這種使用熔鹽溫差顯熱進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)存的儲(chǔ)熱方式，原理簡(jiǎn)單易懂，大量業(yè)績(jī)實(shí)踐已證明該技術(shù)的可行性，本文不再細(xì)述。為了降低熔鹽儲(chǔ)熱體系的投資成本，槽式、菲涅耳式和塔式技術(shù)路線都趨向盡量提高儲(chǔ)熱工質(zhì)的使用溫差，達(dá)到降低材料用量減少成本的目的，但熔鹽在高溫情況下使用時(shí)對(duì)管路、容器及泵閥等器件的材料性能、設(shè)計(jì)制造要求嚴(yán)格，配套設(shè)備價(jià)格較高，存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，泄漏后維修時(shí)間長(zhǎng)，影響電站的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　▍水/蒸汽傳熱熔鹽儲(chǔ)熱組合

圖2：水/蒸汽傳熱熔鹽儲(chǔ)熱的溫度-焓增示意圖

　　如圖2所示，當(dāng)采用水/蒸汽工質(zhì)進(jìn)行傳熱、熔鹽儲(chǔ)熱時(shí)，聚光鏡場(chǎng)產(chǎn)生的過熱蒸汽與熔鹽進(jìn)行熱量交換，熔鹽從低溫狀態(tài)接收蒸汽降溫冷凝釋放的熱量變成高溫熔鹽。儲(chǔ)熱過程中，以過熱蒸汽參數(shù)13MPa、450℃為例，其相變溫度t2為333℃，圖中可見在t2溫度有一段平臺(tái)，蒸汽在此相變點(diǎn)溫度及以下可釋放的熱量占總可釋放利用熱量的比值大約為75-80%；取熱過程中，以汽輪機(jī)滿功率參數(shù)為10MPa、383℃運(yùn)行為例，250℃水工質(zhì)經(jīng)過①-②的預(yù)熱階段—②-③蒸發(fā)相變階段—③-④的過熱階段獲得熱量變成合格的過熱蒸汽；汽輪機(jī)所需蒸汽參數(shù)相變點(diǎn)t1為303℃，蒸汽在t1相變點(diǎn)溫度及以下需要吸收的熱量占總所需熱量的比值也大約為75-80%；而熔鹽工質(zhì)在換熱過程中位于兩個(gè)平臺(tái)中間，為了說明方便，不計(jì)兩次換熱的溫度端差，其理論最大可利用顯熱溫差為30℃。簡(jiǎn)單來說，熔鹽工質(zhì)對(duì)鏡場(chǎng)過熱蒸汽儲(chǔ)熱和對(duì)汽輪機(jī)滿功率發(fā)電取熱的過程中，需要存儲(chǔ)傳遞的總熱量中大約70%的部分只能利用這30℃左右熔鹽溫差來實(shí)現(xiàn)，此溫差遠(yuǎn)低于采用導(dǎo)熱油顯熱傳熱熔鹽儲(chǔ)熱方式時(shí)能夠利用的近百度溫差，更低于熔鹽傳熱熔鹽儲(chǔ)熱時(shí)可以利用的兩百多度溫差，因此使用水/蒸汽傳熱方式在儲(chǔ)存相同熱量時(shí)所需的熔鹽數(shù)量會(huì)增加數(shù)倍（只考慮利用顯熱的情況），系統(tǒng)成本完全無法接受。即使為了獲得更高的可利用溫度差，降低汽輪機(jī)工作壓力以降低取熱相變溫度點(diǎn)t1，但考慮到熔鹽通常不能低于290℃的最低安全運(yùn)行溫度，最大理論可以利用溫差也不超過40℃；即使將來換成多元熔鹽，具有更低的可允許運(yùn)行溫度，以及進(jìn)一步調(diào)整汽輪機(jī)可允許運(yùn)行參數(shù)降低壓力，提高熔鹽的可利用溫度范圍幅度也很有限，且會(huì)導(dǎo)致整體發(fā)電效率較差。總之，在熔鹽材料成本較高的現(xiàn)實(shí)情況下，由于其運(yùn)行可利用溫差偏低，導(dǎo)致水/蒸汽工質(zhì)傳熱、熔鹽儲(chǔ)熱體系的整體造價(jià)巨大，經(jīng)濟(jì)上不具備可行性。

　　需要說明的是，上述內(nèi)容只是對(duì)水工質(zhì)傳熱熔鹽儲(chǔ)熱過程的極度簡(jiǎn)化說明，忽略了很多過程細(xì)節(jié)，但總體性質(zhì)和結(jié)論與詳細(xì)定量分析的結(jié)果基本相同：

　　◆水/蒸汽傳熱體系能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)熱；

　　◆儲(chǔ)熱系統(tǒng)可以利用的儲(chǔ)熱材料溫差主要取決于存熱、取熱兩過程的飽和點(diǎn)溫差，此溫差難以大幅增加；

　　◆利用熔鹽溫差顯熱的儲(chǔ)熱方案在經(jīng)濟(jì)上基本行不通。

　　根據(jù)這幾項(xiàng)判斷可知，利用相變儲(chǔ)熱材料、選擇低成本顯熱儲(chǔ)熱材料以及這兩種材料組合使用成為具備可行性的方向，國(guó)際上對(duì)此也有相應(yīng)的研究。兆陽光熱分析各方面因素，以可靠性和經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合判斷，選擇以配方混凝土為低成本顯熱儲(chǔ)熱材料的技術(shù)路線，通過多年研究開發(fā)，形成了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的兆陽光熱水/蒸汽傳熱、混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱技術(shù)體系。

　　▍水/蒸汽傳熱、混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱組合

圖3：水/蒸汽傳熱混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱的溫度-焓增示意圖

　　圖3為使用水/蒸汽工質(zhì)傳熱、混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱的簡(jiǎn)單示意。儲(chǔ)熱過程中，聚光鏡場(chǎng)產(chǎn)生的過熱蒸汽對(duì)混凝土的高溫部分進(jìn)行儲(chǔ)熱、水工質(zhì)的相變部分對(duì)混凝土的中溫部分進(jìn)行儲(chǔ)熱、水工質(zhì)的冷凝水部分對(duì)混凝土的低溫部分進(jìn)行儲(chǔ)熱；取熱過程中，經(jīng)過汽輪機(jī)高加之后的過冷水從混凝土的低溫部分進(jìn)行取熱，取熱進(jìn)一步變?yōu)檎羝柘嘧儫崃繌幕炷恋闹袦夭糠肢@取，而過熱蒸汽所需過熱熱量從混凝土的高溫部分獲得，各部分熱量都是由混凝土的溫差顯熱提供，水/蒸汽傳遞熱量的儲(chǔ)存和汽輪機(jī)所需熱量的提取過程可以近乎完美地匹配。

　　該混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的換熱過程運(yùn)行曲線也同樣位于兩個(gè)蒸汽相變的平臺(tái)中間，實(shí)際案例中可利用的溫度差在40℃左右，因單位質(zhì)量的耐高溫混凝土材料成本大約僅為熔鹽材料成本的1/12左右，而兩者比熱容參數(shù)差距不是特別大，這就使得這種小溫差、大容量的顯熱儲(chǔ)熱方式具有了經(jīng)濟(jì)可行性。

　　如圖3所示的儲(chǔ)熱系統(tǒng)（或系統(tǒng)的部分單元）熱量?jī)?chǔ)滿后，取熱前期可以執(zhí)行汽輪機(jī)的100%負(fù)荷運(yùn)行，隨著所存熱量逐漸減少，溫度品位逐漸有所降低，汽輪機(jī)還可以滑壓方式運(yùn)行，例如從100%出力逐漸至80%出力曲線，工作壓力也隨之下降到額定工作壓力的80%左右，蒸汽飽和溫度點(diǎn)也隨之降低，取熱溫差增大，混凝土儲(chǔ)存的大量熱量得以繼續(xù)釋放；特別的，當(dāng)遇到長(zhǎng)期的陰雨雪天氣，因混凝土儲(chǔ)熱體質(zhì)量巨大且沒有溫度過冷凝固限制，當(dāng)溫差加大時(shí)能夠取出巨大熱量，因此可以使汽輪機(jī)在低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，例如極端情況下，能夠保持汽輪機(jī)20%甚至更低負(fù)荷超長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，使得光熱發(fā)電的穩(wěn)定性和安全性的特點(diǎn)更加鮮明和突出。混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的指標(biāo)特點(diǎn)與常見電網(wǎng)調(diào)度需求特點(diǎn)一致，能夠在聚光集熱結(jié)束后儲(chǔ)熱量最大時(shí)提供一段時(shí)間的最大功率取熱輸出，對(duì)應(yīng)支持晚高峰滿負(fù)荷發(fā)電，接下來的低谷用電時(shí)段，汽輪機(jī)可以降低一定輸出功率，以加大取熱溫差盡量多提取儲(chǔ)存的熱量，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱系統(tǒng)高效利用。

　　需要說明的是，上述只是水/蒸汽工質(zhì)傳熱混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱運(yùn)行的原理性描述，實(shí)際運(yùn)行管控邏輯設(shè)計(jì)中需要對(duì)各類工況及電網(wǎng)調(diào)度需求特點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮，對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，以確保實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的基本優(yōu)點(diǎn)有哪些？

　　混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)從建設(shè)成本上看，儲(chǔ)熱工質(zhì)主體為混凝土，原材料為水泥、砂石和其他少量添加材料，不需要昂貴且不可靠的密閉罐體，一體化的換熱通道為普通水蒸氣管道，整體成本穩(wěn)定可控，較熔鹽系統(tǒng)有很大比例的成本優(yōu)勢(shì)。

　　從運(yùn)行安全上看，混凝土儲(chǔ)熱系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)凍堵或超溫、超壓現(xiàn)象；整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，基本上就像是一個(gè)永遠(yuǎn)不會(huì)過溫、沒有煙氣侵蝕的鍋爐，簡(jiǎn)單安全；并且實(shí)際投入運(yùn)行后混凝土儲(chǔ)熱體每天工作運(yùn)行溫度波動(dòng)范圍可以控制在40℃以內(nèi)，溫度變化速率極低，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小。

　　從運(yùn)行穩(wěn)定性上看，混凝土儲(chǔ)熱材料沒有冷凝凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)多云陰雨雪天氣極不敏感；混凝土體積質(zhì)量巨大，其顯熱比熱容量巨大，溫度難以突變，能夠?qū)εc之相連接的DSG傳熱體系起到顯著的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)作用，提供汽輪機(jī)運(yùn)行所需的高穩(wěn)定參數(shù)蒸汽；由于儲(chǔ)熱系統(tǒng)自身的基礎(chǔ)溫度高，即使連續(xù)陰雨雪天氣，汽輪機(jī)仍可保持至少連續(xù)超過7日不間斷運(yùn)行，有非常大的安全穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)。

　　兆陽光熱混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的性能指標(biāo)

　　兆陽光熱混凝土儲(chǔ)熱體系經(jīng)歷多年研發(fā)，主要解決了經(jīng)濟(jì)性環(huán)保配方、高低溫循環(huán)強(qiáng)度、高導(dǎo)熱系數(shù)及高比熱容等系列關(guān)鍵問題，同時(shí)進(jìn)行配套的增強(qiáng)換熱結(jié)構(gòu)研發(fā)，通過大量的實(shí)際產(chǎn)品測(cè)試檢驗(yàn)，在技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性得到初步驗(yàn)證后，先后建設(shè)了5m3的電儲(chǔ)熱試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行儲(chǔ)熱試驗(yàn)以及20m3試驗(yàn)平臺(tái)與菲涅耳聚光鏡場(chǎng)聯(lián)合運(yùn)行測(cè)試，在充分分析測(cè)試數(shù)據(jù)并改進(jìn)完善后，確定了各技術(shù)參數(shù)，完成了720MWh（th）的光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)工作。

圖4：混凝土樣塊

　　兆陽光熱對(duì)研發(fā)的配方混凝土進(jìn)行了抗壓、強(qiáng)度、導(dǎo)熱、比熱、膨脹系數(shù)等一系列的第三方綜合性能測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于國(guó)外資料公布的數(shù)據(jù)。

圖a：抗壓強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

圖b：兆陽光熱與DLR混凝土樣塊測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖：配方混凝土第三方認(rèn)證

　　根據(jù)混凝土試塊經(jīng)過600-300℃高低溫循環(huán)60次的抗壓強(qiáng)度曲線可以看出，初始抗壓強(qiáng)度達(dá)到了近60MPa，經(jīng)過5次循環(huán)后強(qiáng)度大幅下降，達(dá)到35MPa左右，后期雖然經(jīng)過60次循環(huán)加熱，試塊強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，基本不再下降。

　　兆陽光熱混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

　　在多年的混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)研發(fā)以及性能測(cè)試驗(yàn)證成功的基礎(chǔ)上，兆陽光熱設(shè)計(jì)建造了華強(qiáng)兆陽張家口一號(hào)15MW光熱電站的混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱時(shí)間為14h，最高工作壓力為16MPa，長(zhǎng)期運(yùn)行條件下最高可耐550℃高溫。

　　該儲(chǔ)熱系統(tǒng)采用兆陽光熱專有的配方混凝土，采用的主體材料均為建筑常規(guī)使用材料，無高成本的骨料。另外該儲(chǔ)熱系統(tǒng)中還采用了匹配增強(qiáng)換熱設(shè)計(jì)以大幅度改善換熱性能，提高儲(chǔ)熱系統(tǒng)的大功率儲(chǔ)放熱能力。由于該儲(chǔ)熱系統(tǒng)采用了常規(guī)的建筑使用的混凝土材料（如水泥、粉煤灰等）以及火電行業(yè)通用管材，大量消耗了社會(huì)的過剩產(chǎn)能，推動(dòng)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展，提高了當(dāng)?shù)鼐用袷杖?，起到了很好的扶貧效果?/p>

　　該混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)分為若干單元，在儲(chǔ)熱過程中，能夠儲(chǔ)存聚光鏡場(chǎng)產(chǎn)生的熱量，同時(shí)有效穩(wěn)定聚光鏡場(chǎng)DSG系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)；在取熱過程中，穩(wěn)定輸出過熱蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，保證電能穩(wěn)定輸出。

　　實(shí)際測(cè)試表明各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)要求

　　固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱容量由儲(chǔ)熱材料的比熱容、使用溫差和總質(zhì)量決定，在儲(chǔ)熱材料性能測(cè)試結(jié)果基本準(zhǔn)確的情況下，根據(jù)所需儲(chǔ)熱容量及有效使用溫差基本可以確定儲(chǔ)熱材料的體積（或質(zhì)量）。同時(shí)，為了滿足存入和取出熱量時(shí)的功率要求，儲(chǔ)熱系統(tǒng)配備的換熱能力必須達(dá)到相應(yīng)存取功率水平。

　　根據(jù)圖3可知，混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的實(shí)際儲(chǔ)熱容量是與存熱取熱工作點(diǎn)相變溫差減去存熱換熱溫差和取熱換熱溫差后的剩余有效使用溫差是成比例的，因此如何經(jīng)濟(jì)可靠地增強(qiáng)換熱能力、降低換熱溫差、增大儲(chǔ)熱容量就成為改善固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)性能的重要因素，是該領(lǐng)域工程研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　增強(qiáng)儲(chǔ)熱系統(tǒng)換熱能力的一般方法是在儲(chǔ)熱系統(tǒng)內(nèi)部添加增強(qiáng)換熱裝置，目前國(guó)際上已開發(fā)的增強(qiáng)換熱裝置，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，材料使用量偏大，性價(jià)比不高。兆陽光熱經(jīng)過多年研究，創(chuàng)造性地開發(fā)出一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用、高效可靠的混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)匹配增強(qiáng)換熱方案，經(jīng)過對(duì)數(shù)十種具體設(shè)計(jì)方案的分析比選，充分考慮了最佳熱擴(kuò)散形狀、原材料用量、高效加工組裝及澆筑施工方便性等各方面因素后，選擇出一種綜合最佳方案，并開發(fā)出專用的大規(guī)模加工制造及檢驗(yàn)專用裝備，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效自動(dòng)化生產(chǎn)。該方案很好地兼顧了成本與性能兩個(gè)方面，在保持足夠經(jīng)濟(jì)性的前提下，實(shí)現(xiàn)了換熱功率滿足系統(tǒng)運(yùn)行需要的目標(biāo)要求；同時(shí)，能夠?qū)Q熱金屬管路與混凝土材料之間的溫差膨脹差異起到有效緩沖匹配，確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠性；兆陽光熱增強(qiáng)換熱技術(shù)成果的成本性能綜合指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于目前披露的其它國(guó)際技術(shù)方案。

　　大量的實(shí)際管路級(jí)測(cè)試驗(yàn)證了該匹配增強(qiáng)換熱設(shè)計(jì)的有效性并交叉驗(yàn)證標(biāo)定了各項(xiàng)基本系數(shù)。為進(jìn)一步準(zhǔn)確評(píng)估大規(guī)模應(yīng)用情況下的實(shí)際參數(shù)，對(duì)15MW電站配套混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的模塊單元進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果曲線如下：

圖：不同換熱溫差/管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)應(yīng)的取熱功率

　　實(shí)測(cè)結(jié)果表明：如左圖所示，在液態(tài)水工質(zhì)換熱條件時(shí)，混凝土儲(chǔ)熱體平均溫度與流體工質(zhì)溫度差越大，單位長(zhǎng)度下?lián)Q熱功率越大；當(dāng)溫差為10℃時(shí)，單位長(zhǎng)度換熱功率為92W/m。如右圖所示，換熱溫差為10℃情況下，不同管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)應(yīng)有不同的單位長(zhǎng)度換熱功率，當(dāng)管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)為8000W/m2/k時(shí)，單位長(zhǎng)度換熱功率為106W/m。

　　該測(cè)試結(jié)果與系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果一致，使得該儲(chǔ)熱系統(tǒng)，在儲(chǔ)熱時(shí)，能夠滿足將DSG傳熱系統(tǒng)在各工況時(shí)段所產(chǎn)生的過熱蒸汽全部冷凝為水，滿足儲(chǔ)熱功率所需，基本無棄熱現(xiàn)象；取熱時(shí)，在儲(chǔ)熱系統(tǒng)基本儲(chǔ)滿情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)3h晚高峰滿負(fù)荷輸出及等效汽輪機(jī)滿功率14h的總儲(chǔ)熱發(fā)電量輸出。

　　增強(qiáng)換熱技術(shù)與配方混凝土技術(shù)共同構(gòu)成了兆陽光熱混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱技術(shù)，目前已經(jīng)從系統(tǒng)計(jì)算、工程設(shè)計(jì)、組件制造、澆筑施工、養(yǎng)護(hù)蒸干脫水、保溫防護(hù)、模塊分組、故障檢測(cè)、泄漏處置、運(yùn)行方式等各個(gè)方面得到基本驗(yàn)證，初步形成了一整套設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)技術(shù)體系。

　　通過對(duì)該大規(guī)?；炷凉虘B(tài)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)及調(diào)試過程的實(shí)際數(shù)據(jù)分析可知，兆陽光熱混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)可靠、安全環(huán)保的突出特點(diǎn)，在光熱電站規(guī)模的推廣應(yīng)用條件下能夠比目前廣泛采用的熔鹽冷熱罐技術(shù)方案降低四成甚至更多的建設(shè)成本，運(yùn)維管理簡(jiǎn)單、無任何污染性材料、不存在凍堵泄漏風(fēng)險(xiǎn)、具備顯著競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　該混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱技術(shù)還能夠進(jìn)一步深度開發(fā)，在其它例如工業(yè)熱儲(chǔ)存利用領(lǐng)域、民用儲(chǔ)熱供暖領(lǐng)域、棄電消納供熱領(lǐng)域等多個(gè)方面展現(xiàn)出巨大潛力，目前已經(jīng)展開部分工作，能夠在不遠(yuǎn)的將來通過實(shí)際業(yè)績(jī)驗(yàn)證。

　　綜上所述，兆陽光熱具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的混凝土固態(tài)儲(chǔ)熱技術(shù)體系，經(jīng)過多年研究、開發(fā)完善，已通過規(guī)?；ㄔO(shè)和初步經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證，能夠滿足光熱電站在各類工況下的技術(shù)要求，具有經(jīng)濟(jì)可靠、環(huán)保安全的顯著優(yōu)勢(shì)，能夠與兆陽光熱DSG技術(shù)體系有效結(jié)合，充分保障兆陽光熱發(fā)電技術(shù)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)光熱發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)目標(biāo)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。