熔融鹽顯熱蓄熱技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展

吳玉庭，任 楠，馬重芳

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

儲(chǔ)能通過(guò)一定介質(zhì)存儲(chǔ)能量，在需要時(shí)將所存能量釋放，以提高能量系統(tǒng)的效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性。儲(chǔ)能技術(shù)是目前制約可再生能源大規(guī)模利用的最主要瓶頸之一，也是提高常規(guī)電力系統(tǒng)以及分布式能源系統(tǒng)和智能電網(wǎng)效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵技術(shù)，因此成為當(dāng)前電力和能源領(lǐng)域的研發(fā)和投資熱點(diǎn)[1-2]。

熔融鹽由于具有大熱容量、低黏度、低蒸汽壓、寬使用溫度范圍等諸多優(yōu)勢(shì)，成為一種公認(rèn)的中高溫傳熱蓄熱介質(zhì)。熔融鹽蓄熱分為潛熱蓄熱和顯熱蓄熱。顯熱蓄熱主要是通過(guò)蓄熱材料溫度的上升或下降來(lái)儲(chǔ)存或釋放熱能，在蓄熱和放熱過(guò)程中蓄熱材料本身不發(fā)生相變或化學(xué)變化。熔融鹽的顯熱蓄熱技術(shù)是兩種熱能存儲(chǔ)方式中原理較簡(jiǎn)單、技術(shù)較成熟、蓄熱方式較靈活、成本較低廉的一種，并已具備大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的能力，目前在太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域熔融鹽的顯熱蓄熱技術(shù)已經(jīng)得到了應(yīng)用，并取得了非常顯著的效果[3]。

1 熔融鹽的特征和種類(lèi)

所謂熔融鹽就是無(wú)機(jī)鹽在高溫下熔化形成的液態(tài)鹽，常見(jiàn)的熔融鹽包括硝酸鹽、氯化鹽、氟化鹽、碳酸鹽和混合熔融鹽等。熔融鹽是一種不含水的高溫液體，其主要特征是熔化時(shí)解離為離子，正負(fù)離子靠庫(kù)侖力相互作用，所以可用作高溫下的傳熱蓄熱介質(zhì)。熔融鹽做為高溫傳熱蓄熱介質(zhì)主要包括以下優(yōu)點(diǎn)。① 液體溫度范圍寬。如二元混合硝酸鹽，其液體溫度范圍為 240～565 ℃，本文作者課題組研發(fā)的低熔點(diǎn)混合熔融鹽，其液體溫度范圍擴(kuò)大到了90～600 ℃，三元混合碳酸鹽其液體溫度范圍是450～850 ℃。② 低的飽和蒸汽壓。熔融鹽具有較低的飽和蒸汽壓，特別是混合熔融鹽，飽和蒸汽壓更低，接近常壓，保證了高溫下熔融鹽設(shè)備的安全性。③ 密度大。液態(tài)熔融鹽的密度一般是水的 2倍。④ 較低的黏度。熔融鹽的黏度隨溫度變化顯著，在高溫區(qū)熔融鹽的黏度甚至低于室溫下水的黏度，流動(dòng)性非常好。⑤ 具有化學(xué)穩(wěn)定性。熔融鹽在使用溫區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。⑥ 價(jià)格低。如高溫導(dǎo)熱油價(jià)格是30000～50000元/噸，常用混合熔融鹽的價(jià)格一般小于10000元/噸。

2 熔融鹽顯熱蓄熱技術(shù)原理

熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)一般由熱鹽罐、冷鹽罐、泵和換熱器組成。圖1給出了熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)的原理。當(dāng)蓄熱時(shí)冷鹽罐中的低溫熔融鹽（292 ℃）被抽出進(jìn)入熔融鹽換熱器，從集熱器出來(lái)的高溫流體也進(jìn)入熔融鹽換熱器加熱低溫熔融鹽變成高溫熔融鹽放入熱鹽罐儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)需要放熱時(shí)，熱鹽罐中的熔融鹽被抽出經(jīng)過(guò)熔融鹽換熱器加熱低溫流體，使低溫流體變?yōu)楦邷亓黧w，高溫流體進(jìn)入用熱設(shè)備，維持用熱設(shè)備的正常運(yùn)行，高溫熔融鹽在熔融鹽換熱器中放熱后變?yōu)榈蜏厝廴邴}進(jìn)入冷鹽罐中。

圖1 熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)組成圖Fig.1 Configuration of a molten salt sensible heat storage system

3 關(guān)鍵技術(shù)及研發(fā)現(xiàn)狀

熔融鹽顯熱蓄熱的關(guān)鍵技術(shù)可分為對(duì)熔融鹽工質(zhì)關(guān)鍵屬性的把握和熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)與布置。

3.1 熔融鹽蓄熱工質(zhì)

3.1.1 中高溫混合熔融鹽的配制

單一組分的熔融鹽熔點(diǎn)較高，熱穩(wěn)定性較差，無(wú)法滿(mǎn)足各領(lǐng)域?qū)Ω邷貍鳠嵝顭岬囊?，因此，人們常常將不同的鹽混合形成混合熔融鹽。其中，可形成共晶的混合熔融鹽將擁有較低的熔點(diǎn)和較高的分解溫度。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)混合熔融鹽的配制主要采用同類(lèi)酸根離子鹽之間的混合，如將常見(jiàn)的硝酸鹽、碳酸鹽、氯化鹽等按照不同組分、不同比例混合，以尋求滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求的混合熔融鹽。盡管有眾多的學(xué)者在熔融鹽的配制方面做了大量工作，但是迄今為止，針對(duì)配制新型共晶混合熔融鹽還沒(méi)有統(tǒng)一的理論指導(dǎo)，掌握合適的中高溫混合熔融鹽的配制方法，獲得更加優(yōu)良的熔融鹽工質(zhì)是熔融鹽顯熱蓄熱關(guān)鍵技術(shù)的瓶頸。

目前，世界上商業(yè)化運(yùn)行的太陽(yáng)能熱發(fā)電電站大規(guī)模使用的熔融鹽主要是二元硝酸鹽（60%NaNO3+40% KNO3，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）[4]。該混合熔融鹽的熔點(diǎn)為220 ℃，最高使用溫度為565 ℃，存在熔點(diǎn)高、系統(tǒng)凍堵風(fēng)險(xiǎn)高和防凍堵代價(jià)大的缺點(diǎn)，且最高使用溫度不能滿(mǎn)足先進(jìn)高參數(shù)太陽(yáng)能熱發(fā)電的需求。因此，目前熔融鹽研究的國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)是通過(guò)加入添加劑，降低熔融鹽的熔點(diǎn)，提高熔融鹽的最高使用溫度。如Sandia National Laboratories開(kāi)發(fā)了一種新型混合硝酸鹽，其熔點(diǎn)降到了 100 ℃以下[5]。Raade等[6]開(kāi)發(fā)出了熔點(diǎn)為65 ℃，最高使用溫度為500 ℃的新型五元混合硝酸鹽。國(guó)內(nèi)北京工業(yè)大學(xué)馬重芳教授、吳玉庭教授的團(tuán)隊(duì)配制了 130多種混合熔融鹽配方，特別是配制出了熔點(diǎn)在100 ℃左右的低熔點(diǎn)熔融鹽，其最高使用溫度超過(guò)600 ℃[7-9]。Peng等[10]通過(guò)在三元硝酸熔融鹽基礎(chǔ)上添加多種添加劑顯著提高了三元硝酸熔融鹽的最高使用溫度。

3.1.2 混合熔融鹽的熱物性

熔融鹽熱物性是熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是配制和篩選性能優(yōu)良傳熱蓄熱熔融鹽配方的主要依據(jù)。研究者們已對(duì)水、空氣、制冷劑、有機(jī)工質(zhì)等低溫工質(zhì)的熱物性進(jìn)行了大量的研究，得到了相應(yīng)的熱物性數(shù)據(jù)庫(kù)及預(yù)測(cè)計(jì)算方法，但對(duì)高溫液體傳熱工質(zhì)尤其是熔融鹽的熱物性研究較少，缺乏高溫混合熔融鹽的熱物性數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算方法。因此，進(jìn)行混合熔融鹽高溫?zé)嵛镄詤?shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，獲得混合熔融鹽的熱物性推算方法是熔融鹽顯熱蓄熱的又一關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容。

國(guó)際上，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)各種熔融鹽的理化特性以及其與結(jié)構(gòu)材料的相容性進(jìn)行了深入研究[11]；數(shù)個(gè)日本公司與美國(guó)公司及美國(guó)威斯康星大學(xué)對(duì)包括LiF-NaF-KF、LiF-BeF2、KCl-MgCl2在內(nèi)的幾種熔融鹽的理化特性進(jìn)行了深入研究[12]；Marianowski等[13]對(duì)相變溫度高于 450 ℃的熔融鹽熱物性進(jìn)行了研究；Venkatesetty等[14]測(cè)定了相變溫度為220～290℃的無(wú)機(jī)共晶鹽的熱物性[13]；Kamimoto等對(duì)LiNO3、NaNO2熔融鹽的熱物性進(jìn)行了精確的測(cè)定[14]；Takahashi等[15]對(duì) LiNO3、NaNO3和 KNO3的比熱容和潛熱進(jìn)行了測(cè)量，并給出了比熱容的多項(xiàng)式擬合方程；Tufeu 等[16]對(duì) NaNO3、KNO3、NaNO2的純凈物和混合物的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量；Araki等[17]對(duì)碳酸熔融鹽的導(dǎo)熱性能進(jìn)行了研究；Nagasaka等[18]對(duì)堿金屬氯化物熔融鹽的導(dǎo)熱性能進(jìn)行了研究，得出了熔融鹽導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的回歸方程。北京工業(yè)大學(xué)馬重芳、吳玉庭團(tuán)隊(duì)[7-9，19]測(cè)定了 130多種混合熔融鹽的比熱容、密度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)（分解溫度）、熔化潛熱等熱物性數(shù)據(jù)，揭示了熔融鹽組分和溫度對(duì)混合熔融鹽熱物性的影響機(jī)理，并獲得了這些物性參數(shù)與溫度的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；將形狀因子對(duì)應(yīng)態(tài)原理引入到熔融鹵化鹽的熱物性推算之中，通過(guò)參考流體的確定和保形參數(shù)的計(jì)算，建立了完整的熔融鹵化鹽黏度推算模型，并利用模型對(duì)7種熔融鹵化鹽進(jìn)行了較寬溫度范圍內(nèi)的黏度估算，取得了滿(mǎn)意結(jié)果；建立了加權(quán)平均混合熔融鹽密度計(jì)算方法，利用此方法對(duì)混合碳酸鹽和低熔點(diǎn)熔融鹽的密度進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有一致性，驗(yàn)證了此種計(jì)算方法的可靠性。

3.1.3 混合熔融鹽流動(dòng)與傳熱性能

熔融鹽的流動(dòng)與傳熱特性，直接關(guān)系到熔融鹽蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布置，而熔融鹽的熱物性決定了熔融鹽的流動(dòng)與傳熱特性，最終會(huì)影響到蓄熱系統(tǒng)的效率，因此掌握熔融鹽的流動(dòng)與傳熱性能也是熔融鹽顯熱蓄熱的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1940年，Kirst等[20]首先報(bào)道了三元混合硝酸鹽管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)的測(cè)試結(jié)果。從 1950—1974年，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了混合硝酸鹽、混合氟化鹽的電加熱管道內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)，并與Colburn 方程進(jìn)行了對(duì)比[21]。美國(guó)劉易斯推進(jìn)研究中心也對(duì)三元氟化鹽的電加熱管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)進(jìn)行了分析和研究[22]。

北京工業(yè)大學(xué)馬重芳、吳玉庭等分別以硝酸鋰和混合硝酸鹽為工質(zhì)，試驗(yàn)得到了不同工況下光滑管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)和流動(dòng)阻力系數(shù)；綜合美國(guó)和作者課題組的5種熔融鹽試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了充分發(fā)展紊流和過(guò)渡流混合硝酸鹽換熱通用無(wú)量綱準(zhǔn)則方程式，并在國(guó)際上首次將高溫熔融鹽的試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照各種管內(nèi)受迫對(duì)流經(jīng)典試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式（如Dittus-Boelter、Sieder-Tate、Hausen 和 Gnielinski方程等）形式整理，驗(yàn)證了經(jīng)典關(guān)聯(lián)式對(duì)高溫熔融鹽傳熱的適用性[23-25]。該研究結(jié)果于2010年3月和9月分別被美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Idaho National Laboratory）發(fā)表的兩篇內(nèi)部報(bào)告《液態(tài)熔融鹽熱物理和熱化學(xué)特性的工程數(shù)據(jù)庫(kù)》[12]和《熔融鹽強(qiáng)迫對(duì)流傳熱試驗(yàn)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)》[27]所引用。在兩篇科技報(bào)告中，該研究成果也被大幅引用，兩篇報(bào)告中推薦的6個(gè)熔融鹽對(duì)流傳熱的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式和6張熔融鹽對(duì)流傳熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表均來(lái)自本文作者課題組的研究成果。該團(tuán)隊(duì)還測(cè)得了微細(xì)金屬絲表面熔融鹽自然對(duì)流傳熱系數(shù)，并與經(jīng)典自然對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了比較。同時(shí)開(kāi)展了非均勻加熱情況下熔融鹽混合對(duì)流傳熱的數(shù)值模擬，搭建了熔融鹽混合對(duì)流傳熱試驗(yàn)臺(tái)，獲得了熔融鹽混合對(duì)流傳熱的初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了 3種參數(shù)橫紋管管內(nèi)混合熔融鹽對(duì)流傳熱系數(shù)和流動(dòng)阻力系數(shù)，擬合得到了橫紋管內(nèi)換熱和阻力的通用量綱為1準(zhǔn)則關(guān)系式，并對(duì)橫紋管的強(qiáng)化傳熱效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)[26]。東莞理工大學(xué)楊曉西教授和中山大學(xué)丁靜教授等課題組分析研究了高溫熔融鹽強(qiáng)化傳熱管傳熱與流動(dòng)特性，得到了管結(jié)構(gòu)參數(shù)、管內(nèi)雷諾數(shù)Re和熔融鹽Pr數(shù)對(duì)于螺旋槽管和橫紋管管內(nèi)強(qiáng)化傳熱效果的影響[28]。

3.2 熔融鹽蓄熱設(shè)備

3.2.1 高溫熔鹽泵

高溫熔鹽泵為熔融鹽循環(huán)提供動(dòng)力，是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中唯一的動(dòng)力部件，也是最核心的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，熔鹽泵的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和安全性?？紤]到高溫熔融鹽工質(zhì)的特殊性，熔鹽泵的選擇除了需要滿(mǎn)足常規(guī)泵的流量和量程外，對(duì)過(guò)流部件的耐高溫、防腐蝕以及熔鹽泵電動(dòng)機(jī)的布置和泵軸的冷卻都需要特別設(shè)計(jì)。因此，高溫熔鹽泵技術(shù)也是整個(gè)熔融鹽蓄熱系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。熔鹽泵一般多選用長(zhǎng)軸泵和懸臂泵，其選型主要取決于所用熔融鹽的密度和黏度。密度主要影響泵葉輪的扭矩，軸必須擁有足夠的抗扭強(qiáng)度來(lái)攪動(dòng)熔融鹽；熔融鹽的黏度和材料的相容性強(qiáng)烈地影響泵的水力承壓裝置的壽命特性曲線(xiàn)。

3.2.2 熔融鹽換熱器

根據(jù)蓄熱熱源的工質(zhì)、溫度、熱量等的不同，需要設(shè)計(jì)熔融鹽-水、熔融鹽-導(dǎo)熱油、熔融鹽-水蒸氣、熔融鹽-空氣等多種不同形式的換熱器。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮熔融鹽的熱物性、流動(dòng)和傳熱特性。目前，應(yīng)用最廣泛的是管殼式換熱器，其主要優(yōu)點(diǎn)是在工作狀態(tài)下便于檢查，可以盡量減小穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱膨脹應(yīng)力。換熱器是整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的重要部件，其傳熱效率和壓降能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求至關(guān)重要。因此，設(shè)計(jì)相應(yīng)的熔融鹽換熱器也是熔融鹽蓄熱系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2.3 熔融鹽蓄熱罐

蓄熱罐的關(guān)鍵在于熱量能否高效地進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放，其質(zhì)量直接影響到整個(gè)熔融鹽蓄熱系統(tǒng)的效率，設(shè)計(jì)可靠、安全、高效的熔融鹽蓄熱罐也是熔融鹽蓄熱系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2.4 熔融鹽回路和預(yù)熱

如何有效地布置熔融鹽蓄熱系統(tǒng)的回路，合理安排各管段的預(yù)熱功率和預(yù)熱溫度，防止熔融鹽在管路中凝固也是熔融鹽蓄熱系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。熔融鹽蓄熱系統(tǒng)的回路應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：① 確定回路元件的安全性、可靠性和其它性能需求；② 測(cè)定必要的信息為各元件滿(mǎn)足需求提供保障；③ 開(kāi)發(fā)一種有效地獲得各元件信息的方法，并使各元件形成一個(gè)完整的系統(tǒng)進(jìn)行操作。熔融鹽預(yù)熱系統(tǒng)是保障熔融鹽蓄熱系統(tǒng)安全初始啟動(dòng)的重要部件，同時(shí)也是防止熔融鹽在管路中凝固的保障措施。此外，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的介紹，預(yù)熱方式、預(yù)熱功率及預(yù)熱溫度等也是影響管路腐蝕特性的關(guān)鍵因素。因此，合理布置熔融鹽回路和預(yù)熱系統(tǒng)至關(guān)重要。

4 熔融鹽顯熱蓄熱的應(yīng)用

4.1 在太陽(yáng)能熱發(fā)電中的應(yīng)用

太陽(yáng)能熱發(fā)電是太陽(yáng)能利用的重要領(lǐng)域。太陽(yáng)能熱發(fā)電是利用集熱器把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)變成熱能，然后通過(guò)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)來(lái)發(fā)電。把太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)和低成本大規(guī)模高溫蓄熱技術(shù)相結(jié)合，可提供連續(xù)穩(wěn)定、連續(xù)可調(diào)的高品質(zhì)電能，這是太陽(yáng)能熱發(fā)電與風(fēng)力、光伏等其它可再生能源發(fā)電相比的最大優(yōu)勢(shì)。熔融鹽顯熱蓄熱技術(shù)已在 19座商業(yè)化運(yùn)行的太陽(yáng)能熱發(fā)電站（總裝機(jī)容量達(dá)到875 MW）上成功應(yīng)用，另外，在建的太陽(yáng)能熱發(fā)電站中有一半采用大規(guī)模熔融鹽顯熱蓄熱技術(shù)。具體來(lái)講，熔融鹽蓄熱在太陽(yáng)能熱發(fā)電中的應(yīng)用主要有以下4種方式。

4.1.1 槽式導(dǎo)熱油傳熱+雙罐熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)

圖2是槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電中的導(dǎo)熱油傳熱-雙罐熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)流程圖。10：00～15：00，聚光集熱系統(tǒng)接受的太陽(yáng)能充足，太陽(yáng)能熱發(fā)電站處于蓄熱+發(fā)電模式，經(jīng)槽式聚光集熱系統(tǒng)加熱的高溫導(dǎo)熱油被分成兩股，一股導(dǎo)熱油依次進(jìn)入熱功轉(zhuǎn)換朗肯動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的過(guò)熱器、蒸發(fā)器和預(yù)熱器加熱水產(chǎn)生蒸汽發(fā)電；另一股高溫導(dǎo)熱油進(jìn)入油-鹽換熱器加熱從冷鹽罐出來(lái)的低溫熔融鹽，變成高溫熔融鹽后，進(jìn)入熱鹽罐蓄存起來(lái)。下午太陽(yáng)不足或晚上時(shí)，槽式太陽(yáng)能熱電站進(jìn)入放熱+發(fā)電模式，高溫熔融鹽罐蓄存的高溫熔融鹽被抽出進(jìn)入油-鹽換熱器加熱從預(yù)熱器出來(lái)的低溫導(dǎo)熱油，變成高溫導(dǎo)熱油進(jìn)入過(guò)熱器、蒸發(fā)器和預(yù)熱器加熱水產(chǎn)生蒸汽發(fā)電，從油鹽換熱器出來(lái)的低溫熔融鹽進(jìn)入冷鹽罐儲(chǔ)存起來(lái)。

圖2 槽式太陽(yáng)能熱電站導(dǎo)熱油傳熱+雙罐熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)Fig.2 Two tanks storage system with thermal oil for heat transfer and molten salt for storage in a trough plant

2008年，世界上第一座大規(guī)模采用熔融鹽蓄熱的太陽(yáng)能熱電站 Andasol-1電站建成并投入商業(yè)化運(yùn)行，此電站裝機(jī)容量為50 MW，采用的是60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的硝酸鈉和40%的硝酸鉀混合熔融鹽，一共28500噸，能夠滿(mǎn)足該電站7.5 h的蓄熱。截止到2013年4月，在西班牙已經(jīng)建成17座采用導(dǎo)熱油傳熱+雙罐熔融鹽顯熱蓄熱的50 MW槽式太陽(yáng)能熱電站，總裝機(jī)容量達(dá)到了850 MW。

4.1.2 槽式熔融鹽傳熱+雙罐熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)

圖3為槽式熔融鹽傳熱+雙罐熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)流程圖。該種蓄熱系統(tǒng)與第一種蓄熱系統(tǒng)的主要區(qū)別是該種太陽(yáng)能熱發(fā)電中的傳熱工質(zhì)和蓄熱工質(zhì)均采用熔融鹽，省去了導(dǎo)熱油-熔融鹽換熱器，采用鹽-水/蒸汽換熱器代替了導(dǎo)熱油-水/蒸汽換熱器，因此，可將蒸汽的溫度由采用導(dǎo)熱油的390 ℃提高到采用鹽的500 ℃以上，可顯著提高整個(gè)太陽(yáng)能熱發(fā)電電站的光-熱-電轉(zhuǎn)換效率。此外，與導(dǎo)熱油傳熱雙罐蓄熱相比，熔融鹽罐溫度可由原來(lái)的390 ℃提高到550 ℃以上，而冷鹽罐的溫度還可維持原來(lái)的290 ℃，即冷熱鹽的溫差由原來(lái)的100 ℃提高到現(xiàn)在的 260 ℃，因?yàn)樵诒葻崛莶蛔兊那闆r下，單位質(zhì)量蓄熱介質(zhì)的蓄熱量只跟溫差成正比，因此與導(dǎo)熱油傳熱+雙罐熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)相比，同樣容量、同樣蓄熱小時(shí)數(shù)的槽式太陽(yáng)能電站，其蓄熱介質(zhì)的用量可降低2.6倍，從而可將蓄熱系統(tǒng)的成本降低40%以上。

圖3 槽式太陽(yáng)能熱電站熔融鹽傳熱+雙罐熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)Fig.3 Two tanks storage system with molten salt for heat transfer and storage in a trough plant

該種蓄熱系統(tǒng)的基本工作原理是：從10：00～15：00，電站處于蓄熱+發(fā)電運(yùn)行模式，在該模式下，槽式聚光器聚集太陽(yáng)能加熱從冷鹽罐出來(lái)進(jìn)入集熱器的低溫熔融鹽，從集熱器出來(lái)的高溫熔融鹽進(jìn)入熱鹽罐，同時(shí)熱鹽罐中的熔融鹽泵將熱鹽罐中的部分高溫熔融鹽抽入預(yù)熱器、蒸發(fā)器和過(guò)熱器加熱水產(chǎn)生水蒸氣，從而驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。從水/蒸汽-鹽換熱器中出來(lái)的低溫熔融鹽進(jìn)入冷鹽罐。在蓄熱+發(fā)電模式下，冷鹽罐中流經(jīng)冷鹽罐-集熱器-熱鹽罐的熔融鹽流量必須大于熱鹽罐-預(yù)熱/蒸發(fā)/過(guò)熱器-冷鹽罐的流量，才能實(shí)現(xiàn)熱量的蓄存。在晚上，直接將熱鹽罐中蓄存的高溫熔融鹽抽入預(yù)熱/蒸發(fā)/過(guò)熱器中加熱水變成高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。該種蓄熱系統(tǒng)的主要問(wèn)題是熔融鹽凝固點(diǎn)高，在槽式集熱管中有凍堵風(fēng)險(xiǎn)。該種蓄熱方式作為一種先進(jìn)蓄熱方式已引起歐美的關(guān)注，意大利5 MW的槽式示范電站就采用了這種蓄熱方式，驗(yàn)證了該種蓄熱方式的可行性。

4.1.3 塔式太陽(yáng)能電站熔融鹽傳熱-雙罐熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)

圖4 塔式太陽(yáng)能熱電站熔融鹽傳熱蓄熱雙罐蓄熱系統(tǒng)Fig.4 Two tanks storage system with molten salt for both heat transfer and storage in a tower plant

圖4是塔式太陽(yáng)能熱電站熔融鹽傳熱+雙罐熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)流程圖。該種蓄熱系統(tǒng)與第二種熔融鹽傳熱+雙罐熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)的工作原理類(lèi)似，只是吸熱器結(jié)構(gòu)和形式不同，槽式系統(tǒng)采用的是真空管式吸熱器，而塔式電站一般采用外露式圓柱型排管吸熱器。該種蓄熱系統(tǒng)首先在美國(guó)Solar Two塔式10 MW試驗(yàn)電站中成功得到應(yīng)用。Solar Two塔式試驗(yàn)電站蓄熱系統(tǒng)從 1996年一直運(yùn)行到1999年結(jié)束，始終未出現(xiàn)大的操作問(wèn)題，取得了非常滿(mǎn)意的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了熔融鹽做為塔式電站大規(guī)模傳熱蓄熱介質(zhì)的可行性和優(yōu)越性。

2011年9月底，西班牙Gemasolar電站成功進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行和并網(wǎng)發(fā)電，該電站裝機(jī)容量為 19.9 MW，使用了8500 t熔融鹽做為傳熱蓄熱工質(zhì)，能夠滿(mǎn)足15 h的蓄熱需求，在2012年6月底成功實(shí)現(xiàn)了24 h的連續(xù)發(fā)電。美國(guó)Solar Reserve公司正在內(nèi)華達(dá)建設(shè)110 MW Crescent Dunes塔式太陽(yáng)能熱電站，該電站也采用了熔融鹽傳熱-雙罐熔融鹽顯熱蓄熱系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足電站10 h的需求，該電站預(yù)計(jì)在2013年底并網(wǎng)發(fā)電。

4.1.4 熔融鹽蓄熱在碟式太陽(yáng)能熱電站中的應(yīng)用

雖然熔融鹽蓄熱系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在商業(yè)運(yùn)行的槽式和塔式太陽(yáng)能熱電站中并獲得了很大的成功，但是至今沒(méi)有實(shí)現(xiàn)在碟式太陽(yáng)能熱電站系統(tǒng)上的應(yīng)用。2010年，澳大利亞Wizar Power宣布他們將在澳大利亞南部的Whyalla安裝4個(gè)碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電示范系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)的反射鏡面積為500 m2，他們將為這4個(gè)碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電示范系統(tǒng)都配上熔融鹽蓄熱裝置。這個(gè)項(xiàng)目由澳大利亞國(guó)家大學(xué)發(fā)起，他們第一步的目標(biāo)是利用碟式系統(tǒng)聚光產(chǎn)生壓力為120 bar（1bar=105Pa）、溫度為630 ℃的過(guò)熱水蒸氣，然后加熱106 t的熔融鹽，將熔融鹽的溫度升高到565 ℃儲(chǔ)存起來(lái)；第二步將利用熔融鹽儲(chǔ)存的熱量推動(dòng)由西門(mén)子制造的560 kW的SST-060型汽輪機(jī)發(fā)電。

4.2 在間歇性余熱利用中的應(yīng)用

針對(duì)高溫間歇性余熱，可以利用高溫熔融鹽顯熱蓄熱技術(shù)將間歇性余熱變?yōu)檫B續(xù)性熱源，然后再利用朗肯和有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高溫間歇余熱的連續(xù)發(fā)電。蓄熱原理與太陽(yáng)能熱發(fā)電類(lèi)似，大的熔融鹽蓄熱罐安放在廠房旁邊，設(shè)計(jì)相應(yīng)的熔融鹽-高溫水蒸氣（煙氣）換熱器，低溫熔融鹽通過(guò)熔融鹽泵流入換熱器被高溫余熱加熱后儲(chǔ)存在熔融鹽罐的高溫區(qū)域，待取熱的時(shí)候利用高溫熔融鹽泵實(shí)現(xiàn)高溫熔融鹽和有機(jī)工質(zhì)之間的換熱循環(huán)，產(chǎn)生高溫高壓的過(guò)熱蒸汽，推動(dòng)膨脹動(dòng)力機(jī)輸出軸功發(fā)電，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)可以將高溫余熱直接轉(zhuǎn)換為電力，變廢為寶，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，熔融鹽顯熱蓄熱技術(shù)已在太陽(yáng)能熱發(fā)電電站中實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用，總裝機(jī)容量達(dá)到了875 MW，而熔融鹽蓄熱的關(guān)鍵技術(shù)包括對(duì)熔融鹽工質(zhì)關(guān)鍵屬性的把握和熔融鹽蓄熱系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)與布置。目前，國(guó)外電站中采用的二元混合硝酸鹽存在熔點(diǎn)高、使用溫度低等缺陷，還不能滿(mǎn)足太陽(yáng)能熱發(fā)電、間歇性余熱發(fā)電等多樣化的需求。因此，開(kāi)展高溫熔融鹽傳熱蓄熱介質(zhì)制備及熱性能表征研究將是熔融鹽蓄熱技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向。熔融鹽的流動(dòng)與傳熱特性，直接關(guān)系到熔融鹽蓄熱循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布置，而熔融鹽的熱物性決定了熔融鹽的流動(dòng)與傳熱特性，最終會(huì)影響到蓄熱系統(tǒng)的效率，因此，深入研究熔融鹽的流動(dòng)與傳熱性能也是熔融鹽蓄熱技術(shù)發(fā)展的方向之一。

除了針對(duì)熔融鹽蓄熱工質(zhì)本身的研究工作外，更多的工程試驗(yàn)對(duì)整個(gè)熔融鹽蓄熱系統(tǒng)、蓄熱效率、管理腐蝕性和可靠性進(jìn)行了研究，并在現(xiàn)有成熟的蓄熱方案基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了其它熔融鹽蓄熱系統(tǒng)和蓄熱設(shè)備。該項(xiàng)工作也將一直成為熔融鹽蓄熱技術(shù)的關(guān)鍵發(fā)展方向。

[1] Ge Zhiwei（葛志偉），Ye Feng（葉鋒），Mathieu Lasfargues，Yang Jun（楊軍），Ding Yulong（丁玉龍）.Recent progress and prospective of medium and high temperatures thermal energy storage materials[J].Energy Storage Science and Technology（儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)），2012，1（2）：89-102.

[2] Chen H，Cong T N，Yang W，Tan C，Li Y，Ding Y.Progress in electrical energy storage system：A critical review[J].Progress in Natural Science，2009，19（3）：291-312.

[3] Gil A，Medrano M，Martorell I，et al.State of the art on high temperature thermal energy storage for power generation, part 1-concepts, materials and modellization[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14（1）：31-55.

[4] Glatzmaier G.Summary report for concentrating solar power thermal storage workshop[R].Technical Report, No.NREL/TP- 5500-52134，USA，2011.

[5] Bradshaw R W，Siegel N P.Molten nitrate salt development for thermal energy storage in parabolic trough solar power systems[C]//Proceedings of ES 2008 Energy Sustainability，San Francisco，USA，ASME，2009：615-624.

[6] Raade J W，Padowitz D.Development of molten salt heat transfer fluid with low melting point and high thermal stability[J].Journal of Solar Energy Engineering-Transactions of the ASME，2011，133（3）：1-6.

[7] Ren N，Wu Y T，Wang T，et al.Experimental study on optimized composition of mixed carbonate for phase change thermal storage in solar thermal power plant[J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2011，104（3）：1201-1208.

[8] Wu Yuting，RenNan，Wang Tao，Ma Chongfang.Experimental study on optimized composition of mixed carbonate salt for sensible heat storage in solar thermal power plant[J].Solar Energy，2011，85（9）：1957-1966.

[9] Ren Nan，Wu Yuting，Ma Chongfang.Preparation and experimental study of molten salt with low melting point[C]// Proceeding of Solar PACES 2011 Conference，Granada，Spain，ESTELA，2011.

[10] Peng Q，Ding J，Wei X L，et al.The preparation and properties of multi-component molten salts[J].Applied Energy，2010，87（9）：2812-2817.

[11] Williams D F，Toth L M，Clano K T.Assessment of candidate molten salt coolants for the advanced high-temperature reactor[R].ORNL/TM-2006/12，USA，2006.

[12] Soha M S，Ebner M A，Sabarwall P，Sharpe P.Engineering database of liquid salt thermophysical and thermochemical properties[R].Idaho National Laboratory Report，No.INL/EXT-10-18297，USA，2010.

[13] Marianowski L G，Maru H C.Latent heat thermal energy storage systems above 450℃[C]//Proceedings of 12th Inter Society Energy Conversion Engineering Conference，Washington，USA，1977.

[14] Kamimoto M.Enthalpy measurements on LiNO3and NaNO2by twin high-temperature calorimeter[J].Thermochimica Acta，1980，41（3）：361-369.

[15] Takahashi Y，Sakamoto R，Kamimoto M.Heat capacities and latent heats of LiNO3, NaNO3, and KNO3[J].International Journal of Thermophysics，1988，9（6）：1081-1090.

[16] Tufeu R，Petitet J P，Denielou L.Experimental determination of the thermal conductivity of molten pure salts and salt mixtures[J].International Journal of Thermophysics，1985，6（4）：315-330.

[17] Araki N，Matsuura M，Makino A，et al.Measurement of thermophysical properties of molten salts：Mixtures of alkaline carbonate salts[J].International Journal of Thermophysics，1988，9（6）：1071-1080.

[18] Nagasaka Y，Nakazawa N，Nagashima A.Experimental determination of the thermal diffusivity of molten alkali halides by the forced Rayleigh scattering method .I.Molten LiCl, NaCl, KCl, RbCl, and CsCl[J].International Journal of Thermophysics，1992，13（4）：555-574.

[19] Chen Yongchang，Wu Yuting，Ren Nan，Ma Chongfang.Experimental study of viscosity characteristics of high temperature heat transfer molten salts[J].Science China-Technological Sciences，2011，54（11）：3022-3026.

[20] Kirst W E，Nagle W M，Castner J B.A new heat transfer medium for high temperatures[J].Transact.Am.Inst.Chem.Eng.，1940，36：371-394.

[21] Silverman M D，Huntley W R，Robertson H E.Heat transfer measurements in a forced convection loop with two molten-fluoride salts：LiF2-BeF4-ThF4-UF4and Eutec NaBF4-NaF[R].ORNL/TM-5335，USA，1976.

[22] Grele M D，Gedeon L.Forced-convection heat-transfer characteristics of molten FLiNaK flowing in an inconel X system[R].National Advisory Committee for Aeronautics Report，NACA RM E53L18，USA，1954.

[23] Wu Y T，Liu B，Ma C F，Guo H.Convective heat transfer in the laminar- turbulent transition region with molten salt in a circular tube[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2009，33（7）：1128-1132.

[24] Liu B，Wu Y T，Ma C F.Turbulent convective heat transfer with molten salt in a circular pipe[J].International Communications in Heat and Mass Transfer，2009，36（9）：912-916.

[25] Wu Yuting，Chen Cong，Liu Bin，Ma Chongfang.Investigation on forced convective heat transfer of molten salts in circular tubes[J].International Communications in Heat and Mass Transfer，2012，39（10）：1550-1555.

[26] Chen Cong，Wu Yuting，Wang Shutao，Ma Chongfang.Experimental investigation on enhanced heat transfer in transversally corrugated tube with molten salt[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2013，47：108-116.

[27] Sohal M S，Sabharwall P，Calderoni P，et al.Conceptual design of forced convection molten salt heat transfer testing loop[R].Idaho National Laboratory Report，No.INL/EXT-10-19908，USA，2010.

[28] Yang M L，Yang X X，Yang X P，Ding J.Heat transfer enhancement and performance of the molten salt receiver of a solar power tower[J].Applied Energy，2010，87（9）：2808-2811.