三种光热发电储热系统的特点分析

2016/9/17 9:28:25

  储热材料及储热系统在CSP系统中起着很重要的作用。研究稳定可靠和高效低成本的储热材 料及储热系统一直是该领域的研究方向和目标。储热材料在CSP系统中的应用有空气、水/水蒸气、油/岩石、金属Na、导热油、熔盐、陶瓷、混凝土。同时很 多系统中,储热材料不单起到储热的作用还充当热量输送和传递的介质——热流体(HTF)的作用。这里主要介绍正在或探索中可以应用于CsP系统的3类高温 储热材料:熔盐、高温混凝土、金属合金。储热系统可以分为显式系统和潜热系统,也可以分为两储热罐直接式、两储热罐间接式和单储热罐温跃层式、高温混凝土 储热等系统。
熔盐
  热流体和储热材料的选择对电站的成本和效率有重要影响。导热油的使用温度不超过400℃,而成本较熔盐贵。熔盐的温度极限可以为450~600℃,有利于 提高发电效率和降低成本。但熔盐的不足就是凝固点太高,一般在130~230℃,而导热油的凝固点大约为13℃L8j。目前商业用的熔盐有solar salt(40%)KN03一(60%)NaN03)、Hitec(40%)NaN02一(7%)NaN03一(53%)KN03)和HitecXI。 (48%)Ca(N()3)2一(45%)KN()3—7%NaN()3)等,其中solar salt的成本是这3种熔盐最低的,但凝固点最高。Tres塔式电站利用solar Salt作为储热材料。熔盐的选取原则主要的有熔盐的凝固点要低、运动粘度要合适、高温时(500℃)化学性能稳定和与容器的腐蚀小、成本低。一般锂盐的 成本最高,其次是钾盐,再到钠盐,最低的是钙盐。
  高温混凝土
  国内外研究高温混凝土作为储热材料在a汴中应用的单位有德国的DLR、武汉理工大学和中国科学院电工所等。高温混凝土储热系统的概念是1988~1992 年被提出来的,直到1994年德国DLR在ZsW(Center for solar energy andhydrogen research)才完成了2个小型实验系统的测试。1995~1998年DLR没获得项目的支持,2001~2003年获得wESPE项目的支持 L23J。2003~2004年完成第一代高温混凝土储能系统的测试[24],2008~2009年完成了第二代高温混凝土储能系统的测试。
  金属合金
  1980年美国BirchenalI等采用合金作为相变材料L捌,提出了3种典型状态平衡图及计算二元合金熔化熵和熔化潜热的方法。Al—Si合金相变储 能材料有储能密度大、储热温度高、热稳定性好、导热系数好、相变时过冷度小、相偏析小、性价比良好等特点。高温相变储能材料Al—Si合金熔融潜热大,固 相导热系数呵达180W/(m·K),而熔盐一般导热系数都较低。铝硅合金的一些热物理性能可参考如下参数:熔点852K、熔融潜热515kJ/妇、固相 比热1.49kJ/(kg·K)、液相导热系数70W/(m·.K)、固相导热系数180W/(m·’K)、固相密度2250kg/m3(Si的质量分数 不I司,数值将不同)。
  CSP系统可分为抛物槽式、碟式、 塔式、菲涅耳式等,其中储热系统和储热材料是CSP系统的关键。研究高效低成本和性能稳定的储热材料及其系统是储热工作的重心。导热油由于使用温度不超过 400℃,成本又相对较高,在CSP系统中的应用将具有一定的局限性。高温混凝土的成本较低,德国已完成高温混凝土储热系统的中试,但高温混凝土是显式固 体储热,其储热密度和导热系数较小,系统占地面积较大。熔盐的使用温度较导热油的高,有利于产生400℃以上的水蒸气,提高发电效率。目前已经在 S0lar Two、S0一Iar Tres等得到成功应用。因此,未来熔盐在CSP系统中的应用将占主导地位,同时探索其他方面的储热材料在cSP的应用研究。但是目前应用于CSP的熔盐 也存在不少缺点,主要是凝固点高,容易凝固阻塞管道,维护成本较高。熔盐的腐蚀性和高温下的化学稳定性也是其应用于CSP的限制因素。金属合金的储热有储 能密度大、储热温度高、热稳定性好、导热系数好、相变时过冷度小、相偏析小、性价比良好等特点是比较有潜力的,但目前还没有大型的应用系统,只有小型的实 验探索研究。各种储热材料具有各自的优缺点,根据不同的应用要求,选择不同的储热系统和储热方式。
 展望储热材料在CSP的应用研究,可为如下3个方面:(1)研究凝固点低、500℃时化学性能长期稳定、低成本的熔盐;(2)研究整理一系列熔盐的热物理性能及其传热关系式,为其应用和设计提供参考;(3)展开探索其他储热材料如高温混凝土和金属合金的研究。


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