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储热技术及应用[6]:太阳能热发电用储热技术

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发表于 2021-1-25 15:26:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
太阳能作为一种可再生能源,具有清洁无污染、来源广和开发潜力大等优点。太阳能的大规模应用可有效减少对化石能源的依赖,但由于天气、气候等因素的影响,太阳能辐射存在时间不连续的缺点。因此,聚光太阳能热发电技术必须配备储热系统,如图1所示。在日照充足或电力需求低谷期间,储热系统将过剩热量进行储存;在太阳辐射较弱或电力需求旺盛期间,储热系统放出热量供发电利用。
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图1 配备储热系统的聚光太阳能热发电系统
目前, 中高温储热技术通常应用于聚光太阳能热发电领域,适用的技术主要包括以导热油/熔盐/液态金属/混凝土为代表的显热储热,以金属相变与熔盐相变为代表的潜热储热, 以可逆化学反应为代表的热化学储热。

1.   显热储热技术
显热储热是通过储热介质本身温度的变化实现储能的方式,其技术过程相对简单,是目前最为成熟的储热方式。显热储热技术常用的介质包括导热油、熔融盐、混凝土、陶瓷等。
导热油用于美国首个大规模太阳能热试验电站,但价格较高、易燃、蒸汽压大。熔融盐是一种由阴阳离子组成的离子融体,其体系价格适中、温域范围广、无毒、不易燃,尤其是多元混合熔盐,具有黏度、蒸汽压低的特点,是中高温液态显热储热材料的重要选项。双罐式熔融盐储热系统是目前最为常见的光热电站储热形式。但熔融盐的凝固点温度较高(120-220℃),流体在管道中存在凝固堵塞的风险,其运行和维护成本较高。
高温混凝土以及浇注陶瓷材料来源广泛,适宜用作固态显热储热材料,在应用中通常以填充颗粒床层的形式与流体进行换热。高温混凝土中多使用矿渣水泥,其成本较低、强度高、易于加工成型,已应用在太阳能热发电等领域,但其导热系数不高,通常需要添加高导热性的组分(如石墨粉等),或者通过优化储热系统的结构设计来增强传热性能。浇注陶瓷多采用硅铝酸盐铸造成型,所制备材料在比热容、热稳定性及导热性能等方面都优于高温混凝土,但其应用成本相对较高。

2.   热储热技术
潜热储热是指通过储热材料发生相变时吸收或释放热量来进行能量的储存和释放,通常采用无机盐或金属作为介质。目前中高温相变储热材料(>120℃)主要包括金属及合金、无机盐体系。
金属作为相变储热材料单位体积的储热密度大、导热性能好、热稳定性较好、相变时体积变化小,特别适用于300℃以上的储热应用。金属合金相变材料相变后化学活性较强,易与容器反应。高熔点元素组成的合金材料通常具有较高的储热性能,研究发现相变温度780~850 K且富含Si或A1的合金的储热密度最高。A1Sil2 是一种性能优良的高温相变材料,其潜热大、相变温度适中、相变温区窄、热稳定性高且导热性能好,可用于储存太阳能热的介质。但金属及合金相变材料的成本较高,单位质量储热密度受到限制,加上金属合金相变材料相变后化学活性较强,易与容器反应,这种高温腐蚀大大限制了其在中高温储热领域的广泛应用。
无机盐材料来源广泛、相变焓值大、价格适中,特别适合于中高温条件下的应用。无机盐相变温域较宽(250~1680℃),相变焓值范围广(68~1041 J/g),能够满足很多中高温储热的应用要求。使用多元混合熔盐可实现相变温度可调,从而大大扩展了单一无机盐作为相变储热材料的应用温度范围,并且其热物理性能优越,特别是共晶盐,结晶能力强、“过冷”现象较小,在中高温储热领域得到了广泛研究。
目前,潜热储热技术尚未大规模应用于商业化光热电站,主要原因是热腐蚀及强化传热方面仍存在较大问题。目前潜热储热技术主要应用于中温领域,在高温条件下储热材料热稳定性不能保证。

3.    热化学储热技术
热化学储热是通过化学键的断裂重组实现能量的储存与释放。相比于显热储热和潜热储热,热化学储热的储能密度更大(约为显热储热的10倍及潜热储热的5倍),可实现长时间低热损储存,被认为是当前最具潜力的高温热能储存方式。但目前该技术仍多处于理论分析和实验研究初期阶段,实现化学反应系统与储热系统的结合以及中高温领域的规模应用仍需要进一步研究。目前,典型的热化学储热体系根据反应物的不同可分为:氨分解体系、甲烷重整体系、金属碳酸盐体系、金属氢氧化物体系、氧化还原体系。
氨分解体系中主要发生氨的合成/分解反应,其正反应和逆反应都需要催化剂。该体系可逆性较高,但是为了加速氨合成反应,需要给系统加压,一般为10-30MPa。由于反应器的材料限制,高压将造成材料、设备运行和维护的成本增加。甲烷重整体系,甲烷与水或二氧化碳在较高温度下转化合成气并可进一步合成液体燃料,高反应具有强吸热特性,其正逆反应都需要催化剂,反应可逆性较差。金属碳酸盐体系的反应温度较高,研究较多的材料包括CaCO3、PbCO3、MgCO3和BaCO3等,这些材料具备较高的反应焓和储能密度,但是其分解反应动力学较慢,且这些分解反应存在一定的不可逆性。
金属氢氧化物体系研究较多的材料是Ca(OH)2和Mg(OH)2。其中Ca(OH)2的工作温度相对较高,且原材料廉价并具有较高的反应焓,可以应用于高温储热,目前该技术的主要问题在于材料烧结、团聚和热导率差等。金属氢氧化物体系中研究最广泛的材料是MgH2,储能密度高,但其工作温度偏低,未来需要进一步开发适用于高温储热的氢化物材料。氧化还原体系可以使用空气作为传热介质和反应物,无需配置换热器和气体储存罐,降低了热化学储热系统中的总热损失。氧化还原体系应用于以空气为介质的太阳能热电站时具有固有优势,在高温储热应用方面具有较大潜力。

4. 结语
随着太阳能热发电技术的发展,中高温储热技术的研究已经取得了一些进展,但在应用过程中仍存在一些问题。显热储热材料依靠自身温度变化进行热量传递,储热密度小、难以实现恒温,设备体积庞大,总体效率不高,熔盐换热流体的腐蚀性、高温凝结等问题都需要做进一步研究。高温储热技术中相变材料的腐蚀性、与结构材料的兼容性、相变材料的热/化学稳定性、循环使用寿命等问题都需要进一步的研究。热化学储热材料适用的温度范围比较宽、储热密度大,但热化学储热技术工艺复杂、技术成熟性尚低,需要进行大量的研究投入。

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中国热管理产业技术创新战略联盟 原创发布

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