太阳能光热发电系统中储热材料研究进展

科技蕾囊。电力与能源ｏＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ２０１３年第３期太阳能光热发电系统中储热材料研究进展王辉（中国能源建设集团有限公司广东省电力设计研究院，广东广州５１０５３０）

【摘要】太阳能光热发电相对光伏发电具有低污染、高效率的优点。由于太阳光照的波动性和夜间无光的特点，限制了光热发电系统的稳定性，提出利用储热技术克服阳光不足和夜间无光照的制约。储热系统可分为显热储热、相变储热和化学储热。具有太阳能光热发电应用前景的储热材料主要有熔融盐（钠盐和钾盐）、高温储热混凝土和相变合金。【关键词】太阳能；光热发电；储热材料；熔融盐

太阳能发电技术主要有光伏发电和光热发电。光伏发电目前能量转换率较低．单晶硅光电池能量转换率只有１５％左右．且在光电池器件生产过程中存在环境污染问题…．太阳能光热发电与光伏发电技术相比．具有规模大、单位装机成本低的特点。光热发电按照集热温度的高低。可分为槽式系统、碟式系统和塔式系统三大基本类型删。槽式系统工质温度在１５０。３５０℃范围．碟式集热器内介质湿度可达７００℃．塔式系统介质温度最高。介质可被加热到ｌ１００℃。太阳能发电技术除成本相对高外，太阳能利用受到光照、气候、季节、地域等因素的影响，制约了太阳能利用的连续性和稳定性．解决太阳能发电厂的持续可供性是实现大规模应用．提高效率和降低成本的关键所在。有效克服光热发电技术波动性的办法是采用储热系统。储热系统可将日光充足时的热能储存起来．在日光幅射不足或夜间无光时释放出来产生蒸汽发电：电力需求不足时将热能储存起来．在电力需求峰值时利用储存的热能发电满足需求．实现电网“削峰填谷”的作用。储热系统和储热材料是太阳能光热发电系统的关键。研究高效低成本和性能稳定的储热材料及系统是储热工作的重心．对太阳能热发电的发展和应用具有重要意义．１储热系统储热系统是太阳能发电厂最重要的一个组成部分．可提高系统可靠性，持续可供性和降低成本。储热系统按热的形式可分为三类：显热储热、相变储热和化学储热。１．１显热储热过程主要是利用物质本身在温度的升高或者降低的过程中而进行热量的储存与释放Ｍ。显热储热通过物质间相互直接接触进行热交换．过程相对简单可行。在储热工业中显热储热技术相对成熟。液体显热储热材料主要有：熔融盐、合成油、水等。固体显热储热材料主要有：铸钢、岩石，石灰石、石英砂、陶瓷、混凝土等同，这些物质都可作为不同温度范围和不同应用中的显热存储介质。１．２相变储热主要是利用材料在温度变化的过程中发生相变过程中的可逆反应来储存与释放能量同。常见的相变过程有固一液、固一固、固一气、液一气这四种，并以前两种研究较多。固一固定形相变材料主要是通过晶体有序一无序结构转变，进行可逆储热和释能．由于它在相变过程中不生成液体或气体，具有体积变化小、无过冷、无相分离、无腐蚀、传热性较好、性能稳定且寿命长等优点．是一种理想的储热材料｛９Ｉ。固一液相变材料主要包括水和盐、无机盐、金属或合金、部分有机物等ｍ。１．３化学储热一般伴随着物质可逆化学反应．反应过程中会吸收或者释放一定的能量…Ｉ。一般比较典型的化学储热体系有ｃａＯ—Ｈ，０、ＭｇＯ—Ｈ：０、Ｈ：ｓＯ。一１０Ｈ。Ｏ等。澳大利亚大学设计了氨化学储热系统．发生吸热反应的温度与集热器温度相当．适合热能吸收．用该系统光热发电站电价可能低于０．１５澳元他ｗｈ㈣。高温化学能储热材料主要通过一些可逆的化学反应实现能量的储存与释放，其过程和设备复杂．而且工艺和技术难度高．成本也高。２储热材料储热材料的选择对光热发电厂的成本和效率有重要影响。储热材料必须具备有以下特点：可逆性好、导热系数高、储能密度高、可操作性强等特点。目前国内外用作太阳能热发电中的储热材料主要有熔融盐Ｉｍｗ、高温储热混凝土酗，一月和相变金属㈣。２．１熔融盐作为储热材料具有多种优势旧：使用温度范围广．可在３００—１０００℃，且具有相对稳定性；无过冷和相分离，热容量大．导热性能好。低蒸汽压；吸热一放热过程近似等温，易于运行控制和管理。熔融盐作为太阳能热电系统储热材料具有较好潜力。熔融盐以Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等第一主族元素的化合物为主，潜热最高可超过１０００ｋＪ，ｋｇ，但锂盐的

价格昂贵，以钠盐和钾盐较为经济。根据阴离子又可分为碳酸盐、氯化盐、硝酸盐和氟化盐。具有高性价比的无机盐有ＮａｔＣｌ、ＮａＦ、ＮａＮＯ，．、ＫＣｌ、Ｎａ＝ＣＯｓ，等。ＡＬｅｘａｎｄｅｒ等”叼｝究表明作为传热介质的４０％ＫＮＯ，一６０％ＮａＮ０，的二元熔融盐在４５４．４℃以下熔融盐热稳定性很好．而作为储热热介质的５３％ＫＮ０３－４０％ＮａＮＯｚ－７％ＮａＮＯ，ｌ三元硝酸熔融盐，熔融盐上限温度为４５０℃。张寅平等ｎ。将Ｎａ：ＣＯ，、Ｋ：ｃ０，和Ｌｉ．，ＣＯ，三种碳酸盐按照物质的量比３０．６：２６．８：４２．５配置混合碳酸盐．其中ｈ２ｃ０，熔点为６１８℃，Ｎａ２ｃ０，熔点为８５ｌ℃．Ｋ２ＣＯ，熔点为８９１℃，混合后熔点为３９３℃。廖敏【，ｔ９１通过静态熔融的方法制备了碳酸钠一碳酸钾新型熔融盐，质量比为１：１时，当添加氯化钠为２２．８１％（质量分数）后．得到改性熔融盐．其熔点比二元碳酸熔融盐降低了１３３℃．相变潜热为二元碳酸熔融盐的１．９倍．而且混合熔融盐在８５０。ｃ以下时具有较好的热稳定性。也可根据需要将各种无机盐制成混合盐或共晶盐．碍到所需温度的高储热密度相变材料，如熔融盐一石墨基复合材料、熔融盐金属基复合材料、熔融盐一陶瓷基复合材料、熔融盐一陶土基复合材料ｍ一。Ｚｏｕｂｉｒ等Ⅲ嗨膨胀石墨与硝酸钾和硝酸钠的混合盐复合．结果表明，通过冷压制备的膨胀石墨与混合盐复合．导热率提高了１５％～２０％．且该复合材料的储能密度高，经过多次循环，热物性常数变化不大。但熔融盐凝固点太高，一般在１３０—２３０ｃｃＦｚ２－｜．容易堵塞管道．并且存在较强的腐蚀性．对热交换管道及其它附属设施具有非常强的腐蚀行为，如ＳｏｌａｒＳａｈ（４０％ＫＮ０３）一（６０％ＮａＮ０３）对碳钢的年腐蚀深度达到

了ｏ．１２ｍｍ，由此增加了电厂的运行成本．也降低了系统安全性和稳

定性能咖。２．２储热混凝土是具有高导热、ｉ葛热容以及耐高温性能的特种混凝土，可应用于太阳能光热发电站．用于储存阳光充足时的热量平衡阳光不足和夜间不光照的情况。Ｒａｈ、ｅｄ－≈分别制备了高温混凝土和耐火浇注料．骨料均为铁的氧化物。混凝土密度为２７５０ｋｇ／ｍｓ。在３５０。Ｃ时比热为９１６Ｊ，（ｋ·Ｋ），导热率为１Ｗ／（一Ｋ）。浇注料密度为３５００ｋｅ，ｍ３，在

３５０℃时比热为８６６Ｊ／（ｋｇ·Ｋ），热导率为１．３５Ｗ，（ｍ·Ｋ）。则两种储热材

料在西班牙的ＰｌａｔａｆｏｒｍＳｏｌａｒｄｅＡｌｍｅｒｉａ太阳能热发电站进行了测试，管道内热介质为矿物油．油最高温度为３９０℃．与储热材料最大温差为４０℃，经过６０次充放热循环，管道与材料结合良好，储热材料、管道和热油工作正常㈣。张炳和李圆圆等删利用天然玄武岩、工业废铜矿渣等作为集料以提高其热容．添加热导率高的工业石墨粉以提高其热导热率．添加复合高效减水剂以降低用水量和提高其强度来制备可用于太阳能光热发电的高温储热混凝土。何百灵【ｚ研究了利用工业废渣来改善储热混凝土热性能的技术途径，用铜矿砂和石墨粉进行复掺时．混凝土导热系数提高了１４５。４％．２．３金属相变材料导热系数高．一般高于其他储热材料的几十倍甚至上百倍。金属相变材料还具有较大储热密度、较好的热稳定性和较长的使用寿命等优点。广东工业大学张仁元教授开发了ＡＩ－一３４％Ｍｇ－６％Ｚ】ｎ合金，相变温度为４５０℃。这种材料热稳定性好．经过１０００次储热循环，相变温度降低了３ｃ｜ｃ，相变焓降低了１０％，对不锈钢做容器。对容器的腐蚀也比较小。经过１０００次循环，质量损失为７．２１５８ｍ加ｍ２，说明具

有较好耐久性旧。武汉理工大学的何黎明研究了太阳能热发电系统中铝合金高温相变储热材料闭．通过设计不同成分制得ｒ相变温度在４００一，８００。ｃ之间的铝合金储热材料．通过对其进行相关热物理参数测试发现：Ａｌ—Ｃｕ－一Ｍｇ—ｚｎ合金综合储热性能最佳，储热能力最大。但是金

作者简介：王挥，硕士，工程师，就职于中国能源建设集团有限公司广东省电力设计研究院。万方数据２０１３年第３期ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＯ电力与能源。科技信息属相变材料在相变中有液相产生，使用时须用惰性的密封容器盛装，防止泄露影响环境和人员伤害．制约了金属相变材料在工程中的广泛应用。

３结语利用储热材料和储热系统平衡太阳光不足或夜间无关时的热量．提高了太阳能光热发电产的稳定性和运作连续性。通过分析熔融盐、储热混凝土和相变合金具有应用于广光热发电厂的潜力。熔融盐具有较高的使用温度，产生高温蒸汽．提高发电效率，将是光热发电领域的主导储热材料。但熔融盐存在凝固点高，容易凝固阻塞管道，造成高维护成本的问题。熔融盐的腐蚀性和高温下的化学稳定性也是其应用于光热发电的限制因素。混凝土是适宜的固体高温显热蓄热材料，单位热量储存成本低，建造维护较易．在太阳能热电领域也将具有较大因公潜力，但其系统占地面积较大。储热金属合金有储能密度大、储热温度高、热稳定性好、导热系数高、相变时过冷度小、相偏析小等特点，但目前仍处在探索阶段。ｅ

【参考文献】［１］成志秀，王晓丽．太阳能光伏电池综述Ⅲ．信息记录材料，２００７，８（２）：４１－－４７．［２］肖杰，何雅玲，程泽东，陶于兵，徐荣吉．槽式太阳能集热器集热性能分析【Ｊ】工程热物理学报，２００９，３０（５１：７２９—７３３．［３］杨敏林，杨晓西＇左远志．塔式太阳能热发电吸热器技术研究进展叨．科学技术与工程．２００８．１０（８）：２６３２—２６４０．『４］刘巍，王宗超．碟式太阳能热发电系统ｆＪｌ．重庆工学院学报：自然科学．２００９，１０（２３）：９９—１０３．［５］张炳．太阳能热发电用无机复合储热材料的制备及其性能研究【Ｄ】武汉理工大学．２００７．［６１李圆圆太阳能热发电用储热混凝土的制备与储热单元模拟分析【Ｄ】武汉理工大学．２００８．［７］Ｄｏｎｇｚ．，Ｚｏｎ百ｉｎＬ．，ＪｉａｎｍｉｎＺ．，ＫｅｒｕＷ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｍａｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｃｅｍｅｎｔａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈ．２００４，３４（６）：９２７－９３４．［８］戴或＇唐黎明．相变储热材料研究进展［Ｊ】化学世界，２００１（１２）：６６２—６６５．［９］ＲｕｙｕｎＸ．ＳｔｕｄｉｅｓｏｆＳｏｌｉｄ－ｓｏｈｄｐｈａｓｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｏｒ（ｎ—Ｃ１８Ｈ３７ＮＨ３）２ＭＣｌ４［Ｊ］．ＴｈｅｒＩＲｏ—ｃｈｅｍｉｃａｌＡｃｔａ，１９９０，１６４：３０７－３１４．『１０］叶锋，曲江兰，仲俊瑜，等．相变储热材料研究进展叽过程工程学报，２０１０，１０（６）：１２３１－１２４１．［１１］李爱菊，张仁元，周晓霞．化学储能材料开发与应用【Ｊ］广东工业大学学报，２００２，１９（１）：８１－－４．［１２］Ｌｕ＝ｉＡ．，ＬｏｖｅｇｒｏｖｅＫ．Ｔｅｃｈｎｏ－ｅｃｏｎｏｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆＭＷｓｏｌａｒｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｐｌａｎｔｕｓｉｎｇａｍｍｏｎｉａ—ｂａｓｅｄｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅ叨．Ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ，１９９９，６６（２）：９１－１０１．【１３］ＴａｍｍｅＲ．，ＬａｉｎｇＤ．，ＳｔｅｉｎｍａｎｎＷ．Ｄ．ＡｄｖａｎｃｅｄＴｈｅｒｍａｌＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＰａｒａｂｏｌｉｃＴｒｏｕｓｈ田．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＡＳＭＥ，２００４，１２６（５）：７９４—８００．（１４］张寅平，胡汉平，孔祥冬，等．相变贮能理论和应用ｆＭ】．中国科技技术大学出版社．１９９６．［１５］ＴａｍｍｅＲ．，ＢａｕｅｒＴ．，ＢｕｓｃｈｌｅＪ．Ｌａｔｅｎｔｈｅａｔｓｔｏｒａｇｅａｂｏｖｅ１２０ｃｅｎｔｄｅｇｒｅｅｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｃｅｓｓｈｅａｔａｎｄｓｏｌａｒｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ叨．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｊｏｕｒｎａｌｏｆｅｎｅｒｇｙｒｅｓｅａｒｃｈ，２００８，（３２）：２６４－１７１．［１６］ＳｕｎＪ．Ｑ，ＺｈａｎｇＲ．Ｙ．，ＺｈａｎｇＺ．Ｐ．ＴｈｅｒｍａｌｒｅｌｉａｂｌｉｔｙｔｅｓｔｏｆＡ１—３４％Ｍｇ－６％Ｚｎａｌｌｏｙｌａｔｅｎｔｓｔｏｒａｇｅｍａｅｒｉａｌａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｗｉｔｈｒｅｓｐｅｃｔｔｏｔｈｅｒｍａｌｃｙｃｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，２００７，（４８）：６１９—６２４．［１７］路阳，彭国伟，王智平，等．熔融盐相变储热材料的研究现状及发展趋势田．材料导报Ａ，２０１１．２５（１１）：３８－４２．［１８］ＡＬｅｘａｎｄｅｒＪＲ，ＨｉｎｄｉｎＳＧ．Ｐｈａｓｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｉｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｓａｌｔｓｙｓｔｅｍｓ田．ｎｄｕｓｔｒｉａｌａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９９３，３９（８）：１０４４—１０４９．［１９］廖敏，丁静，魏小兰，等．高温碳酸熔盐的制备及传热蓄热性质阴．无机盐工业，２００８，４０（１０）：１５—１７．［２０］彭Ｉ荤Ｉ伟膨胀石墨一熔融盐复合定型相变储热材料制备与热性能的研究【Ｄ】．兰州理工大学．２０１２．