密度 1800 kg/m³
    • 铝：长15至20毫米，厚0.5毫米，宽1.5毫米，熔点660℃，比热容897焦耳/(千克·开尔文)，导热系数205瓦/(米·开尔文)，密度2712千克/立方米
    • 黄铜：直径 0.25 毫米，长度 4.5 毫米，熔点 900 至 940 °C，比热容 380 J/(kg·K)，导热系数 113 W/(m·K)，密度 8430 至 8730 kg/m³
    • 混合金属屑：90% 钢，10% 铝/ 长度 10-15 毫米，厚度 0.5 毫米，宽度 1.5 毫米/ 熔点：1370-1540 °C/ 比热容：490 J/(kg·K)/ 导热系数：50-70 W/(m·K)（因合金而异）/ 密度：7850 kg/m³
  • T4：位于墙壁和电暖器之间/ T3：位于两个电暖器之间
  • 表面温度在30分钟内达到500℃
  • T4：前75分钟升温速度比T3快（距离热源近17.5毫米），3小时后温度稳定在350℃，加热元件外部温度迅速下降
  • T3：80分钟后温度高于T4，7小时后与加热器表面温度相等，且热量散失到环境的速度较慢，热量滞留较少/导热系数低，沙子的热容量高 --> T3存在终端滞后现象
  • 沙子的导热系数：0.114 W/(m⋅K)
  • 模拟充电时间：五小时
  • 黄铜砂层：具有最高的有效导热系数/更高的密度和更少的孔隙结构-->导热系数低于铝
  • 铝屑：
    • 在均匀混合物中效果更佳：导热性高
    • 含20%铝：加热速率是纯砂的1.7倍，并提高稳定的T4温度 --> 具有更高的有效导热系数
    • 10%和5%铝的热处理速率分别是纯砂的1.36倍和1.18倍。
    • 铝含量越高：渗滤作用越强，互连性越强 --> 越有利于热传递
    • 降低芯片密度：芯片隔离，减少导电路径，降低热导率
    • 增强沙床的整体温度梯度
  • 混合金属芯片-->性能降低：钢含量较高（导热系数较低）
  • 热电偶外部温度：金属复合材料--> 高于纯沙
  • 金属芯片：易于导热→更多存储空间
  • 芬兰商业废金属价格--> 铝：0.7；黄铜：3.1；不锈钢：0.7

变废为宝：将废弃铸造砂用作复合材料的基体材料，实现热能储存^{[ 9 ]}

• 介绍：
  • 金属铸造过程中产生的废铸造砂（WFS）
  • WFS特性：陶瓷成分、密度、粒径（0.15 mm < D < 0.6 mm）、比表面积
  • WFS回收途径：复合相变材料的关键材料，用于捕获、储存和再利用废热
• 这项研究：
  • 材料：
    • NaNO3、天然材料（包括粘土）、完全可回收、钠基膨润土、废铸造砂（CPCM 基体材料，主要成分：SiO2 占 87.91%，次要成分：Al2O3 占 4.7%，Fe2O3 占 0.94%）、添加剂 X (?)
  • 制造：
    • 用研钵和研杵粉碎（85-95% 的颗粒大小在 0.6 毫米至 0.15 毫米之间，粒径分布均匀）
    • 手工搅拌混合物
    • 在 60 MPa 压力下成型为 13 mm 的颗粒，持续 2 分钟
    • 在高温下以 5 °C/min 的速率在 400 °C 下烧结
    • 冷却至室温以获得形状稳定的结构
  • 70-30（WFS-盐）质量比时内聚力差→不稳定
  • 加性 X（？）：
    • 触变性与水形成凝胶状基质→改善WFS颗粒结合
    • 提高CPCM在相变过程中的抗应力能力
  • 测试：
    • 沙粒密度：氦气比重瓶法，2.51 ± 0.06 g/cm³
    • 堆积密度：单个颗粒的质量和体积（尺寸），孔隙率由密度比推导得出
    • 潜热、熔点、比热容：差示扫描量热法 (DSC)：温度范围：20 至 400 °C，升温速率：10 °C/min，铝坩埚，空气环境，气体流速：100 ml/min，比热容采用蓝宝石法测定
    • 热导率和热扩散率：激光闪光法，水平样品表面，石墨喷涂，气流设置：100 ml/min，热导率公式：λ = a(T)ρ(T)Cp(T)
    • 热重分析 (TGA)：样品重量：约 10 mg，铂金坩埚，温度范围：25 至 500 °C，升温速率：10 °C/min，环境空气
    • 微观结构和孔径分布：X射线纳米CT，圆柱形样品：φ 2 × 15 mm，电压：95 kV，电流：150 μA，像素分辨率：9.5 μm，投影图像间隔0.1°，旋转180°，数据分析：Recon软件，CTan软件
    • 热膨胀系数：光学膨胀仪，圆柱形样品：直径约 13 mm，加热：室温至 500 °C，升温速率：5 K/min，空气环境
    • 抗压强度
    • 热循环方案：温度升至 400 °C，保持 30 分钟；温度降至 270 °C，保持 10 分钟；共 48 个循环；WFS-盐 CPCM 的结构韧性和热效评估
    • ..... （讨论）
    • 能量存储密度：Na60 为 628 ± 27 kJ/kg，Na55 为 567 ± 43 kJ/kg
    • 平均导热系数：Na60 (1.38 W/mK) 比 Na55 (1.08 W/mK) 高 24%，这是由于 Na55 的孔隙率更高。
    • 抗压强度：Na60为141 MPa，Na55为105 MPa，受孔隙率和孔径影响。
    • 较大的孔隙率有利于CPCM的CTE。

储热沙电池^{[ 10 ]}

• 沙漠沙子可以储存高达1000℃的热能。
• 比熔盐高 400 ℃
• 熔盐：
  • 维护以避免堵塞
  • 需要外部加热才能将温度维持在 260°C 以上
  • 28,000吨 --> 可供储存7.5小时
  • 存储介质费用为 2520 万美元
• 这项研究：
  • 选择电加热器作为热输入
  • 加热器加热→通过传热流体（油）将热量传递至热交换器
  • 油——储存在油箱中，通过管道泵送到热交换器。
  • 温度传感器-->监测沙子温度变化
  • 装料：将沙子加热至所需温度（150°C）
  • 储存：沙子的热能随时间推移的保持
  • 排放：
    • 冷油通过管道吸收沙子的热量
    • 热电发电机→热能转化为电能

什么是“沙电池”？^{[ 11 ]}

• 首个商业化沙电池：位于芬兰西部坎卡安帕（最高温度：600℃，但可能更高）--> 并入由 Vatajankoski（绿色能源供应商）运营的区域供热网络
  • 住宅和商业建筑（房屋和游泳池）
• 结构：
  • 钢制保温筒仓，内装沙子和传热管道。
  • 自动化组件、阀门、风扇和热交换器或蒸汽发生器。
• 加热：
  • 电力来源包括电网电力和本地风能、太阳能发电。
  • 在清洁廉价电力供应充足时期充电。
  • 电能→利用电阻器加热空气→通过闭环空气管道→在传热管道中循环→送至储热罐
• 萃取：
  • 通过管道吹入冷空气→升温
  • 用于在空气-水换热器中将水转化为工艺蒸汽/加热区域供暖水。
• 可保温数月，通常每两周进行一次充电和放电循环。
• 最佳使用范围为每年充电和放电 20 至 200 次
• 在“极夜能量”中：
  • 600℃，10GWh，100MW
  • 36%的工业供热需求可由砂堆提供（目前主要依赖石油和天然气）。
  • 到2030年，每年可减少1亿吨一氧化碳排放。
  • 可为大约10000人供电
• 30%的太阳能/风能可直接利用，70%以热能形式储存，全年外部能源需求不到10%。

气候变化：“沙电池”或可解决绿色能源的重大难题^{[ 12 ]}

• 芬兰与俄罗斯接壤的漫长边界，以及芬兰加入北约后天然气和电力供应中断——这引发了人们对漫长寒冷冬季取暖和照明问题的担忧。
• 世界上首个完全运行的沙电池由芬兰研究人员安装——由“极夜能源”公司开发
• 芬兰西部发电厂 --> 灰色筒仓内装有100吨沙子
• 将储存的热能高效转化为电能存在困难。

用于热能存储的沙电池^{[ 13 ]}

• Batsand：一种带有加热发生器和沙箱的热电池。
• 直接将热乎乎的新鲜沙子送到家
• 夏季充电（使用太阳能电池板）→ 需要时用于供暖/制冷
• 投资回报期可能在 4-6 年内到来
• 与太阳能电池板结合使用 --> 可以脱离电网
  • 额定功率：1：14千瓦，2：25千瓦
  • 电池容量：1：12000千瓦时，2：21000千瓦时
  • 适用房屋面积：1：300-600平方米，2：500-1200平方米
  • 尺寸：1：140厘米 x 72厘米 x 55厘米，2：185厘米 x 85厘米 x 72厘米
  • 重量：1：142公斤，2：174公斤

沙电池如何革新家庭储能方式^{[ 14 ]}

• 密歇根大学：美国居民能源总消耗量的 30% 用于供暖（热水供应：13%）
• 美国劳伦斯伯克利国家实验室：美国五分之一的能源产量→建筑热负荷
• DraKE Landing太阳能社区——2012年：96%；2015年、2016年：100%的年度供暖来自太阳能
• 储能系统：良好的往返效率（RTE）（储存电能的百分比）→ 100% RTE：所有储存的能量都可以被利用；这在热力学上是不可能的
• 铅酸电池：70%，锂离子电池：90%
• 沙子：比热容低，密度高：储热能力强，无化学反应：无需维护，高于沸水温度
• 用太阳能加热沙子→移至有空气的房屋
• 挑战：规模——Batsand储能系统（7700美元，安装后增至19000美元，储能效率92%，RTE为94%）体积小（40立方米），位于地下——适用于300-400平方米的建筑，储能容量为10680千瓦时，并配备30千瓦太阳能。
• 牛顿能源解决方案 (NES)（5300-6400 美元，95% RTE）--> 位于热能储存系统 (TES)、热水器和缓冲水箱之间 --> 热水器本身就是一个热能储存系统（但无法将热能转化为电能），水箱容积为 590 毫米 x 1650 毫米（214 升）--> 20 千瓦时（可将 600 升自来水加热至 40°C，320 升 --> 29 千瓦时）
• 热能转化为电能时，效率会下降到 50-70%。

自制沙浴加热器。制作简单，只需 599 美元。^{[ 15 ]}

• 设备：
  • 30升钢桶
  • 水加热元件--> 300瓦 12伏
  • 五金店专用沙（玩耍沙）--> 5-8 公斤
  • 需要呼吸机
  • 瓦特表
• 方法：
  • 装满一半
  • 将元素置于中心
  • 将功率表连接到元件导线上
• 40分钟内升温至179°C，50分钟内升温至290°C

热水器用砂储能系统

• 对新型高效储能材料的需求。
• 利用约旦丰富的沙子作为储存材料。
• 约旦南部以硅砂为主，二氧化硅含量为95.5%至98.31%。
• 石英砂的比热容：平均 830 J/kg°C
• 储存的能量与温度升高、比热容和介质质量成正比。
• 约旦的太阳辐射：
  • 年平均值：2080 千瓦时/平方米。
  • 每年超过300个晴天。
  • 平均每日辐射量：5.7 kWh/m2，日照时间为 8 小时。
  • 六月和七月日照时间最长（接近 12 小时），辐射值最高（8.2 kWh/m2）。
  • 十二月和一月 --> 太阳活动最少（每天 5 小时）和每日辐射量最低（2.9 kWh/m2）。
  • 将倾斜角度优化在 10° 到 60° 之间，可使年辐射量增加到 2419 kWh/m2。
  • 在约旦，光伏系统安装最经济有效的倾斜角度为：30°。
  • 该角度的年辐射量：2330 kWh/m2。
• 约旦天气：
  • 最热的月份：7 月（平均气温 25°C/77°F）。
  • 最冷的月份：一月（平均气温 8°C/46°F）。
  • 温度波动参数：全年介于 31°C 和 4°C 之间。
  • 约旦不同地区出现极端高温天气的罕见案例：最高气温达 43°C，最低气温达 -10°C。
  • 设计用于夜间作为热水来源的储能装置。
  • 标准热水温度：70°C。
  • 约旦人均每日热水使用量：40 升。
  • 约旦平均每户家庭人数：5人。
  • 需要加热的水总量：200 升（四舍五入为 240 升）。
  • 水的质量：240 千克。
  • 水的比热容：4.186 kJ/kg°C。
  • 所需温度：80°C（包括误差）。
  • 一月份最低气温：5°C。
  • 温差（∆T）：75°C。
  • 所需能量（Q）：
    • Q=m×Cp×ΔT=240kg×4.186kJ/kg°C×75°C=75,348kJ
  • 12 月份每日日照时间最少：5 小时。
  • 12 月份每日平均太阳辐射量最低：2.9 kWh/m²。
  • 能源需求：75,500 千焦 --> 20.98 千瓦时。
• 硅砂
  • 热导率：0.33 W/m°C。
  • 平均比热容：0.83 kJ/kg°C
  • 温差：75°C
  • m=Q/Cp​×ΔT​-->m=1,213kg。
  • 二氧化硅的密度：1,522 kg/m³ --> V= 1 m³
• 系统设计
  • 储罐
  • 热交换器
    • 直径 D= 60 厘米，高度 H= 0.9 米
    • 进水口在上，出水口在下

加拿大安大略省伦敦市太阳能发电计算器^{[ 16 ]}

• 安大略省伦敦市年平均太阳辐射量：1547.32 千瓦时/平方米
• 平均每日辐射量：4.232 千瓦时/平方米
• 日照时间最长的月份：六月 9.6 小时 & 6.08 千瓦时/平方米，七月 10.1 小时 & 6.11 千瓦时/平方米
• 太阳活动最少：1 月 2.3 小时和 1.97 kWh/m2，12 月 2.7 小时和 1.67 kWh/m2

加拿大伦敦的气候和月度天气预报^{[ 17 ]}

• 最热月份的平均气温：25.5
• 最冷月份的平均气温：-8.2