4月25日，在由國(guó)家太陽(yáng)能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)與愛(ài)能森控股有限公司聯(lián)合主辦的“光熱發(fā)電與電網(wǎng)調(diào)峰” 技術(shù)專場(chǎng)上，華北電力大學(xué)教授徐超針對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電低成本儲(chǔ)熱技術(shù)之單罐斜溫層儲(chǔ)熱技術(shù)進(jìn)行了介紹，現(xiàn)將部分發(fā)言內(nèi)容整理如下：
儲(chǔ)熱是太陽(yáng)能熱發(fā)電中核心的優(yōu)勢(shì)，目前太陽(yáng)能熱發(fā)電涉及的儲(chǔ)熱，主要是基于熔鹽的雙罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)，但它的成本相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較高的。如今，太陽(yáng)能熱發(fā)電電站商業(yè)化就面臨著在比較短的時(shí)間內(nèi)大幅降低成本的問(wèn)題。儲(chǔ)熱在太陽(yáng)能熱發(fā)電總的成本大概占15%左右，為了大幅度降低太陽(yáng)能熱發(fā)電的成本，我們也需要降低儲(chǔ)熱的成本。
目前儲(chǔ)電非?；?，但是它的主要瓶頸是成本還是太高。各種不同的電化學(xué)儲(chǔ)電技術(shù)，它們的成本相對(duì)來(lái)說(shuō)都是比較高的，而我們儲(chǔ)熱如果和儲(chǔ)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(yáng)能熱發(fā)電用的熔鹽雙罐儲(chǔ)熱，它的成本只有80到200美元/千瓦時(shí)。正因?yàn)閮?chǔ)熱的成本低，而且有核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，才使太陽(yáng)能熱發(fā)電在我們國(guó)內(nèi)得到了比較快的發(fā)展。加上儲(chǔ)熱以后，它可以給太陽(yáng)能熱發(fā)電帶來(lái)三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一是穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行，提高發(fā)電效率。二是提高可調(diào)度性，延長(zhǎng)發(fā)電時(shí)間。三是低成本的儲(chǔ)熱也有助于降低整體太陽(yáng)能熱發(fā)電的成本?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能熱發(fā)電可以成為基荷電力，而且它的推廣同時(shí)可以提高電網(wǎng)容納風(fēng)電、光伏等新能源電力的能力。
目前我國(guó)首批20個(gè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目中，廣泛使用的是雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，在槽式熱發(fā)電系統(tǒng)是多是間接儲(chǔ)熱，在塔式電站中一般是直接儲(chǔ)熱，這個(gè)儲(chǔ)熱技術(shù)是相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟的。當(dāng)然目前也面臨著一些工程的問(wèn)題，比如美國(guó)的一些以熔融鹽作為傳熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)的熱發(fā)電站在實(shí)際運(yùn)行中也出現(xiàn)了一些安全問(wèn)題。
總體來(lái)說(shuō)，熔鹽雙罐儲(chǔ)熱是唯一得到大規(guī)模應(yīng)用的儲(chǔ)熱技術(shù)，它的優(yōu)勢(shì)非常明顯，由于把高溫罐和低溫罐分開(kāi)放置，系統(tǒng)在放熱的時(shí)候可以提供恒定溫度的熱源，部分充放熱運(yùn)行的時(shí)候性能優(yōu)越。但是雙罐熔融鹽儲(chǔ)熱需要大量的熔融鹽，這就導(dǎo)致成本比較高。所以很多科研院所和太陽(yáng)能熱發(fā)電企業(yè)都在研發(fā)新型的儲(chǔ)熱技術(shù)來(lái)代替這個(gè)雙罐儲(chǔ)熱，來(lái)降低成本。
目前新型的儲(chǔ)熱技術(shù)種類也比較多，我總結(jié)了一下，主要有兩種技術(shù)受到了比較多的關(guān)注。第一種就是單罐斜溫層儲(chǔ)熱，實(shí)際上它在美國(guó)的電站中已經(jīng)有過(guò)示范應(yīng)用，但是后來(lái)由于一些原因，沒(méi)有推廣開(kāi)來(lái)。由于我們儲(chǔ)熱成本的壓力，目前單罐斜溫層儲(chǔ)熱研究非常火，主要目的是希望能夠開(kāi)發(fā)一種低成本的儲(chǔ)熱技術(shù)。還有一種儲(chǔ)熱技術(shù)就是使用高溫混凝土、陶瓷等固體材料的間接儲(chǔ)熱。
這里我想簡(jiǎn)單給大家介紹一下什么是單罐斜溫層儲(chǔ)熱，以及它的主要的技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展方向，以及存在的主要問(wèn)題。
單罐斜溫層儲(chǔ)熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，它只需要一個(gè)儲(chǔ)熱罐，同時(shí)里面可以填充低成本的沙石等儲(chǔ)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(jù)，所以可以大幅度的降低我們對(duì)于熔鹽的使用量，它的儲(chǔ)熱成本和雙罐相比有望下降35%。
斜溫層儲(chǔ)熱在充放熱過(guò)程中也實(shí)現(xiàn)了多尺度的傳熱過(guò)程，而多尺度的傳熱規(guī)律對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和效率特性都有比較重要的影響。
斜溫層儲(chǔ)熱和雙罐儲(chǔ)熱相比有一個(gè)典型的特點(diǎn)，它在運(yùn)行的時(shí)候，高溫低溫流體中間是有一個(gè)溫度梯度的區(qū)域，我們把它稱為斜溫層區(qū)域。隨著系統(tǒng)運(yùn)行，斜溫層區(qū)域在上下移動(dòng)的過(guò)程中也會(huì)不斷擴(kuò)張，這個(gè)擴(kuò)張帶來(lái)的結(jié)果，就是它的充放熱速率，以及熔鹽的出口溫度會(huì)變化，需要設(shè)定截止運(yùn)行溫度。由于截止溫度的存在，連續(xù)的充放熱以后，放熱的截止時(shí)刻以及充熱的截止時(shí)刻，它的罐內(nèi)并不是完全的充滿，或者完全放空的狀態(tài)，可以看出最里面的兩條曲線，一個(gè)是放熱截止一個(gè)是充熱截止，它里面的溫度是存在著高溫區(qū)和低溫區(qū)的，所以它是一個(gè)部分充放熱，這樣的話就會(huì)導(dǎo)致理論上的儲(chǔ)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(gè)有效利用率我們研究發(fā)現(xiàn)，它和系統(tǒng)運(yùn)行的截止溫度有非常重要的關(guān)系。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)有效利用率和截止溫度的關(guān)系可以用冪函數(shù)來(lái)表示。所以，當(dāng)設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)的時(shí)候，必須要考慮實(shí)際設(shè)計(jì)的儲(chǔ)熱容量應(yīng)該有多少，它是要大于理論容量的，而這個(gè)需要根據(jù)有效利用率的變化，以及它的規(guī)律來(lái)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)實(shí)際容量需要多少。
前面講到的斜溫層放熱過(guò)程中后期出口溫度會(huì)下降，如果我們?cè)诠摅w的頂部加一層相變顆粒球，這樣的話在放熱過(guò)程中可以看出，在放熱后期有一個(gè)等溫的過(guò)程，使它的放熱時(shí)間得到有效的延長(zhǎng)。而通過(guò)頂部加入相變層以后，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的有效利用率也能有一定程度的改善。
目前，關(guān)于高溫相變顆粒在太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究也越來(lái)越多，因?yàn)槭瘔K的儲(chǔ)熱密度比較低，如果用相變材料可以使用比較小的罐體來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱的目的，同時(shí)也有助于降低儲(chǔ)熱成本，所以說(shuō)全部使用相變顆粒來(lái)堆積的單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)也是一個(gè)研究方向。
我們針對(duì)于單罐斜溫層循環(huán)充放熱過(guò)程中斜溫層擴(kuò)張導(dǎo)致效率下降的問(wèn)題，也提出了單罐雙罐復(fù)合的儲(chǔ)熱技術(shù)。整個(gè)儲(chǔ)熱基于一個(gè)大的單罐來(lái)保證低成本，同時(shí)又集成了兩個(gè)小的罐子作為雙罐儲(chǔ)熱，這個(gè)時(shí)候雙罐儲(chǔ)熱主要作為緩沖用，在太陽(yáng)能波動(dòng)比較大的時(shí)候，不需要用單罐系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)，可以用雙罐進(jìn)行響應(yīng)，從而可以避免對(duì)于單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)的頻繁操作。另一方面，熔鹽泵就不需要放在大的單罐系統(tǒng)里面，可以放在小的雙罐，它對(duì)熔鹽泵的液下深度的要求會(huì)降低，也可以進(jìn)一步的降低系統(tǒng)成本。
總體來(lái)說(shuō)，關(guān)于單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)以及國(guó)際上都有不同程度的一些中試研發(fā)，還需要克服一系列的問(wèn)題。這里面存在兩個(gè)主要問(wèn)題：一、單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)因?yàn)樗扔懈邷囟我灿械蜏囟危倚枰煌５倪\(yùn)動(dòng)，這個(gè)時(shí)候?qū)τ跓嵫h(huán)下罐體的應(yīng)力破壞，要好好的考慮，因?yàn)檫@個(gè)系統(tǒng)缺乏大規(guī)模的示范，在應(yīng)用方面還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。二、在開(kāi)發(fā)單罐儲(chǔ)熱技術(shù)以及新型單罐儲(chǔ)熱技術(shù)的過(guò)程中還會(huì)面臨其他問(wèn)題，比如填充顆粒的穩(wěn)定性，與換熱流體的相容性，以及使用高溫相變顆粒時(shí)候它的封裝方法及封裝工藝。因?yàn)樾睖貙訒?huì)持續(xù)擴(kuò)張，如果可能的話還需要開(kāi)發(fā)斜溫層的主動(dòng)控制技術(shù)。此外，與太陽(yáng)能熱發(fā)電，或者與整個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的時(shí)候，由于它本身的特點(diǎn)，我們還需要研究這種動(dòng)態(tài)集成的性能以及調(diào)控方法。
所以，我認(rèn)為在儲(chǔ)熱這一領(lǐng)域，科研院所以及企業(yè)還需要去持續(xù)的投入，盡快的開(kāi)發(fā)低成本的儲(chǔ)熱技術(shù)。國(guó)外的很多大公司都在持續(xù)的研究一些新的儲(chǔ)熱技術(shù)，這一點(diǎn)國(guó)內(nèi)相比來(lái)說(shuō)還是要弱一點(diǎn)。所以我希望不管科研院所還是企業(yè)，都能夠?qū)τ诘统杀緝?chǔ)熱有持續(xù)的關(guān)注和投入，而不是只關(guān)注于雙罐儲(chǔ)熱技術(shù)。
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