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储热技术在太阳能工程领域的应用研究

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 中国作为最大的发展中国家,面临着巨大的能源压力。据权威机构预计,到2020年我国石油需求量将达到4.3亿t,石油将60%依赖进口,能源需求总量将达到31亿t标准煤。随着传统化石能源的日益减少,开发新能源尤其是太阳能成为大势所趋。经过近20年的技术研发和积累,我国的低温太阳能热水技术已经十分成熟,太阳能热水器已经进入千家万户。太阳能光伏发电技术也得到了大范围的商业化应用。然而,作为未来重要的基础电力能源之一的中高温太阳能光热发电技术,其应用水平却落后欧美国家很多,目前我国光热发电总装机容量在世界上的市场份额占比还不到1%,处于刚起步的阶段,蕴藏着巨大的市场商机。

太阳能光热发电离不开储热,储热作为其核心子系统之一,其建设成本占比高达20%~25%,可以说太阳能光热发电系统的成败决定于储热子系统的成败,因此储热技术一直是太阳能光热发电领域的研究热点。

1储热技术分类

1.1显热储热

显热储热是利用材料自身的比热容来储存/放热能,工程上应用的一般有液体显热储热和固体显热储热,属于非相变储热;如水储热,导热油储热,石英砂和高温混凝土储热等。

1.2潜热储热

潜热储热即相变储热,主要是通过储热材料发生相变时吸热或放热来实现能量的储存与释放,如水-水蒸汽储热,熔盐储热等。具有储热密度大,相变过程中接近恒温,储热系统尺寸较小等特点。

目前相变类储热材料主要有:有机类、熔融盐类、合金类及复合类等。熔融盐类相变材料一般由碱金属的氟化物、氯化物、硝酸盐、碳酸盐等组成,可以是单组分、双组分或多组分的混合物,一般应用于中高温领域。纳米复合相变储热材料技术是近年来才开始出现工程应用的新型相变储热技术,纳米颗粒具有比表面积大、界面相互作用强等特点,具有良好的热学性能。将纳米技术用于相变储热领域,制成复合相变储热材料,可以延长相变材料使用寿命、改善相变材料性能,拓宽其工作温度区间。

目前,已研究的无机盐高温复合相变材料主要有5类:无机盐/陶瓷基复合相变材料、无机盐/金属基复合相变材料、金属/陶瓷基复合相变材料、金属/金属基复合相变材料、无机盐/多孔石墨基复合相变材料。

金属基复合相变储热材料中,将金属(或非金属)纳米级粉体添加到熔融盐中,可以克服传统相变储热材料热导率低、过冷等缺点,得到导热系数增大的新储热介质。熔融盐较均匀地分布在多孔质网状结构金属基体中,熔融盐在复合储热材料中达80%以上,金属骨架把相变储热材料分成无数个微小的储热单元,当温度超过熔融盐熔点时,熔融盐熔化而吸收潜热,因泡沫金属孔的毛细管张力作用而不会流出。克服了潜热储热液固两相界面处传热效果差和显热储热储热量小等缺点。

1.3化学反应储热

化学反应储热是利用可逆化学反应的热能与化学能的转换来进行储热,具有储热密度高、储热时间长、可以远距离传输等优点。尽管化学反应储热的技术不成熟,但利用太阳能热化学反应循环制氢是一种间接储热技术,这方面的应用发展很快。太阳能热化学反应循环制氢技术就是利用太阳能光热发电系统提供的高温环境与热化学反应装置联合,采用金属氧化物作中间物,输入系统的原料是水,产物是氢和氧,不产生COCO2,效率可以达到30%,是很有潜力的制氢技术。

由于化学反应储热方式技术复杂、一次性投资较大,目前仍处于实验室研究阶段,在大规模的应用之前,还有许多问题需要解决。

2常见的太阳能储热技术

2.1固体显热储热

德国航天航空研究中心(DLR)研究开发出耐高温混凝土和铸造陶瓷等固体储热系统,由储热材料、高温传热流体和嵌入固体材料的圆管式换热管组成。在储热阶段热流体沿着换热管流动把高温热能传递到储热材料中。在放热阶段,冷流体沿着相反方向流动从储热材料中吸收热能用来发电。在西班牙的阿尔梅里亚太阳能实验基地(PSA)WESPE项目中,高温混凝土和铸造陶瓷储热最高温度为400℃,储热能力为350kWh。每个储热换热单元由36根单管组成,管外径为25mm,内径为21mm,管间距为80mm

混凝土储热装置造价很低,配置灵活,操作简便。混凝土的主要原料是沙子和砾石,在沙漠地带几乎免费就可获取,在终年阳光明媚的地区,如我国新疆的塔克拉玛干,内蒙古的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠,这种混凝土储热器非常值得开发推广。

2.2液体显热储热

目前,比较常用的液体储热介质包括各种熔盐、矿物油、导热油、液体金属和水等。熔盐具有较好的储热传热性能,工作温度与高温高压的蒸汽轮机相匹配,在常压下是液态,不易燃烧、没有毒性,而且成本较低,更适合高温太阳能光热发电。现在应用较广的熔盐主要有二元熔盐和三元熔盐。

熔盐的缺点有高温腐蚀以及低温凝固等问题,相关管道阀门材料必须耐高温、耐腐蚀,必须对相关设备进行保温、预热和伴热等。

2.2.1单罐储热系统

1982年,美国能源部在加利福尼亚州建立的So1arOne塔式太阳能电站采用单罐间接式储热系统,储热流体为导热油,温度范围为218~302℃,储热能力为182MWh。罐内装有6170t砂石和906m3Caloria型导热油。由于导热油最高温度的限制,发电循环的效率只有21%

单罐熔盐储热系统是指作为储热介质的冷流体和热流体都储存在一个单罐中,在储热或放热过程中,冷流体和热流体会相互接触,在接触区域形成一个温度斜温层,斜温层以上流体保持高温,斜温层以下的流体保持低温。系统蓄放热过程时冷流体在罐的底部被低温泵抽出,经过外部换热器加热后由罐的顶部进入罐内,或者热流体在罐的顶部被高温泵抽出,经过外部换热器冷却后由罐的底部进入罐内。随着换热过程的进行,斜温层会上下移动,抽出的流体能够保持恒温。为了缩短斜温层的距离,防止冷热流体对流混合,增加储热量,一般会在罐内填充石英砂等材料来增加斜温层效应。单罐熔盐储热系统比双罐熔盐储热系统节省投资约35%

德国DLR正在研制一种单罐储热新方法,其原理为利用可活动的机械壁面把一个罐分为两部分,分别储存高温熔盐和低温熔盐。在储热过程中高温熔盐进入单罐的高温部分,使得高温熔盐体积增加,推动分隔壁面移动,使低温熔盐流出储热罐,使得低温熔盐的体积减少,但整个储热单罐的熔盐体积保持不变。由于采用了分隔界面使得冷热熔盐的热损失比斜温层单罐储热要少,其结构和控制过程更加简单,估计不久的将来就能实际应用。

东莞理工学院提出了一种新型熔融盐高温斜温层混合储热系统,与现有储热系统相比,提高了单位体积的储热容量,简化了熔融盐的注入和出料结构,正在抓紧研究工程化应用技术。

2.2.2双罐储热系统

双罐熔盐储热系统是指太阳能光热发电系统包含两个储热罐,一个高温储热罐;另一个低温储热罐。其按照储热方式可分为直接储热系统和间接储热系统。间接储热系统的传热介质和储热介质采用不同的物质,需要换热装置来传递热量。间接储热系统常采用导热油作为传热介质,熔融盐液作为储热介质。传热介质与储热介质之间有油-盐换热器,工作温度不能超过400℃。其缺点是传热介质与储热介质之间通过换热器进行换热,带来间接换热损失。

直接储热系统中传热流体既作为传热介质,又作为储热介质,不存在油-盐换热器,适用于400~500℃的高温工况,从而使朗肯循环的发电效率达到40%。对于管道平面布置的槽式太阳能光热发电系统,需要使用伴热的方法来防止熔融盐液传热介质的冻结。塔式太阳能光热发电系统的管网绝大部分是竖直布置在塔内,其工作温度比槽式系统高,传热介质容易排出,因此直接储热的双罐熔盐储热系统对塔式系统是比较好的选择。

双罐熔盐储热系统中冷罐和热罐分别单独放置,技术风险低,是目前比较常用的大规模太阳能光热发电储热方法,但是双罐系统需要较多的储热介质和较高维护费用。

2.2.3水-水蒸汽储热系统

在太阳能光热发电系统中,用水直接作为传热和储热介质,具有比热容大、热导率高、无毒、无腐蚀、易于储运等优点。在系统中加入了蒸汽储热器可以把多余的水蒸汽变成体积热容较大的水来储存热量,可以保持系统压力在稳定工作范围之内,具有较少的反应时间、较高的放热速率。

作为一种直接蒸汽储热发电系统,是最有希望减少成本的方法之一。但直接蒸汽储热发电系统存在高温高压问题,水蒸汽的临界压力为22.129MPa,临界温度为374.15℃,当水的温度高于临界温度时,过热水蒸汽压力特别高,对热传输系统的耐压性提出了非常高的要求。

3太阳能储热发展前景展望

按照目前我国太阳能发电建设布局,预计在10年内可达到10GW的光热发电总装机规模。仅储热熔盐这一方面,未来10年国内市场需求将达到600亿元人民币。假设国内光热发电市场占世界光热发电市场的装机规模占比为1/10,则未来10年国外市场储热熔盐需求总值将达到6000亿元人民币。

随着传统化石能源的减少和环境污染的日益严重,大力开发新能源尤其是太阳能,是解决能源和环境问题的最佳选择,传统化石能源经济将逐步让位给太阳能。通过大规模储热应用,可以改善太阳能的不连续、不稳定性,实现安全、稳定供电。因此,持续研究开发可靠高效经济适用的太阳能储热技术,对于太阳能光热发电的良性发展具有十分重要的意义。

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