中國作為最大的發(fā)展中國家，面臨著巨大的能源壓力。據(jù)權(quán)威機構(gòu)預(yù)計，到2020年我國石油需求量將達(dá)到4.3億t，石油將60%依賴進口，能源需求總量將達(dá)到31億t標(biāo)準(zhǔn)煤。隨著傳統(tǒng)化石能源的日益減少，開發(fā)新能源尤其是太陽能成為大勢所趨。經(jīng)過近20年的技術(shù)研發(fā)和積累，我國的低溫太陽能熱水技術(shù)已經(jīng)十分成熟，太陽能熱水器已經(jīng)進入千家萬戶。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)也得到了大范圍的商業(yè)化應(yīng)用。然而，作為未來重要的基礎(chǔ)電力能源之一的中高溫太陽能光熱發(fā)電技術(shù)，其應(yīng)用水平卻落后歐美國家很多，目前我國光熱發(fā)電總裝機容量在世界上的市場份額占比還不到1%，處于剛起步的階段，蘊藏著巨大的市場商機。
太陽能光熱發(fā)電離不開儲熱，儲熱作為其核心子系統(tǒng)之一，其建設(shè)成本占比高達(dá)20%~25%，可以說太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的成敗決定于儲熱子系統(tǒng)的成敗，因此儲熱技術(shù)一直是太陽能光熱發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點。
1儲熱技術(shù)分類
1.1顯熱儲熱
顯熱儲熱是利用材料自身的比熱容來儲存/釋放熱能，工程上應(yīng)用的一般有液體顯熱儲熱和固體顯熱儲熱，屬于非相變儲熱；如水儲熱，導(dǎo)熱油儲熱，石英砂和高溫混凝土儲熱等。
1.2潛熱儲熱
潛熱儲熱即相變儲熱，主要是通過儲熱材料發(fā)生相變時吸熱或放熱來實現(xiàn)能量的儲存與釋放，如水-水蒸汽儲熱，熔鹽儲熱等。具有儲熱密度大，相變過程中接近恒溫，儲熱系統(tǒng)尺寸較小等特點。
目前相變類儲熱材料主要有：有機類、熔融鹽類、合金類及復(fù)合類等。熔融鹽類相變材料一般由堿金屬的氟化物、氯化物、硝酸鹽、碳酸鹽等組成，可以是單組分、雙組分或多組分的混合物，一般應(yīng)用于中高溫領(lǐng)域。納米復(fù)合相變儲熱材料技術(shù)是近年來才開始出現(xiàn)工程應(yīng)用的新型相變儲熱技術(shù)，納米顆粒具有比表面積大、界面相互作用強等特點，具有良好的熱學(xué)性能。將納米技術(shù)用于相變儲熱領(lǐng)域，制成復(fù)合相變儲熱材料，可以延長相變材料使用壽命、改善相變材料性能，拓寬其工作溫度區(qū)間。
目前，已研究的無機鹽高溫復(fù)合相變材料主要有5類：無機鹽/陶瓷基復(fù)合相變材料、無機鹽/金屬基復(fù)合相變材料、金屬/陶瓷基復(fù)合相變材料、金屬/金屬基復(fù)合相變材料、無機鹽/多孔石墨基復(fù)合相變材料。
金屬基復(fù)合相變儲熱材料中，將金屬（或非金屬）納米級粉體添加到熔融鹽中，可以克服傳統(tǒng)相變儲熱材料熱導(dǎo)率低、過冷等缺點，得到導(dǎo)熱系數(shù)增大的新儲熱介質(zhì)。熔融鹽較均勻地分布在多孔質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)金屬基體中，熔融鹽在復(fù)合儲熱材料中達(dá)80%以上，金屬骨架把相變儲熱材料分成無數(shù)個微小的儲熱單元，當(dāng)溫度超過熔融鹽熔點時，熔融鹽熔化而吸收潛熱，因泡沫金屬孔的毛細(xì)管張力作用而不會流出。克服了潛熱儲熱液固兩相界面處傳熱效果差和顯熱儲熱儲熱量小等缺點。
1.3化學(xué)反應(yīng)儲熱
化學(xué)反應(yīng)儲熱是利用可逆化學(xué)反應(yīng)的熱能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)換來進行儲熱，具有儲熱密度高、儲熱時間長、可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點。盡管化學(xué)反應(yīng)儲熱的技術(shù)不成熟，但利用太陽能熱化學(xué)反應(yīng)循環(huán)制氫是一種間接儲熱技術(shù)，這方面的應(yīng)用發(fā)展很快。太陽能熱化學(xué)反應(yīng)循環(huán)制氫技術(shù)就是利用太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)提供的高溫環(huán)境與熱化學(xué)反應(yīng)裝置聯(lián)合，采用金屬氧化物作中間物，輸入系統(tǒng)的原料是水，產(chǎn)物是氫和氧，不產(chǎn)生CO和CO2，效率可以達(dá)到30%，是很有潛力的制氫技術(shù)。
由于化學(xué)反應(yīng)儲熱方式技術(shù)復(fù)雜、一次性投資較大，目前仍處于實驗室研究階段，在大規(guī)模的應(yīng)用之前，還有許多問題需要解決。
2常見的太陽能儲熱技術(shù)
2.1固體顯熱儲熱
德國航天航空研究中心(DLR)研究開發(fā)出耐高溫混凝土和鑄造陶瓷等固體儲熱系統(tǒng)，由儲熱材料、高溫傳熱流體和嵌入固體材料的圓管式換熱管組成。在儲熱階段熱流體沿著換熱管流動把高溫?zé)崮軅鬟f到儲熱材料中。在放熱階段，冷流體沿著相反方向流動從儲熱材料中吸收熱能用來發(fā)電。在西班牙的阿爾梅里亞太陽能實驗基地(PSA)的WESPE項目中，高溫混凝土和鑄造陶瓷儲熱最高溫度為400℃，儲熱能力為350kWh。每個儲熱換熱單元由36根單管組成，管外徑為25mm，內(nèi)徑為21mm，管間距為80mm。
混凝土儲熱裝置造價很低，配置靈活，操作簡便。混凝土的主要原料是沙子和礫石，在沙漠地帶幾乎免費就可獲取，在終年陽光明媚的地區(qū)，如我國新疆的塔克拉瑪干，內(nèi)蒙古的巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠，這種混凝土儲熱器非常值得開發(fā)推廣。
2.2液體顯熱儲熱
目前，比較常用的液體儲熱介質(zhì)包括各種熔鹽、礦物油、導(dǎo)熱油、液體金屬和水等。熔鹽具有較好的儲熱傳熱性能，工作溫度與高溫高壓的蒸汽輪機相匹配，在常壓下是液態(tài)，不易燃燒、沒有毒性，而且成本較低，更適合高溫太陽能光熱發(fā)電。現(xiàn)在應(yīng)用較廣的熔鹽主要有二元熔鹽和三元熔鹽。
熔鹽的缺點有高溫腐蝕以及低溫凝固等問題，相關(guān)管道閥門材料必須耐高溫、耐腐蝕，必須對相關(guān)設(shè)備進行保溫、預(yù)熱和伴熱等。
2.2.1單罐儲熱系統(tǒng)
1982年，美國能源部在加利福尼亞州建立的So1arOne塔式太陽能電站采用單罐間接式儲熱系統(tǒng)，儲熱流體為導(dǎo)熱油，溫度范圍為218~302℃，儲熱能力為182MWh。罐內(nèi)裝有6170t砂石和906m3的Caloria型導(dǎo)熱油。由于導(dǎo)熱油最高溫度的限制，發(fā)電循環(huán)的效率只有21%。
單罐熔鹽儲熱系統(tǒng)是指作為儲熱介質(zhì)的冷流體和熱流體都儲存在一個單罐中，在儲熱或放熱過程中，冷流體和熱流體會相互接觸，在接觸區(qū)域形成一個溫度斜溫層，斜溫層以上流體保持高溫，斜溫層以下的流體保持低溫。系統(tǒng)蓄放熱過程時冷流體在罐的底部被低溫泵抽出，經(jīng)過外部換熱器加熱后由罐的頂部進入罐內(nèi)，或者熱流體在罐的頂部被高溫泵抽出，經(jīng)過外部換熱器冷卻后由罐的底部進入罐內(nèi)。隨著換熱過程的進行，斜溫層會上下移動，抽出的流體能夠保持恒溫。為了縮短斜溫層的距離，防止冷熱流體對流混合，增加儲熱量，一般會在罐內(nèi)填充石英砂等材料來增加斜溫層效應(yīng)。單罐熔鹽儲熱系統(tǒng)比雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)節(jié)省投資約35%。
德國DLR正在研制一種單罐儲熱新方法，其原理為利用可活動的機械壁面把一個罐分為兩部分，分別儲存高溫熔鹽和低溫熔鹽。在儲熱過程中高溫熔鹽進入單罐的高溫部分，使得高溫熔鹽體積增加，推動分隔壁面移動，使低溫熔鹽流出儲熱罐，使得低溫熔鹽的體積減少，但整個儲熱單罐的熔鹽體積保持不變。由于采用了分隔界面使得冷熱熔鹽的熱損失比斜溫層單罐儲熱要少，其結(jié)構(gòu)和控制過程更加簡單，估計不久的將來就能實際應(yīng)用。
東莞理工學(xué)院提出了一種新型熔融鹽高溫斜溫層混合儲熱系統(tǒng)，與現(xiàn)有儲熱系統(tǒng)相比，提高了單位體積的儲熱容量，簡化了熔融鹽的注入和出料結(jié)構(gòu)，正在抓緊研究工程化應(yīng)用技術(shù)。
2.2.2雙罐儲熱系統(tǒng)
雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)是指太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)包含兩個儲熱罐，一個高溫儲熱罐；另一個低溫儲熱罐。其按照儲熱方式可分為直接儲熱系統(tǒng)和間接儲熱系統(tǒng)。間接儲熱系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)和儲熱介質(zhì)采用不同的物質(zhì)，需要換熱裝置來傳遞熱量。間接儲熱系統(tǒng)常采用導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)，熔融鹽液作為儲熱介質(zhì)。傳熱介質(zhì)與儲熱介質(zhì)之間有油-鹽換熱器，工作溫度不能超過400℃。其缺點是傳熱介質(zhì)與儲熱介質(zhì)之間通過換熱器進行換熱，帶來間接換熱損失。
直接儲熱系統(tǒng)中傳熱流體既作為傳熱介質(zhì)，又作為儲熱介質(zhì)，不存在油－鹽換熱器，適用于400~500℃的高溫工況，從而使朗肯循環(huán)的發(fā)電效率達(dá)到40%。對于管道平面布置的槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)，需要使用伴熱的方法來防止熔融鹽液傳熱介質(zhì)的凍結(jié)。塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的管網(wǎng)絕大部分是豎直布置在塔內(nèi)，其工作溫度比槽式系統(tǒng)高，傳熱介質(zhì)容易排出，因此直接儲熱的雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)對塔式系統(tǒng)是比較好的選擇。
雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)中冷罐和熱罐分別單獨放置，技術(shù)風(fēng)險低，是目前比較常用的大規(guī)模太陽能光熱發(fā)電儲熱方法，但是雙罐系統(tǒng)需要較多的儲熱介質(zhì)和較高維護費用。
2.2.3水－水蒸汽儲熱系統(tǒng)
在太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中，用水直接作為傳熱和儲熱介質(zhì)，具有比熱容大、熱導(dǎo)率高、無毒、無腐蝕、易于儲運等優(yōu)點。在系統(tǒng)中加入了蒸汽儲熱器可以把多余的水蒸汽變成體積熱容較大的水來儲存熱量，可以保持系統(tǒng)壓力在穩(wěn)定工作范圍之內(nèi)，具有較少的反應(yīng)時間、較高的放熱速率。
作為一種直接蒸汽儲熱發(fā)電系統(tǒng)，是最有希望減少成本的方法之一。但直接蒸汽儲熱發(fā)電系統(tǒng)存在高溫高壓問題，水蒸汽的臨界壓力為22.129MPa，臨界溫度為374.15℃，當(dāng)水的溫度高于臨界溫度時，過熱水蒸汽壓力特別高，對熱傳輸系統(tǒng)的耐壓性提出了非常高的要求。
３太陽能儲熱發(fā)展前景展望
按照目前我國太陽能發(fā)電建設(shè)布局，預(yù)計在10年內(nèi)可達(dá)到10GW的光熱發(fā)電總裝機規(guī)模。僅儲熱熔鹽這一方面，未來10年國內(nèi)市場需求將達(dá)到600億元人民幣。假設(shè)國內(nèi)光熱發(fā)電市場占世界光熱發(fā)電市場的裝機規(guī)模占比為1/10，則未來10年國外市場儲熱熔鹽需求總值將達(dá)到6000億元人民幣。
隨著傳統(tǒng)化石能源的減少和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，大力開發(fā)新能源尤其是太陽能，是解決能源和環(huán)境問題的最佳選擇，傳統(tǒng)化石能源經(jīng)濟將逐步讓位給太陽能。通過大規(guī)模儲熱應(yīng)用，可以改善太陽能的不連續(xù)、不穩(wěn)定性，實現(xiàn)安全、穩(wěn)定供電。因此，持續(xù)研究開發(fā)可靠高效經(jīng)濟適用的太陽能儲熱技術(shù)，對于太陽能光熱發(fā)電的良性發(fā)展具有十分重要的意義。
本文來源：中國知網(wǎng) 版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載僅供學(xué)習(xí)交流，如有不適請聯(lián)系我們，謝謝。
標(biāo)簽： 點擊： 評論: