4月25日，在由國家太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會與愛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)專場上，華北電力大學(xué)教授徐超針對太陽能熱發(fā)電低成本儲熱技術(shù)之單罐斜溫層儲熱技術(shù)進(jìn)行了介紹，現(xiàn)將部分發(fā)言內(nèi)容整理如下：
儲熱是太陽能熱發(fā)電中核心的優(yōu)勢，目前太陽能熱發(fā)電涉及的儲熱，主要是基于熔鹽的雙罐儲熱系統(tǒng)，但它的成本相對來說還是比較高的。如今，太陽能熱發(fā)電電站商業(yè)化就面臨著在比較短的時(shí)間內(nèi)大幅降低成本的問題。儲熱在太陽能熱發(fā)電總的成本大概占15%左右，為了大幅度降低太陽能熱發(fā)電的成本，我們也需要降低儲熱的成本。
目前儲電非?；穑撬闹饕款i是成本還是太高。各種不同的電化學(xué)儲電技術(shù)，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(fā)電用的熔鹽雙罐儲熱，它的成本只有80到200美元/千瓦時(shí)。正因?yàn)閮岬某杀镜?，而且有核心競爭?yōu)勢，才使太陽能熱發(fā)電在我們國內(nèi)得到了比較快的發(fā)展。加上儲熱以后，它可以給太陽能熱發(fā)電帶來三個(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，延長發(fā)電時(shí)間。三是低成本的儲熱也有助于降低整體太陽能熱發(fā)電的成本。基于以上優(yōu)勢，太陽能熱發(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。
目前我國首批20個(gè)太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目中，廣泛使用的是雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)，在槽式熱發(fā)電系統(tǒng)是多是間接儲熱，在塔式電站中一般是直接儲熱，這個(gè)儲熱技術(shù)是相對來說比較成熟的。當(dāng)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(zhì)的熱發(fā)電站在實(shí)際運(yùn)行中也出現(xiàn)了一些安全問題。
總體來說，熔鹽雙罐儲熱是唯一得到大規(guī)模應(yīng)用的儲熱技術(shù)，它的優(yōu)勢非常明顯，由于把高溫罐和低溫罐分開放置，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能熱發(fā)電企業(yè)都在研發(fā)新型的儲熱技術(shù)來代替這個(gè)雙罐儲熱，來降低成本。
目前新型的儲熱技術(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熱，實(shí)際上它在美國的電站中已經(jīng)有過示范應(yīng)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?；?，主要目的是希望能夠開發(fā)一種低成本的儲熱技術(shù)。還有一種儲熱技術(shù)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(shù)特點(diǎn)、發(fā)展方向，以及存在的主要問題。
單罐斜溫層儲熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，它只需要一個(gè)儲熱罐，同時(shí)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(jù)，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(shí)現(xiàn)了多尺度的傳熱過程，而多尺度的傳熱規(guī)律對系統(tǒng)動態(tài)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(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)域在上下移動的過程中也會不斷擴(kuò)張，這個(gè)擴(kuò)張帶來的結(jié)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(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，這樣的話就會導(dǎo)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(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。簡單來說有效利用率和截止溫度的關(guān)系可以用冪函數(shù)來表示。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(gè)等溫的過程，使它的放熱時(shí)間得到有效的延長。而通過頂部加入相變層以后，對于整個(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能熱發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究也越來越多，因?yàn)槭瘔K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(shí)現(xiàn)儲熱的目的，同時(shí)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(tǒng)也是一個(gè)研究方向。
我們針對于單罐斜溫層循環(huán)充放熱過程中斜溫層擴(kuò)張導(dǎo)致效率下降的問題，也提出了單罐雙罐復(fù)合的儲熱技術(shù)。整個(gè)儲熱基于一個(gè)大的單罐來保證低成本，同時(shí)又集成了兩個(gè)小的罐子作為雙罐儲熱，這個(gè)時(shí)候雙罐儲熱主要作為緩沖用，在太陽能波動比較大的時(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)，從而可以避免對于單罐儲熱系統(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，它對熔鹽泵的液下深度的要求會降低，也可以進(jìn)一步的降低系統(tǒng)成本。
總體來說，關(guān)于單罐儲熱系統(tǒng)，國內(nèi)以及國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題。這里面存在兩個(gè)主要問題：一、單罐儲熱系統(tǒng)因?yàn)樗扔懈邷囟我灿械蜏囟危倚枰煌５倪\(yùn)動，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、在開發(fā)單罐儲熱技術(shù)以及新型單罐儲熱技術(shù)的過程中還會面臨其他問題，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)樾睖貙訒掷m(xù)擴(kuò)張，如果可能的話還需要開發(fā)斜溫層的主動控制技術(shù)。此外，與太陽能熱發(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態(tài)集成的性能以及調(diào)控方法。
所以，我認(rèn)為在儲熱這一領(lǐng)域，科研院所以及企業(yè)還需要去持續(xù)的投入，盡快的開發(fā)低成本的儲熱技術(shù)。國外的很多大公司都在持續(xù)的研究一些新的儲熱技術(shù)，這一點(diǎn)國內(nèi)相比來說還是要弱一點(diǎn)。所以我希望不管科研院所還是企業(yè)，都能夠?qū)τ诘统杀緝嵊谐掷m(xù)的關(guān)注和投入，而不是只關(guān)注于雙罐儲熱技術(shù)。
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