4月25日，在由國家太陽能光熱產業技術創新戰略聯盟、中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會與愛能森控股有限公司聯合主辦的“光熱發電與電網調峰” 技術專場上，華北電力大學教授徐超針對太陽能熱發電低成本儲熱技術之單罐斜溫層儲熱技術進行了介紹，現將部分發言內容整理如下：
儲熱是太陽能熱發電中核心的優勢，目前太陽能熱發電涉及的儲熱，主要是基于熔鹽的雙罐儲熱系統，但它的成本相對來說還是比較高的。如今，太陽能熱發電電站商業化就面臨著在比較短的時間內大幅降低成本的問題。儲熱在太陽能熱發電總的成本大概占15%左右，為了大幅度降低太陽能熱發電的成本，我們也需要降低儲熱的成本。
目前儲電非常火，但是它的主要瓶頸是成本還是太高。各種不同的電化學儲電技術，它們的成本相對來說都是比較高的，而我們儲熱如果和儲電相比的話，它的成本只有大概四分之一左右。比如我們目前太陽能熱發電用的熔鹽雙罐儲熱，它的成本只有80到200美元/千瓦時。正因為儲熱的成本低，而且有核心競爭優勢，才使太陽能熱發電在我們國內得到了比較快的發展。加上儲熱以后，它可以給太陽能熱發電帶來三個優點，第一是穩定系統運行，提高發電效率。二是提高可調度性，延長發電時間。三是低成本的儲熱也有助于降低整體太陽能熱發電的成本。基于以上優勢，太陽能熱發電可以成為基荷電力，而且它的推廣同時可以提高電網容納風電、光伏等新能源電力的能力。
目前我國首批20個太陽能熱發電示范項目中，廣泛使用的是雙罐熔鹽儲熱系統，在槽式熱發電系統是多是間接儲熱，在塔式電站中一般是直接儲熱，這個儲熱技術是相對來說比較成熟的。當然目前也面臨著一些工程的問題，比如美國的一些以熔融鹽作為傳熱和儲熱介質的熱發電站在實際運行中也出現了一些安全問題。
總體來說，熔鹽雙罐儲熱是唯一得到大規模應用的儲熱技術，它的優勢非常明顯，由于把高溫罐和低溫罐分開放置，系統在放熱的時候可以提供恒定溫度的熱源，部分充放熱運行的時候性能優越。但是雙罐熔融鹽儲熱需要大量的熔融鹽，這就導致成本比較高。所以很多科研院所和太陽能熱發電企業都在研發新型的儲熱技術來代替這個雙罐儲熱，來降低成本。
目前新型的儲熱技術種類也比較多，我總結了一下，主要有兩種技術受到了比較多的關注。第一種就是單罐斜溫層儲熱，實際上它在美國的電站中已經有過示范應用，但是后來由于一些原因，沒有推廣開來。由于我們儲熱成本的壓力，目前單罐斜溫層儲熱研究非常火，主要目的是希望能夠開發一種低成本的儲熱技術。還有一種儲熱技術就是使用高溫混凝土、陶瓷等固體材料的間接儲熱。
這里我想簡單給大家介紹一下什么是單罐斜溫層儲熱，以及它的主要的技術特點、發展方向，以及存在的主要問題。
單罐斜溫層儲熱系統的結構比較簡單，它只需要一個儲熱罐，同時里面可以填充低成本的沙石等儲熱材料，代替大部分熔鹽。大約70%的空間可以被低成本的石塊占據，所以可以大幅度的降低我們對于熔鹽的使用量，它的儲熱成本和雙罐相比有望下降35%。
斜溫層儲熱在充放熱過程中也實現了多尺度的傳熱過程，而多尺度的傳熱規律對系統動態特性和效率特性都有比較重要的影響。
斜溫層儲熱和雙罐儲熱相比有一個典型的特點，它在運行的時候，高溫低溫流體中間是有一個溫度梯度的區域，我們把它稱為斜溫層區域。隨著系統運行，斜溫層區域在上下移動的過程中也會不斷擴張，這個擴張帶來的結果，就是它的充放熱速率，以及熔鹽的出口溫度會變化，需要設定截止運行溫度。由于截止溫度的存在，連續的充放熱以后，放熱的截止時刻以及充熱的截止時刻，它的罐內并不是完全的充滿，或者完全放空的狀態，可以看出最里面的兩條曲線，一個是放熱截止一個是充熱截止，它里面的溫度是存在著高溫區和低溫區的，所以它是一個部分充放熱，這樣的話就會導致理論上的儲熱容量并不能百分之百得到利用，我們可以定義成有效利用率，這個有效利用率我們研究發現，它和系統運行的截止溫度有非常重要的關系。簡單來說有效利用率和截止溫度的關系可以用冪函數來表示。所以，當設計這種系統的時候，必須要考慮實際設計的儲熱容量應該有多少，它是要大于理論容量的，而這個需要根據有效利用率的變化，以及它的規律來進行分析，設計實際容量需要多少。
前面講到的斜溫層放熱過程中后期出口溫度會下降，如果我們在罐體的頂部加一層相變顆粒球，這樣的話在放熱過程中可以看出，在放熱后期有一個等溫的過程，使它的放熱時間得到有效的延長。而通過頂部加入相變層以后，對于整個系統的有效利用率也能有一定程度的改善。
目前，關于高溫相變顆粒在太陽能熱發電系統中的應用研究也越來越多，因為石塊的儲熱密度比較低，如果用相變材料可以使用比較小的罐體來實現儲熱的目的，同時也有助于降低儲熱成本，所以說全部使用相變顆粒來堆積的單罐儲熱系統也是一個研究方向。
我們針對于單罐斜溫層循環充放熱過程中斜溫層擴張導致效率下降的問題，也提出了單罐雙罐復合的儲熱技術。整個儲熱基于一個大的單罐來保證低成本，同時又集成了兩個小的罐子作為雙罐儲熱，這個時候雙罐儲熱主要作為緩沖用，在太陽能波動比較大的時候，不需要用單罐系統進行響應，可以用雙罐進行響應，從而可以避免對于單罐儲熱系統的頻繁操作。另一方面，熔鹽泵就不需要放在大的單罐系統里面，可以放在小的雙罐，它對熔鹽泵的液下深度的要求會降低，也可以進一步的降低系統成本。
總體來說，關于單罐儲熱系統，國內以及國際上都有不同程度的一些中試研發，還需要克服一系列的問題。這里面存在兩個主要問題：一、單罐儲熱系統因為它既有高溫段也有低溫段，而且需要不停的運動，這個時候對于熱循環下罐體的應力破壞，要好好的考慮，因為這個系統缺乏大規模的示范，在應用方面還有待進一步實驗驗證。二、在開發單罐儲熱技術以及新型單罐儲熱技術的過程中還會面臨其他問題，比如填充顆粒的穩定性，與換熱流體的相容性，以及使用高溫相變顆粒時候它的封裝方法及封裝工藝。因為斜溫層會持續擴張，如果可能的話還需要開發斜溫層的主動控制技術。此外，與太陽能熱發電，或者與整個能源互聯網互聯的時候，由于它本身的特點，我們還需要研究這種動態集成的性能以及調控方法。
所以，我認為在儲熱這一領域，科研院所以及企業還需要去持續的投入，盡快的開發低成本的儲熱技術。國外的很多大公司都在持續的研究一些新的儲熱技術，這一點國內相比來說還是要弱一點。所以我希望不管科研院所還是企業，都能夠對于低成本儲熱有持續的關注和投入，而不是只關注于雙罐儲熱技術。
版權歸作者所有，如有侵權請聯系管理員刪除
分享到：
4006-360-390
當前位置：