摘要：針對(duì)常規(guī)太陽(yáng)能利用具有間歇性和不穩(wěn)定性等問(wèn)題，介紹了光熱技術(shù)在光熱發(fā)電和太陽(yáng)能直接熱利用方面配備儲(chǔ)熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能穩(wěn)定供熱的研究進(jìn)展?？偨Y(jié)了目前儲(chǔ)熱技術(shù)的分類方法和技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，綜述了主流熔鹽儲(chǔ)熱體系（碳酸鹽、氯化鹽、氟化鹽、硝酸鹽）的技術(shù)原理和研究進(jìn)展，指出不同熔鹽儲(chǔ)熱體系的優(yōu)勢(shì)和存在的技術(shù)問(wèn)題。針對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱的技術(shù)關(guān)鍵，總結(jié)了在光熱技術(shù)領(lǐng)域不同場(chǎng)景下的研究現(xiàn)狀和工藝流程，并歸納出熔鹽儲(chǔ)熱體系在光熱領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。一是根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的集熱方式，優(yōu)化光熱集熱、熔鹽儲(chǔ)熱的容量配置和協(xié)調(diào)控制；二是研發(fā)更低熔點(diǎn)、更寬液體溫域、低腐蝕性的熔鹽來(lái)提高熔鹽儲(chǔ)熱的適用性；三是降低成本的同時(shí)兼顧熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性，為未來(lái)熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展提供參考。

隨著全球化石燃料資源匱乏和環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯，太陽(yáng)能作為一種清潔、可再生的能源已被廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能屬于一次能源，具有總量巨大、無(wú)枯竭風(fēng)險(xiǎn)、清潔無(wú)污染且分布廣、無(wú)須開(kāi)采運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有晝夜季節(jié)不穩(wěn)定性、地理差異顯著、能量密度低、占地面積大、易受天氣影響等缺點(diǎn)[1]。光熱技術(shù)作為太陽(yáng)能利用的主要方式之一，已逐步成為能源行業(yè)的熱點(diǎn)，目前光熱技術(shù)已應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)。在低溫<100℃）領(lǐng)域主要是生活供暖、供熱；在中高溫（≥100℃）領(lǐng)域主要集中在工農(nóng)業(yè)方面，包括紡織、印染、造紙、海水淡化、食品加工等方面，同時(shí)也應(yīng)用于新能源聯(lián)合發(fā)電領(lǐng)域[2,3]。儲(chǔ)能是助力實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要技術(shù)支撐，作為一種改變能量時(shí)空分布的技術(shù)手段，可以消減太陽(yáng)能日間變化帶來(lái)的間歇性、不穩(wěn)定性影響，實(shí)現(xiàn)晝夜持續(xù)供能[4]。2022年，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局印發(fā)的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》中指出，到2030年新型儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)全面市場(chǎng)化發(fā)展，核心技術(shù)裝備自主可控，全面支撐能源領(lǐng)域碳達(dá)峰目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)[5,6]，這將為儲(chǔ)能型光熱發(fā)電/供熱技術(shù)帶來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇。

儲(chǔ)熱技術(shù)（包括儲(chǔ)冷）是儲(chǔ)能技術(shù)中的一種。2020年國(guó)際可再生能源署（IRENA）報(bào)道，截至2019年底，全球范圍儲(chǔ)熱技術(shù)裝機(jī)容量約為234 GW·h,2030年將達(dá)到2019年規(guī)模的3倍[7]。儲(chǔ)熱技術(shù)主要應(yīng)用在供冷、供熱以及電力方面，其中在電力領(lǐng)域，隨著光熱發(fā)電的發(fā)展，主要商用運(yùn)行技術(shù)為熔鹽儲(chǔ)熱。本文詳細(xì)介紹了目前主要的儲(chǔ)熱體系分類，重點(diǎn)梳理了顯熱儲(chǔ)熱方式下的熔鹽儲(chǔ)熱體系研究現(xiàn)狀，為光熱利用熔鹽儲(chǔ)熱靈活調(diào)峰和穩(wěn)定供能提供理論參考。

01

儲(chǔ)熱技術(shù)現(xiàn)狀

儲(chǔ)熱技術(shù)具有能量密度大、壽命長(zhǎng)、利用方式多樣、綜合熱利用效率高的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)熱能的存儲(chǔ)方式不同，儲(chǔ)熱技術(shù)可分為顯熱、潛熱和熱化學(xué)三類[8,9,10]，見(jiàn)圖1。

圖1儲(chǔ)熱技術(shù)分類Fig.1 Classification of thermal storage technologies

1.1顯熱儲(chǔ)熱

顯熱儲(chǔ)熱基于介質(zhì)比熱容，依靠材料自身溫度變化進(jìn)行儲(chǔ)放熱，見(jiàn)圖2。顯熱儲(chǔ)熱材料按照物態(tài)分為固態(tài)和液態(tài)，常見(jiàn)的固態(tài)顯熱材料包括混凝土、陶瓷、鵝卵石、氧化鎂等；常見(jiàn)的液態(tài)顯熱材料包括水、導(dǎo)熱油、熔融鹽和液態(tài)金屬等。其中在低溫（<100℃）應(yīng)用領(lǐng)域中，水是最常見(jiàn)的顯熱材料；在中高溫（≥100℃）應(yīng)用領(lǐng)域，導(dǎo)熱油和熔融鹽的應(yīng)用案例較多。顯熱儲(chǔ)熱材料來(lái)源廣泛、成本低廉，儲(chǔ)熱技術(shù)原理和工藝簡(jiǎn)單，利于規(guī)?；瘧?yīng)用。該技術(shù)目前較為成熟，是應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)熱技術(shù)，但也存在著儲(chǔ)能密度低、儲(chǔ)能時(shí)間短、體積龐大、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)存熱損失大等不足。

1.2潛熱儲(chǔ)熱

潛熱儲(chǔ)熱又稱為相變儲(chǔ)熱，是指利用介質(zhì)相變過(guò)程中的吸熱和放熱來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放熱能的技術(shù)，見(jiàn)圖2。潛熱儲(chǔ)熱材料按照介質(zhì)類型分為四類，包括無(wú)機(jī)熔融鹽類、合金類、有機(jī)類和復(fù)合類，通常具有儲(chǔ)熱密度高、溫度變化小的特點(diǎn)。但不同種類潛熱儲(chǔ)熱材料在安全性和材料密度方面差異較大，其中無(wú)機(jī)熔融鹽類由于其安全性能和材料成本的優(yōu)勢(shì)，成為高溫應(yīng)用領(lǐng)域最常見(jiàn)的潛熱儲(chǔ)熱材料。潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)具有儲(chǔ)能周期長(zhǎng)、能量密度大、熱效率高和使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但尚未達(dá)到商業(yè)應(yīng)用要求，還需在儲(chǔ)能規(guī)模、成本和技術(shù)成熟度上進(jìn)一步改善。

圖2顯熱與潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)原理Fig.2 Principles of the sensible and latent heat storage technologies

1.3熱化學(xué)儲(chǔ)熱

熱化學(xué)儲(chǔ)熱主要利用可逆的化學(xué)反應(yīng)或在化學(xué)吸/脫附過(guò)程中的反應(yīng)焓來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)/放熱，見(jiàn)圖3。熱化學(xué)儲(chǔ)熱材料按照工作溫度分為中低溫和高溫儲(chǔ)熱材料，其中在中低溫領(lǐng)域，主要是利用水蒸汽和氨氣作為吸收或吸附劑；在高溫領(lǐng)域，可以分為金屬氧化物體系、金屬氫化物體系、金屬氫氧化物體系、氧化還原體系、氨化學(xué)體系、碳酸鹽體系和甲烷重整等。熱化學(xué)儲(chǔ)熱周期長(zhǎng)、能量密度高，適合大規(guī)模儲(chǔ)熱，但在技術(shù)成熟度、安全性以及經(jīng)濟(jì)性方面需要進(jìn)一步改善[11,12,13]。

目前儲(chǔ)熱技術(shù)的研究熱點(diǎn)集中在相變儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱，但其應(yīng)用推廣受到材料自身特點(diǎn)的制約，特別是受傳熱性能差、腐蝕性強(qiáng)、需要間接換熱和工藝復(fù)雜的限制，均處于中試和實(shí)驗(yàn)室研究階段，未有工業(yè)應(yīng)用案例。熔融鹽是指熔鹽類介質(zhì)的熔融態(tài)，是液態(tài)顯熱儲(chǔ)熱的一種，目前已有大量工程應(yīng)用案例，處于規(guī)模推廣階段。熔鹽儲(chǔ)熱具有使用溫區(qū)廣、儲(chǔ)熱溫差大、儲(chǔ)熱密度高、傳熱性能好、工作狀態(tài)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)勢(shì)，適合大規(guī)模儲(chǔ)熱。基于上述特點(diǎn)，熔鹽儲(chǔ)熱已廣泛應(yīng)用到光熱發(fā)電、清潔供暖、余熱回收、火電靈活性改造等領(lǐng)域，并在光熱技術(shù)領(lǐng)域大量推廣應(yīng)用[14,15]，見(jiàn)圖4。本文綜述了不同熔鹽儲(chǔ)熱體系的最新研究進(jìn)展和熔鹽儲(chǔ)熱在光熱領(lǐng)域的應(yīng)用，為未來(lái)熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展提供參考。

圖3可逆熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)原理Fig.3 Principle of reversible thermochemical heat storage technology

圖4不同應(yīng)用場(chǎng)景下熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)Fig.4 Molten salt heat storage systems in different application scenarios

02

熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)現(xiàn)狀

目前熔鹽儲(chǔ)熱介質(zhì)包括碳酸鹽、氯化鹽、氟化鹽和硝酸鹽[15,16]，不同種類熔鹽配方多樣，常見(jiàn)的幾種熔鹽熱物性參數(shù)見(jiàn)表1。尋找綜合性能最佳的混合熔融鹽是目前熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的重要研究方向之一，應(yīng)從性能、成本等多方面因素綜合考慮，優(yōu)選最合適的儲(chǔ)熱熔鹽。

表1常見(jiàn)熔鹽的熱物性參數(shù)Tab.1 Thermophysical parameters of common molten salts

2.1碳酸鹽

碳酸鹽由于具有工作溫度范圍寬、密度大、溶解度高、腐蝕性小、成本低、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，主要應(yīng)用在高溫儲(chǔ)熱技術(shù)中[17]。熔融碳酸鹽的使用溫度高，適合在中等溫度（500～600℃）和中高溫度（600～800℃）條件下運(yùn)行，廣泛應(yīng)用于650℃的熔融碳酸燃料電池（MCFC）中。作為儲(chǔ)熱介質(zhì)的碳酸鹽主要有Li2CO3、Na2CO3、K2CO3、CaCO3、BaCO3等，其中單一和二元碳酸鹽混合物的熔點(diǎn)一般高于500℃[18]。Wu等[19]研究了36種不同比例的Li、Na、K三元碳酸熔融鹽的基本熱物理性質(zhì)（包括熔點(diǎn)、比熱和分解溫度等），結(jié)果表明三元混合鹽的熔點(diǎn)在500℃以下，并且富含K2CO3的三元混合鹽表現(xiàn)出比Solar salt高出三倍多的比熱值，高達(dá)1 343 J/（kg·K）。Luo等[20]研究了Li、Na、K三元碳酸熔融鹽（32.1%Li2CO3+33.4%Na2CO3+34.5%K2CO3(wt%））的熱物性，認(rèn)為該碳酸鹽是最具競(jìng)爭(zhēng)力的高溫顯熱儲(chǔ)熱介質(zhì)，同時(shí)該鹽也被美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）認(rèn)為是第三代光熱CSP系統(tǒng)中可用來(lái)替代硝酸鹽的潛在高溫傳熱儲(chǔ)熱材料，表現(xiàn)出熱容量高（1 610 J/（kg·K）、熱導(dǎo)率高（0.612 W/（m·k)(575℃））、熔點(diǎn)低（397℃）、熱分解溫度較高（>670℃）的熱物性。楊薛明等[21]對(duì)Li、Na、K碳酸熔融鹽單組分、二元及三元混合物進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，離子間距增加，單組分及混合物的黏度呈現(xiàn)負(fù)溫度依賴性，單組分和二元混合物的熱導(dǎo)率也呈負(fù)溫度依賴性，而三元熔鹽的熱導(dǎo)率則呈溫度正相關(guān)性。

2.2氯化鹽

氯化鹽種類繁多，價(jià)格低廉，近年主要研究集中在Li、Na、K、Mg、Ca、Zn等氯化物的混合鹽開(kāi)發(fā)上[18]。氯化鹽具有熱穩(wěn)定性好、熔融狀態(tài)黏度小、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)，但熔點(diǎn)較高，其中Li、Na、K、Ca氯化鹽的熔點(diǎn)分別為605℃、801℃、770℃、782℃；氯化鹽腐蝕性強(qiáng)，熔融氯化鹽會(huì)加速合金鋼在空氣中的腐蝕速率，增加了抗腐蝕的應(yīng)用成本[22]。熔融的混合氯化鹽常被用作核反應(yīng)堆中的冷卻劑，其熱流體可在約525℃下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，并且在800℃左右的溫度下也能保持穩(wěn)定。三元MgCl2-NaCl-KCl熔鹽具有與商業(yè)熔融硝酸鹽相似的熱物性、更高的熱穩(wěn)定性（>800℃）和更低的材料成本（<0.35 USD/kg），適合下一代光熱電站更高運(yùn)行溫度（>565℃）的需求[23]。孫李平[24]選擇熔點(diǎn)較高的MgCl2、NaCl和KCl作為原料，實(shí)驗(yàn)不同比例共計(jì)36種混合氯化鹽的特性，其中MgCl2∶NaCl∶KCl為2∶7∶1時(shí)，熔點(diǎn)低至約400℃，顯熱儲(chǔ)熱時(shí)經(jīng)濟(jì)性最好。Wei等[25]在三元NaCl-MgCl2-CaCl2混合鹽基礎(chǔ)上研究更低熔點(diǎn)混合鹽，原混合鹽的熔點(diǎn)為407℃，加入KCl以部分取代CaCl2，可將混合鹽熔點(diǎn)降低至383℃。Li等[26]研究了含有ZnCl2的低熔點(diǎn)混合鹽，其中NaCl-KCl-ZnCl2三元混合鹽的共晶熔點(diǎn)低至204℃，但ZnCl2的高成本制約了其混合鹽的發(fā)展。

2.3氟化鹽

氟化鹽具有高熔點(diǎn)和高潛熱特點(diǎn)，常見(jiàn)的二元、三元混合熔鹽熔點(diǎn)在315～509℃，屬于高溫儲(chǔ)熱材料，但相變體積變化大，當(dāng)由液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w時(shí)體積會(huì)有大幅收縮，導(dǎo)熱系數(shù)低。氟化鹽由于具有較強(qiáng)的腐蝕性和毒性，在光熱領(lǐng)域中的應(yīng)用并不多，且無(wú)很好的解決方法，應(yīng)用前景并不理想，目前熔融氟化鹽主要被應(yīng)用作為冶金、電解和核反應(yīng)堆的冷卻劑[22]。氟化物熔鹽電解質(zhì)與水溶液電解質(zhì)相比，化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，電化學(xué)窗口更寬，可以用于電解制備金屬鋁、高純硅以及含氟的特種氣體；在核工業(yè)方面，氟化鹽LiF-BeF2、LiF-NaF-KF等在高溫下具有優(yōu)異的物化性質(zhì)，廣泛應(yīng)用為核燃料溶劑及冷卻劑[27]。

2.4硝酸鹽

混合硝酸鹽具有熔點(diǎn)低、比熱容大、導(dǎo)熱系數(shù)大、低黏度、低蒸汽壓以及分解溫度高、腐蝕性小等優(yōu)點(diǎn)，常用于光熱電站，也是目前己實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的傳熱儲(chǔ)熱材料。硝酸鹽熔點(diǎn)為300℃左右，500℃下不易分解，價(jià)格低廉，但其熱導(dǎo)率低，易發(fā)生局部過(guò)熱，容易凝固、導(dǎo)致堵塞管道[16]。目前商業(yè)化的硝酸熔鹽主要有：Solar salt(60%NaNO3+40%KNO3）、Hitec(7%NaNO3+53%KNO3+40%Na NO2）、Hitec XL(7%Na NO3+45%KNO3+48%Ca(NO3)2），使用溫度范圍分別為：220～600℃、142～535℃、120～500℃。鄒露璐等[28]開(kāi)發(fā)了一種低熔點(diǎn)（83.1℃）四元混合硝酸鹽，由于熔點(diǎn)較低，在光熱發(fā)電應(yīng)用中大幅減少了系統(tǒng)初始化鹽的能耗，降低了運(yùn)行過(guò)程中管路凍堵風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于該鹽比熱相對(duì)較高，液態(tài)溫域較寬，也可有效降低儲(chǔ)熱運(yùn)行成本。王軍濤等[29]研究了NaNO3-KNO3-Ca(NO3)2三元混合硝酸鹽的熱力學(xué)性質(zhì)，其熔點(diǎn)為122.05℃，工作范圍127～500℃。

03

熔鹽儲(chǔ)熱在光熱領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀

熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)最早作為核反應(yīng)堆的冷卻介質(zhì)應(yīng)用在核工業(yè)領(lǐng)域，在工作溫度區(qū)間，以液態(tài)形式進(jìn)行傳熱、儲(chǔ)熱。自上世紀(jì)80年代開(kāi)始，美國(guó)發(fā)展光熱發(fā)電技術(shù)，率先使用熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)并用于美國(guó)太陽(yáng)二號(hào)（Solar Two）光熱發(fā)電項(xiàng)目，該電站是世界上第一個(gè)使用熔鹽作為儲(chǔ)熱、傳熱介質(zhì)的光熱電站。目前熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)已成功應(yīng)用于多個(gè)國(guó)內(nèi)外光熱電站及儲(chǔ)能系統(tǒng)中。

2016年9月，國(guó)家能源局印發(fā)了《關(guān)于建設(shè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知》（國(guó)能新能[2016]223號(hào)），確定第一批太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目共20個(gè)[30]，至2022年，并網(wǎng)投運(yùn)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目共9個(gè)，總?cè)萘?5×104kW。其中，塔式項(xiàng)目6個(gè)、槽式項(xiàng)目2個(gè)、線菲式1個(gè)；使用熔鹽儲(chǔ)熱項(xiàng)目共計(jì)6個(gè)，包括青海中控德令哈50 MW熔鹽塔式熱發(fā)電項(xiàng)目、北京首航敦煌100 MW熔鹽塔式熱發(fā)電示范項(xiàng)目、中國(guó)電建共和50 MW熔鹽塔式熱發(fā)電項(xiàng)目、中國(guó)電力工程哈密50 MW熔鹽塔式熱發(fā)電項(xiàng)目、玉門(mén)鑫能50 MW熔鹽塔式熱發(fā)電項(xiàng)目和蘭州大成敦煌50 MW熔鹽線性菲涅爾式熱發(fā)電項(xiàng)目[31]。

光熱發(fā)電對(duì)比常規(guī)新能源的風(fēng)電、光伏，具有持續(xù)發(fā)電、對(duì)電網(wǎng)沖擊小的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)新型電力系統(tǒng)的構(gòu)成具有重要支撐作用。光熱電站利用集熱器將光以熱形式儲(chǔ)存在液態(tài)熔鹽中，再利用熔鹽加熱水形成熱蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。熔鹽供熱系統(tǒng)直接利用光熱或綠電供能，采用太陽(yáng)能-熔鹽-給水或綠電-熔鹽-給水換熱，熔鹽使用溫度區(qū)間根據(jù)用能側(cè)配置，可實(shí)現(xiàn)90℃熱水實(shí)現(xiàn)生活供暖、180～360℃的中低溫工業(yè)蒸汽以及500℃以上的高溫蒸汽[32]。光熱系統(tǒng)中熔鹽廣泛使用二元Solar salt，溫度使用范圍220～600℃，并已商業(yè)應(yīng)用以Hitec為代表的低熔點(diǎn)三元熔鹽，低熔點(diǎn)鹽維溫系統(tǒng)能耗小，管路凍堵風(fēng)險(xiǎn)小，也是目前不同熔鹽配方的主要研究方向之一。熔鹽儲(chǔ)罐有單罐和雙罐兩種，其中單罐通過(guò)斜溫層將冷熱流分層，最大限度利用單個(gè)儲(chǔ)罐降低初始投資，但斜溫層的存在嚴(yán)重影響了儲(chǔ)熱效率，且上下層流體之間溫差、流速等運(yùn)行控制難度大[33]，見(jiàn)圖5；雙罐系統(tǒng)將高、低溫熔鹽分別放在兩個(gè)罐中儲(chǔ)存，避免了斜溫層問(wèn)題，降低了安全隱患，提高了系統(tǒng)儲(chǔ)熱效率，但增加了投資成本，目前該技術(shù)成熟，已商業(yè)化應(yīng)用于工程案例中，見(jiàn)圖6。光熱與熔鹽耦合的換熱形式分直接和間接，其中直接儲(chǔ)熱系統(tǒng)將熔鹽同時(shí)作為儲(chǔ)熱介質(zhì)和傳熱介質(zhì)，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能-熔鹽-蒸汽進(jìn)行轉(zhuǎn)化，工作溫度在400～500℃范圍，見(jiàn)圖7；間接儲(chǔ)熱系統(tǒng)將導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)，熔鹽作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，換熱過(guò)程為太陽(yáng)能-導(dǎo)熱油-熔鹽-蒸汽，由于導(dǎo)熱油的熱穩(wěn)定性相對(duì)較低，工作溫度在400℃以下[32]，見(jiàn)圖8。

圖5單罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)Fig.5 Single-tank molten salt heat storage system

圖6雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)Fig.6 Double-tank molten salt heat storage system

圖7熔鹽儲(chǔ)熱在光熱應(yīng)用中直接換熱系統(tǒng)Fig.7 Direct heat transfer system ofmolten salt heat storage in photothermal applications

圖8熔鹽儲(chǔ)熱在光熱應(yīng)用中間接換熱系統(tǒng)Fig.8 Indirect heat transfer system of molten salt heat storage in photothermal applications

04

熔鹽儲(chǔ)熱在光熱領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

熔鹽儲(chǔ)熱在光熱電站和光熱儲(chǔ)能供熱領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)性、適用性和安全性是制約技術(shù)發(fā)展的重要因素，需在系統(tǒng)容量配置、熔鹽材料及配方研發(fā)等方面進(jìn)行攻關(guān)。

1）根據(jù)新能源基地的功能需求，選擇合適的光熱集熱方式，優(yōu)化光熱集熱、熔鹽儲(chǔ)熱的容量配置和協(xié)調(diào)控制[34]，研究與現(xiàn)有電價(jià)機(jī)制的有效銜接，拓寬應(yīng)用場(chǎng)景，在光熱發(fā)電、儲(chǔ)能調(diào)峰、園區(qū)高品質(zhì)工業(yè)蒸汽供應(yīng)、熱電聯(lián)產(chǎn)、清潔供熱等領(lǐng)域加快推廣。

2）為提高熔鹽儲(chǔ)熱的適用性，需研發(fā)更低熔點(diǎn)、更寬液體溫域、低腐蝕性的熔鹽，用以解決冬季熔鹽“凍管”所引起的系統(tǒng)失效問(wèn)題，降低熔鹽系統(tǒng)維溫能耗，減緩熔鹽罐、管道腐蝕，同時(shí)為進(jìn)一步提高熔鹽儲(chǔ)熱效率，應(yīng)對(duì)變工況條件下拓寬熔鹽使用溫度區(qū)間開(kāi)展研究，以提高熔鹽循環(huán)效率。

3）降低成本的同時(shí)兼顧熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性，開(kāi)發(fā)具有更高可靠性的儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備和操作系統(tǒng)，包括高電壓等級(jí)熔鹽電加熱器、熔鹽換熱器、儲(chǔ)罐、動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)等。完善相關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)維操作規(guī)范，細(xì)化行業(yè)規(guī)范評(píng)價(jià)體系，加強(qiáng)技術(shù)配套，促進(jìn)推廣應(yīng)用。

05

總結(jié)與展望

1）在雙碳目標(biāo)背景下，隨著清潔轉(zhuǎn)型的不斷推進(jìn)，儲(chǔ)熱技術(shù)可以有效解決熱能供應(yīng)側(cè)與需求側(cè)在時(shí)間、空間上的一致性問(wèn)題，提高新型能源體系的靈活性和穩(wěn)定性，提升能源綜合利用率。通過(guò)不同形式儲(chǔ)熱技術(shù)，可形成不同溫度范圍、不同時(shí)間周期、不同儲(chǔ)熱規(guī)模的解決方案。

2）熔鹽儲(chǔ)熱是顯熱儲(chǔ)熱的一種，具有儲(chǔ)能容量大、儲(chǔ)存周期長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可推動(dòng)大規(guī)模儲(chǔ)能項(xiàng)目落地。熔鹽儲(chǔ)熱相關(guān)技術(shù)發(fā)展多樣化，針對(duì)不同儲(chǔ)熱場(chǎng)景，為實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，儲(chǔ)熱材料的制備方法和性能研究是目前的主要方向。為提高系統(tǒng)效率、降低成本，研究重點(diǎn)集中在優(yōu)選工作溫度范圍寬、適應(yīng)性強(qiáng)、成本低的多元混合熔鹽儲(chǔ)熱材料上。

3）目前熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)中，最常見(jiàn)的是硝酸鹽。新疆地處高緯度地區(qū)，冬夏晝夜溫差大，為匹配高寒地區(qū)光熱應(yīng)用場(chǎng)景，應(yīng)選擇熔點(diǎn)相對(duì)更低的Hitec、Hitec XL。在進(jìn)入第三代光熱發(fā)展過(guò)程中，碳酸鹽體系和氯化鹽體系由于具有熔點(diǎn)高、工作溫度范圍寬、成本低等特性，可成為用來(lái)替代硝酸鹽的潛在高溫傳熱儲(chǔ)熱材料。

4）針對(duì)光熱發(fā)電和供熱領(lǐng)域，熔鹽作為儲(chǔ)熱傳熱介質(zhì)具有工程應(yīng)用潛力。隨著風(fēng)電光伏等新能源電力規(guī)模不斷增加，為減少棄風(fēng)棄光率，可加快風(fēng)光儲(chǔ)一體化建設(shè)，探討熔鹽儲(chǔ)熱的工業(yè)化應(yīng)用可行性。根據(jù)清潔供暖的實(shí)施推廣，也將持續(xù)開(kāi)展光熱或綠電供能加熱熔鹽儲(chǔ)熱/換熱的研究，適時(shí)布局熔鹽供熱市場(chǎng)。

本文作者 | 段勝男 馬能亮 陳香玉 段子丹 陳柏榮 王志強(qiáng)

來(lái)源 | 新疆石油天然氣

參考資料：

[1]姚玉璧，鄭紹忠，楊揚(yáng)，等.中國(guó)太陽(yáng)能資源評(píng)估及其利用效率研究進(jìn)展與展望[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2022,43(10):524-535.YAO Y B,ZHENG S Z,YANG Y,et al.Research progress and prospect on solar energy resource evaluation and utilization efficiency in China[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2022,43(10):524-535.

[2]孫峰，畢文劍，周楷，等.太陽(yáng)能熱利用技術(shù)分析與前景展望[J].太陽(yáng)能，2021,(7):23-36.SUN F,BI W J,ZHOU K,et al.Analysis and prospect of solar thermal utilization techonlogies[J].Solar energy,2021,(7):23-36.

[3]杜運(yùn)平，陳宇超，沙暢暢，等.基于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究進(jìn)展[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020,40(5):33-38.DU Y P,CHEN Y C,SHA C C,et al.System design and research progress based on solar drive water evaporation[J].Journal of Liaoning Shihua University,2020,40(5):33-38.

[4]毛翠驥，余雄江，徐進(jìn)良，等.耦合熔融鹽儲(chǔ)熱的火電機(jī)組靈活調(diào)峰系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].熱力發(fā)電，2023,52(2):10-22.MAO C J,YU X J,XU J L,et al.Research progress on key technologies of flexible peak shaving system of thermal power unit coupled with molten salt heat storage[J].Thermal Power Generation,2023,52(2):10-22.

[5]國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局.“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案[EB/OL].(2022-1-29)[2023-12-30].http：//zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310523208.htm.National Development and Reform Commission,National Energy Administration.Implementation plan for the development of new energy storage in the"14th Five-Year Plan"[EB/OL].(2022-1-29)[2023-12-30].http：//zfxxgk.nea.gov.cn/2022-01/29/c_1310523208.htm.

[6]鄭瓊，江麗霞，徐玉杰，等.碳達(dá)峰、碳中和背景下儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展建議[J].中國(guó)科學(xué)院院刊，2022,37(4):529-540.ZHENG Q,JIANG L X,XU Y J,et al.Research progress and development suggestions of energy storage technology under background of carbon peak and carbon neutrality[J].Bulletin of Chinese Academy of Sciences,2022,37(4):529-540.

[7]Innovation outlook:Thermal energy storage[R].International Renewable Energy Agency,2020.

[8]陳海生，李泓，徐玉杰，等.2022年中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2023,12(5):1516-1552.CHEN H S,LI H,XU Y J,et al.Research progress on energy storage technologies of China in 2022[J].Energy Storage Science and Technology,2023,12(5):1516-1552.

[9]姜竹，鄒博楊，叢琳，等.儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2022,11(9):2746-2771.JIANG Z,ZOU B Y,CONG L,et al.Research progress and prospect of energy storage technology[J].Energy Storage Science and Technology,2022,11(9):2746-2771.

[10]李磊，王昆彥，王育喬.陽(yáng)離子取代對(duì)尖晶石型硫化物儲(chǔ)能性能的影響[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2022,35(6):59-65.LI L,WANG K Y,WANG Y Q.Effect of cation substitution on energy storage performance of spinel sulfides[J].Journal of Petrochemical Universities,2022,35(6):59-65.

[11]曾光，紀(jì)陽(yáng)，符津銘，等.儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀、熱點(diǎn)趨勢(shì)與應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2023,43(S1):127-142.ZENG G,JI Y,FU J M,et al.Research status,hot trends and application progress of thermal energy storage technology[J].Proceedings of the CSEE,2023,43(S1):127-142.

[12]李拴魁，林原，潘鋒.熱能存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)化技術(shù)進(jìn)展與展望[J]儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2022,11(5):1551-1562.LI S K,LIN Y,PAN F.Research progress in thermal energy storage and conversion technology[J].Energy Storage Science and Technology,2022,11(5):1551-1562.

[13]周玥，周子健，曹田田，等.基于光熱發(fā)電的熱化學(xué)儲(chǔ)熱體系研究現(xiàn)狀與展望[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2022,53(12):4818-4832.ZHOU Y,ZHOU Z J,CAO T T,et al.Research progress and prospects in thermochemical heat storage systems for solar thermal power generation[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2022,53(12):4818-4832.

[14]袁振國(guó).熔鹽儲(chǔ)能供蒸汽技術(shù)的應(yīng)用前景分析[J].能源與節(jié)能，2022,(3):116-119.YUAN Z G.Application prospect of molten salt energy storage technology for steam supply[J].Energy and Energy Conservation,2022,(3):116-119.

[15]林俊光，仇秋玲，羅海華，等.熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].上海電氣技術(shù)，2021,14(2):70-73.LIN J G,QIU Q L,LUO H H,et al.Application status of molten salt heat storage technology[J].Jouranl of Shanghai Electric Technology,2021,14(2):70-73.

[16]趙倩，王俊勃，宋宇寬，等.熔融鹽高儲(chǔ)熱材料的研究進(jìn)展[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2014,46(11):5-8.ZHAO Q,WANG J B,SONG Y K,et al.Research progress in high heat storage material of molten salt[J].Inorganic Chemicals Industry,2014,46(11):5-8.

[17]孟凡星.碳酸鹽熔鹽儲(chǔ)熱材料熱物性模擬研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2021.MENG F X.Simulation of the thermophysical properties of carbonate molten salts for thermal energy storage[D].Beijing:North China Electric Power University,2021.

[18]羅婧.光熱電站中316L不銹鋼在碳酸熔鹽中的腐蝕及FeAl防護(hù)涂層研究[D].安徽合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2022.LUO J.Studies on molten carbonate salt corrosion of SS316L and FeAl coating in concentrated solar power plants[D].Hefei,Anhui:University of Science and Technology of China,2022.

[19]WU Y T,REN N,WANG T,et al.Experimental study on optimized composition of mixed carbonate salt for sensible heat storage in solar thermal power plant[J].Solar Energy,2011,85(9):1957-1966.

[20]LUO J,DENG C K,TARIQ N U H,et al.Corrosion behavior of SS316L in ternary Li2CO3-Na2CO3-K2CO3 eutectic mixture salt for concentrated solar power plants[J].Solar Energy Materials and Solar Cells,2020,217:110679.

[21]楊薛明，陶嘉偉，孟凡星，等.Li2CO3/Na2CO3/K2CO3及其混合熔融鹽儲(chǔ)熱材料熱物性分子動(dòng)力學(xué)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2023,44(5):48-58.YANG X M,TAO J W,MENG F X,et al.Molecular dynamics study of thermophysical properties of Li2CO3/Na2CO3/K2CO3 and their mixed molten salt for heat storage[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2023,44(5):48-58.

[22]崔吉祥.氯化熔融鹽蓄熱材料熱物性模擬研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2021.CUI J X.Simulation of the thermophysical properties of molten chloride salts for thermal energy storage[D].Beijing:North China Electric Power University,2021.

[23]丁文進(jìn)，Thomas B.下一代太陽(yáng)能光熱電站中熔融氯鹽技術(shù)研發(fā)進(jìn)展[J].Engineering,2021,7(3):334-347.DING W J,THOMAS B.Progress in research and development of molten chlorine salts for next generation concentrated solar power plants[J].Engineering,2021,7(3):334-347.

[24]孫李平.太陽(yáng)能高溫熔鹽優(yōu)選及腐蝕特性實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2007.SUN L P.Experimental research on solar energy high temperature molten salt optimization and its corrosion property[D].Beijing:Beijing University of Technology,2007.

[25]WEI X L,SONG M,WANG W L,et al.Design and thermal properties of a novel ternary chloride eutectics for hightemperature solar energy storage[J].Applied Energy,2015,156:306-310.

[26]LI P W,MOLINA E,WANG K,et al.Thermal and transport properties of NaCl-KCl-ZnCl2 eutectic salts for new generation high-temperture heat-transfer fluids[J].Journal of Solar Energy Engineering,2016,138(5):054501.

[27]伍艷萍.耐磨合金在高溫氟化物熔鹽中的腐蝕行為研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2022.WU Y P.Study on corrosion behavior of wear-resistant alloy in high temperature fluoride molten salt[D].Beijing:University of Chinese Academy of Sciences,2022.

[28]鄒露璐，吳玉庭，馬重芳.低熔點(diǎn)四元混合硝酸鹽的開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2020,41(5):27-32.ZOU L L,WU Y T,MA C F.Experimental study of low melting point mixed nitrates[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2020,41(5):27-32.

[29]王軍濤，徐芳，韓海軍.三元體系NaNO3-KNO3-Ca(NO3)2相圖預(yù)測(cè)及其熱力學(xué)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2016,37(5):1262-1269.WANG J T,XU F,HAN H J.Phase diagram prediction and thermodynamic properties of the ternary system NaNO3-KNO3-Ca(NO3)2[J].Acta Energiae Solargis Sinica,2016,37(5):1262-1269.

[30]國(guó)家能源局.關(guān)于建設(shè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知[2016]223號(hào)[A/OL].(2016-09-13)[2023-12-30].http：//zfxxgk.nea.gov.cn/auto87/201609/t20160914_2298.htm.National Energy Administration.Notice on construction of solar thermal power generation demonstration project[2016]No.223[A/OL].(2016-09-13)[2023-12-30].http：//zfxxgk.nea.gov.cn/auto87/201609/t20160914_2298.htm.

[31]觀研報(bào)告網(wǎng).新增光熱項(xiàng)目及政策扶持力度加碼我國(guó)光熱發(fā)電行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模已超百億[EB/OL].(2023-06-9)[2023-12-30].https：//www.chinabaogao.com/market/202306/636746.html.Insight and Info.New solar thermal projects and policy support increased,the market size of China's solar thermal power generation industry has exceeded 10 billion[EB/OL].(2023-06-9)[2023-12-30].https：//www.chinabaogao.com/market/202306/636746.html.

[32]左芳菲，韓偉，姚明宇.熔鹽儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].熱力發(fā)電，2023,52(2):1-9.ZUO F F,HAN W,YAO M Y.Application status and development trend of molten salt energy storage in novel power systems[J].Thermal Power Generation,2023,52(2):1-9.

[33]余抒陽(yáng).太陽(yáng)能單罐熔鹽儲(chǔ)熱特性數(shù)值模擬研究[D].吉林省吉林市：東北電力大學(xué)，2020.YU S Y.Numerical simulation and study on heat storage characteristics of molten-salt based single-tank solar energy thermal energy storage system[D].Jilin,Jilin Province:Northeast Electric Power University,2020.

[34]張墨耕，韓兆輝，顧鵬程，等.塔式光熱技術(shù)在綜合能源系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].新疆石油天然氣，2022,18(2):71-77.ZHANG M G,HAN Z H,GU P C,et al.Application of tower photothermal technology in integrated energy system[J].Xinjiang Oil&Gas,2022,18(2):71-77.