淺談太陽能熱發電系統的儲熱介質應用現況

【摘要】本文綜述了太陽能發電中儲熱介質的分類及優缺點，最后對儲熱介質的發展進行了展望。

【關鍵詞】太陽能發電；傳熱蓄熱介質；熔鹽

一、前言

集中太陽能（CSP）熱發電是一種新興的可持續發電技術。陽光集中加熱傳熱流體（HTF），然后泵送到熱交換器產生蒸汽驅動汽輪機發電。HTF是CSP系統整體性能和效率最重要的組件之一。因此，研究太陽能高溫傳蓄熱介質是開發利用太陽能的必然趨勢。

二、儲熱介質的分類及特性

選擇合適的儲熱介質不僅可以提高太陽能發電系統的轉化效率，還可以降低整個發電系統的安全系數。目前的太陽能的儲熱介質主要有水/水蒸氣、導熱油、液態金屬、熔鹽，其特性如下。

（一）水和水蒸氣

水和水蒸氣是一種廉價、使用方便的傳熱介質。太陽能發電系統直接加熱水產生過熱蒸汽，然后驅動蒸汽輪機發電，從而省去中間的換熱步驟。但是使用水/蒸汽作為傳熱介質的最大問題是水的沸點及最大工作溫度比較低。太陽能發電系統的工作溫度越高，水蒸氣的壓力就越大，增加管道厚度才能解決上述問題。但是增加管壁厚度會導致輸送管路變長，即增加了成本，同時降低了傳熱效率。另外，它的溫度只能達到300℃左右從而大幅度降低了太陽能發電系統的發電效率。

（二）導熱油

導熱油可作為傳熱和蓄熱介質，是早期小容量槽式熱發電站儲熱系統的主要傳儲熱介質。導熱油的穩定性比較好，在常壓下，具有較高溫度上限，降低了高溫加熱系統的操作壓力、提高設備與系統的可靠性；具有較低的凝固點，可以在更寬的溫度范圍內滿足工藝需求。但是在400℃以上不適合使用導熱油，因為300℃以上就開始出現積碳現象，需定期更換，否側會出現阻塞管道。另外高溫下導熱油的空氣氧化性很強，在事故發生時容易引起火災，極易出現導熱油的泄漏而污染環境的現象。最主要的問題是導熱油被加熱后容易變質，由于傳儲熱介質需要循環利用，所以導熱油并是太陽能熱發電系統中儲熱介質的理想選擇。

（三）液態金屬

液態金屬是高溫傳熱蓄熱較為理想的介質。它的傳熱儲熱能力較好、熱導率與溶解熱極高、工作溫度范圍寬、流動性好、蒸氣壓低，但是它膨脹系數高、價格昂貴、易燃、易泄露、腐蝕性強。

（四）熔鹽

熔融鹽已被廣泛用作傳熱儲熱介質。它的使用溫度范圍寬廣且工作溫度高（一般在100℃到1000℃）、化學穩定性好、蒸氣壓低（尤其混合鹽的狀態下更低）、溶解能力強、粘度低和價格低廉，同時不會因泄露造成嚴重的安全事故，所以熔融鹽是太陽能發電系統中具有使用價值的傳儲熱介質。

三、熔鹽的特性與分類

綜上所述，熔鹽無疑成為了太陽能熱發電中最有使用價值的傳儲熱的介質。下文對熔鹽的特性、分類、優缺點及存在的問題進行了闡述。

（一）熔融鹽的特異性

熔鹽中一般只含離子鍵，鍵能較強、熔點較高，因此一般應用于傳儲熱介質的熔鹽為多組分的混合鹽。研究發展結果表明，熔融鹽具有使用溫度高、比熱容高、對流傳熱系數高、粘度低、飽和蒸汽壓低、成本低、熱穩定性好，兼具傳熱儲熱能力的優點，是太陽能光熱發電理想的傳儲熱介質。

（二）熔融鹽的分類及優缺點

在實際工程儲能應用中，需要成百噸甚至更多的融鹽，所以為了考慮成本，本文只介紹一些價格低廉且性能優異的傳儲熱用鹽。

1.硝酸鹽

硝酸鹽最大優點是熔點低、價格低廉和腐蝕性小，但是硝酸鹽溶解熱較小，大部分在20～30Kcal/kg之間，且熱導率一般在：0.7Kcal/（m.h.℃）左右，因此在使用時容易產生局部過熱。另外，硝酸熔鹽由于其高溫分解限制了其使用溫度，所以如何提高其使用溫度也是限制硝酸熔鹽廣泛應用的一個問題。

2.碳酸鹽

碳酸鹽具有價格較低、密度大、相變潛熱高、腐蝕性小、比熱和密度高等優點，具有良好的傳熱和儲熱能力，能滿足CSP高溫傳熱儲熱的要求。碳酸鹽使用溫度高于硝酸鹽，可以提高儲熱體系效率，特別在400℃～850℃的中高溫溫度段，碳酸鹽具有很大的優勢。但是碳酸鹽的熔點高、粘度大、易分解等特點限制了碳酸鹽的發展。

3.氯化鹽

氯化鹽具有種類多、使用溫度范圍最廣、價格低廉相變潛熱較大、液態粘度小和熱穩定性良好等優點，并且可以按照不同需求制備成不同溶點的混合鹽。其缺點是腐燭性較強，安全使用溫度較難確定。

4.氟化鹽

氟化鹽具有粘度小、潛熱大、腐蝕性小、與金屬容器的相容性和熱遷移性較好等優點，屬于典型的高溫相變儲熱材料。但是也有三個致命的缺點，一是氟化物熱導率較其他熔融鹽要低；二是氟化物在液固兩相轉變時體積收縮嚴重，易出現“熱松脫”及“熱斑”現象；三是價格高。

（三）熔鹽所存在的問題

（1）熔融鹽的高溫分解問題。無機鹽在溫度過高時會產生離子的分解，熔鹽的分解使得熔鹽結構與組成的變化，進而導致其熱物理性質發生變化，這將極大地影響熔融鹽的發電效率和工作安全。

（2）熔融鹽對傳儲熱管道回路腐蝕問題。有1.2節所介紹的太陽能熱發電的原理可知，儲熱介質在傳儲熱回路中一直處于流動狀態，且儲熱介質在回路中需要不斷地循環利用，這就要求儲熱系統的管道材料與熔融鹽必須具有良好的相容性，一方面可以使用耐腐蝕的材料，但是必然將增加太陽能熱發電系統的運行成本；另一方面，可以利用熔融鹽良好的溶解性能，在熔鹽中加入適當的添加劑，用于減緩管道材料的腐蝕。儲熱熔鹽的腐蝕問題是儲熱熔鹽能否廣泛應用的關鍵，所以研究和開發高溫耐腐蝕材料，尋找熔鹽腐蝕的機理，一直是太陽能儲熱熔鹽領域的重要課題之一。

（3）由于此類混合鹽在高溫下呈液態，在常溫狀態下呈固態，這就要求傳儲熱器必須一直處于保溫狀態，這將增加系統的預熱及伴熱電耗。

四、對儲熱介質發展的展望

綜上所述，熔鹽有望成為下一代太陽能熱發電唯一的傳儲熱介質。提高工作溫度有利于提高CSP的發電效率，硝酸由于分解溫度低、全球硝酸鹽儲量和產能有限，其推廣使用存在諸多困難。從現存的文獻可以看出，一般不會使用單獨的一種熔鹽作為相變儲熱材料，通常應用于太陽能熱發電系統中的儲熱熔鹽均為二元鹽或三元鹽，因此可以預測，如果解決了相關技術瓶頸，碳酸鹽、氯鹽、氟鹽等有望成為下一代CSP的傳儲熱介質。

參考文獻

[1]周嘏癑.316不銹鋼在硝酸嫁鹽中的腐蝕行為研究[D].西安：西安科技大學，2017.

[2]馬宏芳.Inconel625合金在氯化物熔鹽中腐蝕行為研究[D].西安：西安科技大學，2015.

[3]賈寶玲.儲熱用熔融硝酸鹽對幾種炭素材料的腐蝕行為研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2013.

[4]孫華，蘇興治，張鵬，王建強.聚焦太陽能熱發電用熔鹽腐蝕研究現狀與展望[J].腐蝕科學與防護技術，2017，29（03）：282～290.

[5]孫華，蘇興治，張鵬，王建強.聚焦太陽能熱發電用熔鹽腐蝕研究現狀與展望[J].腐蝕科學與防護技術，2017，29（03）：282～290.

作者簡介：胡永康（1993.07—），男，漢族，本科，河南商丘人，青海大學機械工程學院15材科一班。