淺談太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的儲熱介質(zhì)應(yīng)用現(xiàn)況

【摘要】本文綜述了太陽能發(fā)電中儲熱介質(zhì)的分類及優(yōu)缺點，最后對儲熱介質(zhì)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】太陽能發(fā)電；傳熱蓄熱介質(zhì)；熔鹽

一、前言

集中太陽能（CSP）熱發(fā)電是一種新興的可持續(xù)發(fā)電技術(shù)。陽光集中加熱傳熱流體（HTF），然后泵送到熱交換器產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。HTF是CSP系統(tǒng)整體性能和效率最重要的組件之一。因此，研究太陽能高溫傳蓄熱介質(zhì)是開發(fā)利用太陽能的必然趨勢。

二、儲熱介質(zhì)的分類及特性

選擇合適的儲熱介質(zhì)不僅可以提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率，還可以降低整個發(fā)電系統(tǒng)的安全系數(shù)。目前的太陽能的儲熱介質(zhì)主要有水/水蒸氣、導(dǎo)熱油、液態(tài)金屬、熔鹽，其特性如下。

（一）水和水蒸氣

水和水蒸氣是一種廉價、使用方便的傳熱介質(zhì)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)直接加熱水產(chǎn)生過熱蒸汽，然后驅(qū)動蒸汽輪機(jī)發(fā)電，從而省去中間的換熱步驟。但是使用水/蒸汽作為傳熱介質(zhì)的最大問題是水的沸點及最大工作溫度比較低。太陽能發(fā)電系統(tǒng)的工作溫度越高，水蒸氣的壓力就越大，增加管道厚度才能解決上述問題。但是增加管壁厚度會導(dǎo)致輸送管路變長，即增加了成本，同時降低了傳熱效率。另外，它的溫度只能達(dá)到300℃左右從而大幅度降低了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

（二）導(dǎo)熱油

導(dǎo)熱油可作為傳熱和蓄熱介質(zhì)，是早期小容量槽式熱發(fā)電站儲熱系統(tǒng)的主要傳儲熱介質(zhì)。導(dǎo)熱油的穩(wěn)定性比較好，在常壓下，具有較高溫度上限，降低了高溫加熱系統(tǒng)的操作壓力、提高設(shè)備與系統(tǒng)的可靠性；具有較低的凝固點，可以在更寬的溫度范圍內(nèi)滿足工藝需求。但是在400℃以上不適合使用導(dǎo)熱油，因為300℃以上就開始出現(xiàn)積碳現(xiàn)象，需定期更換，否側(cè)會出現(xiàn)阻塞管道。另外高溫下導(dǎo)熱油的空氣氧化性很強(qiáng)，在事故發(fā)生時容易引起火災(zāi)，極易出現(xiàn)導(dǎo)熱油的泄漏而污染環(huán)境的現(xiàn)象。最主要的問題是導(dǎo)熱油被加熱后容易變質(zhì)，由于傳儲熱介質(zhì)需要循環(huán)利用，所以導(dǎo)熱油并是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中儲熱介質(zhì)的理想選擇。

（三）液態(tài)金屬

液態(tài)金屬是高溫傳熱蓄熱較為理想的介質(zhì)。它的傳熱儲熱能力較好、熱導(dǎo)率與溶解熱極高、工作溫度范圍寬、流動性好、蒸氣壓低，但是它膨脹系數(shù)高、價格昂貴、易燃、易泄露、腐蝕性強(qiáng)。

（四）熔鹽

熔融鹽已被廣泛用作傳熱儲熱介質(zhì)。它的使用溫度范圍寬廣且工作溫度高（一般在100℃到1000℃）、化學(xué)穩(wěn)定性好、蒸氣壓低（尤其混合鹽的狀態(tài)下更低）、溶解能力強(qiáng)、粘度低和價格低廉，同時不會因泄露造成嚴(yán)重的安全事故，所以熔融鹽是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中具有使用價值的傳儲熱介質(zhì)。

三、熔鹽的特性與分類

綜上所述，熔鹽無疑成為了太陽能熱發(fā)電中最有使用價值的傳儲熱的介質(zhì)。下文對熔鹽的特性、分類、優(yōu)缺點及存在的問題進(jìn)行了闡述。

（一）熔融鹽的特異性

熔鹽中一般只含離子鍵，鍵能較強(qiáng)、熔點較高，因此一般應(yīng)用于傳儲熱介質(zhì)的熔鹽為多組分的混合鹽。研究發(fā)展結(jié)果表明，熔融鹽具有使用溫度高、比熱容高、對流傳熱系數(shù)高、粘度低、飽和蒸汽壓低、成本低、熱穩(wěn)定性好，兼具傳熱儲熱能力的優(yōu)點，是太陽能光熱發(fā)電理想的傳儲熱介質(zhì)。

（二）熔融鹽的分類及優(yōu)缺點

在實際工程儲能應(yīng)用中，需要成百噸甚至更多的融鹽，所以為了考慮成本，本文只介紹一些價格低廉且性能優(yōu)異的傳儲熱用鹽。

1.硝酸鹽

硝酸鹽最大優(yōu)點是熔點低、價格低廉和腐蝕性小，但是硝酸鹽溶解熱較小，大部分在20～30Kcal/kg之間，且熱導(dǎo)率一般在：0.7Kcal/（m.h.℃）左右，因此在使用時容易產(chǎn)生局部過熱。另外，硝酸熔鹽由于其高溫分解限制了其使用溫度，所以如何提高其使用溫度也是限制硝酸熔鹽廣泛應(yīng)用的一個問題。

2.碳酸鹽

碳酸鹽具有價格較低、密度大、相變潛熱高、腐蝕性小、比熱和密度高等優(yōu)點，具有良好的傳熱和儲熱能力，能滿足CSP高溫傳熱儲熱的要求。碳酸鹽使用溫度高于硝酸鹽，可以提高儲熱體系效率，特別在400℃～850℃的中高溫溫度段，碳酸鹽具有很大的優(yōu)勢。但是碳酸鹽的熔點高、粘度大、易分解等特點限制了碳酸鹽的發(fā)展。

3.氯化鹽

氯化鹽具有種類多、使用溫度范圍最廣、價格低廉相變潛熱較大、液態(tài)粘度小和熱穩(wěn)定性良好等優(yōu)點，并且可以按照不同需求制備成不同溶點的混合鹽。其缺點是腐燭性較強(qiáng)，安全使用溫度較難確定。

4.氟化鹽

氟化鹽具有粘度小、潛熱大、腐蝕性小、與金屬容器的相容性和熱遷移性較好等優(yōu)點，屬于典型的高溫相變儲熱材料。但是也有三個致命的缺點，一是氟化物熱導(dǎo)率較其他熔融鹽要低；二是氟化物在液固兩相轉(zhuǎn)變時體積收縮嚴(yán)重，易出現(xiàn)“熱松脫”及“熱斑”現(xiàn)象；三是價格高。

（三）熔鹽所存在的問題

（1）熔融鹽的高溫分解問題。無機(jī)鹽在溫度過高時會產(chǎn)生離子的分解，熔鹽的分解使得熔鹽結(jié)構(gòu)與組成的變化，進(jìn)而導(dǎo)致其熱物理性質(zhì)發(fā)生變化，這將極大地影響熔融鹽的發(fā)電效率和工作安全。

（2）熔融鹽對傳儲熱管道回路腐蝕問題。有1.2節(jié)所介紹的太陽能熱發(fā)電的原理可知，儲熱介質(zhì)在傳儲熱回路中一直處于流動狀態(tài)，且儲熱介質(zhì)在回路中需要不斷地循環(huán)利用，這就要求儲熱系統(tǒng)的管道材料與熔融鹽必須具有良好的相容性，一方面可以使用耐腐蝕的材料，但是必然將增加太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的運行成本；另一方面，可以利用熔融鹽良好的溶解性能，在熔鹽中加入適當(dāng)?shù)奶砑觿糜跍p緩管道材料的腐蝕。儲熱熔鹽的腐蝕問題是儲熱熔鹽能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，所以研究和開發(fā)高溫耐腐蝕材料，尋找熔鹽腐蝕的機(jī)理，一直是太陽能儲熱熔鹽領(lǐng)域的重要課題之一。

（3）由于此類混合鹽在高溫下呈液態(tài)，在常溫狀態(tài)下呈固態(tài)，這就要求傳儲熱器必須一直處于保溫狀態(tài)，這將增加系統(tǒng)的預(yù)熱及伴熱電耗。

四、對儲熱介質(zhì)發(fā)展的展望

綜上所述，熔鹽有望成為下一代太陽能熱發(fā)電唯一的傳儲熱介質(zhì)。提高工作溫度有利于提高CSP的發(fā)電效率，硝酸由于分解溫度低、全球硝酸鹽儲量和產(chǎn)能有限，其推廣使用存在諸多困難。從現(xiàn)存的文獻(xiàn)可以看出，一般不會使用單獨的一種熔鹽作為相變儲熱材料，通常應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的儲熱熔鹽均為二元鹽或三元鹽，因此可以預(yù)測，如果解決了相關(guān)技術(shù)瓶頸，碳酸鹽、氯鹽、氟鹽等有望成為下一代CSP的傳儲熱介質(zhì)。

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[4]孫華，蘇興治，張鵬，王建強(qiáng).聚焦太陽能熱發(fā)電用熔鹽腐蝕研究現(xiàn)狀與展望[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2017，29（03）：282～290.

[5]孫華，蘇興治，張鵬，王建強(qiáng).聚焦太陽能熱發(fā)電用熔鹽腐蝕研究現(xiàn)狀與展望[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2017，29（03）：282～290.

作者簡介：胡永康（1993.07—），男，漢族，本科，河南商丘人，青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院15材科一班。