中國作為最大的發(fā)展中國家，面臨著巨大的能源壓力。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，到2020年我國石油需求量將達(dá)到4.3億t，石油將60%依賴進(jìn)口，能源需求總量將達(dá)到31億t標(biāo)準(zhǔn)煤。隨著傳統(tǒng)化石能源的日益減少，開發(fā)新能源尤其是太陽能成為大勢(shì)所趨。經(jīng)過近20年的技術(shù)研發(fā)和積累，我國的低溫太陽能熱水技術(shù)已經(jīng)十分成熟，太陽能熱水器已經(jīng)進(jìn)入千家萬戶。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)也得到了大范圍的商業(yè)化應(yīng)用。然而，作為未來重要的基礎(chǔ)電力能源之一的中高溫太陽能光熱發(fā)電技術(shù)，其應(yīng)用水平卻落后歐美國家很多，目前我國光熱發(fā)電總裝機(jī)容量在世界上的市場(chǎng)份額占比還不到1%，處于剛起步的階段，蘊(yùn)藏著巨大的市場(chǎng)商機(jī)。

太陽能光熱發(fā)電離不開儲(chǔ)熱，儲(chǔ)熱作為其核心子系統(tǒng)之一，其建設(shè)成本占比高達(dá)20%~25%，可以說太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的成敗決定于儲(chǔ)熱子系統(tǒng)的成敗，因此儲(chǔ)熱技術(shù)一直是太陽能光熱發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1儲(chǔ)熱技術(shù)分類

1.1顯熱儲(chǔ)熱

顯熱儲(chǔ)熱是利用材料自身的比熱容來儲(chǔ)存/釋放熱能，工程上應(yīng)用的一般有液體顯熱儲(chǔ)熱和固體顯熱儲(chǔ)熱，屬于非相變儲(chǔ)熱；如水儲(chǔ)熱，導(dǎo)熱油儲(chǔ)熱，石英砂和高溫混凝土儲(chǔ)熱等。

1.2潛熱儲(chǔ)熱

潛熱儲(chǔ)熱即相變儲(chǔ)熱，主要是通過儲(chǔ)熱材料發(fā)生相變時(shí)吸熱或放熱來實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存與釋放，如水-水蒸汽儲(chǔ)熱，熔鹽儲(chǔ)熱等。具有儲(chǔ)熱密度大，相變過程中接近恒溫，儲(chǔ)熱系統(tǒng)尺寸較小等特點(diǎn)。

目前相變類儲(chǔ)熱材料主要有：有機(jī)類、熔融鹽類、合金類及復(fù)合類等。熔融鹽類相變材料一般由堿金屬的氟化物、氯化物、硝酸鹽、碳酸鹽等組成，可以是單組分、雙組分或多組分的混合物，一般應(yīng)用于中高溫領(lǐng)域。納米復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料技術(shù)是近年來才開始出現(xiàn)工程應(yīng)用的新型相變儲(chǔ)熱技術(shù)，納米顆粒具有比表面積大、界面相互作用強(qiáng)等特點(diǎn)，具有良好的熱學(xué)性能。將納米技術(shù)用于相變儲(chǔ)熱領(lǐng)域，制成復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料，可以延長(zhǎng)相變材料使用壽命、改善相變材料性能，拓寬其工作溫度區(qū)間。

目前，已研究的無機(jī)鹽高溫復(fù)合相變材料主要有5類：無機(jī)鹽/陶瓷基復(fù)合相變材料、無機(jī)鹽/金屬基復(fù)合相變材料、金屬/陶瓷基復(fù)合相變材料、金屬/金屬基復(fù)合相變材料、無機(jī)鹽/多孔石墨基復(fù)合相變材料。

金屬基復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料中，將金屬（或非金屬）納米級(jí)粉體添加到熔融鹽中，可以克服傳統(tǒng)相變儲(chǔ)熱材料熱導(dǎo)率低、過冷等缺點(diǎn)，得到導(dǎo)熱系數(shù)增大的新儲(chǔ)熱介質(zhì)。熔融鹽較均勻地分布在多孔質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)金屬基體中，熔融鹽在復(fù)合儲(chǔ)熱材料中達(dá)80%以上，金屬骨架把相變儲(chǔ)熱材料分成無數(shù)個(gè)微小的儲(chǔ)熱單元，當(dāng)溫度超過熔融鹽熔點(diǎn)時(shí)，熔融鹽熔化而吸收潛熱，因泡沫金屬孔的毛細(xì)管張力作用而不會(huì)流出。克服了潛熱儲(chǔ)熱液固兩相界面處傳熱效果差和顯熱儲(chǔ)熱儲(chǔ)熱量小等缺點(diǎn)。

1.3化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱

化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱是利用可逆化學(xué)反應(yīng)的熱能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)換來進(jìn)行儲(chǔ)熱，具有儲(chǔ)熱密度高、儲(chǔ)熱時(shí)間長(zhǎng)、可以遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。盡管化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱的技術(shù)不成熟，但利用太陽能熱化學(xué)反應(yīng)循環(huán)制氫是一種間接儲(chǔ)熱技術(shù)，這方面的應(yīng)用發(fā)展很快。太陽能熱化學(xué)反應(yīng)循環(huán)制氫技術(shù)就是利用太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)提供的高溫環(huán)境與熱化學(xué)反應(yīng)裝置聯(lián)合，采用金屬氧化物作中間物，輸入系統(tǒng)的原料是水，產(chǎn)物是氫和氧，不產(chǎn)生CO和CO2，效率可以達(dá)到30%，是很有潛力的制氫技術(shù)。

由于化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱方式技術(shù)復(fù)雜、一次性投資較大，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在大規(guī)模的應(yīng)用之前，還有許多問題需要解決。

2常見的太陽能儲(chǔ)熱技術(shù)

2.1固體顯熱儲(chǔ)熱

德國航天航空研究中心(DLR)研究開發(fā)出耐高溫混凝土和鑄造陶瓷等固體儲(chǔ)熱系統(tǒng)，由儲(chǔ)熱材料、高溫傳熱流體和嵌入固體材料的圓管式換熱管組成。在儲(chǔ)熱階段熱流體沿著換熱管流動(dòng)把高溫?zé)崮軅鬟f到儲(chǔ)熱材料中。在放熱階段，冷流體沿著相反方向流動(dòng)從儲(chǔ)熱材料中吸收熱能用來發(fā)電。在西班牙的阿爾梅里亞太陽能實(shí)驗(yàn)基地(PSA)的WESPE項(xiàng)目中，高溫混凝土和鑄造陶瓷儲(chǔ)熱最高溫度為400℃，儲(chǔ)熱能力為350kWh。每個(gè)儲(chǔ)熱換熱單元由36根單管組成，管外徑為25mm，內(nèi)徑為21mm，管間距為80mm。

混凝土儲(chǔ)熱裝置造價(jià)很低，配置靈活，操作簡(jiǎn)便。混凝土的主要原料是沙子和礫石，在沙漠地帶幾乎免費(fèi)就可獲取，在終年陽光明媚的地區(qū)，如我國新疆的塔克拉瑪干，內(nèi)蒙古的巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠，這種混凝土儲(chǔ)熱器非常值得開發(fā)推廣。

2.2液體顯熱儲(chǔ)熱

目前，比較常用的液體儲(chǔ)熱介質(zhì)包括各種熔鹽、礦物油、導(dǎo)熱油、液體金屬和水等。熔鹽具有較好的儲(chǔ)熱傳熱性能，工作溫度與高溫高壓的蒸汽輪機(jī)相匹配，在常壓下是液態(tài)，不易燃燒、沒有毒性，而且成本較低，更適合高溫太陽能光熱發(fā)電。現(xiàn)在應(yīng)用較廣的熔鹽主要有二元熔鹽和三元熔鹽。

熔鹽的缺點(diǎn)有高溫腐蝕以及低溫凝固等問題，相關(guān)管道閥門材料必須耐高溫、耐腐蝕，必須對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行保溫、預(yù)熱和伴熱等。

2.2.1單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)

1982年，美國能源部在加利福尼亞州建立的So1arOne塔式太陽能電站采用單罐間接式儲(chǔ)熱系統(tǒng)，儲(chǔ)熱流體為導(dǎo)熱油，溫度范圍為218~302℃，儲(chǔ)熱能力為182MWh。罐內(nèi)裝有6170t砂石和906m3的Caloria型導(dǎo)熱油。由于導(dǎo)熱油最高溫度的限制，發(fā)電循環(huán)的效率只有21%。

單罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)是指作為儲(chǔ)熱介質(zhì)的冷流體和熱流體都儲(chǔ)存在一個(gè)單罐中，在儲(chǔ)熱或放熱過程中，冷流體和熱流體會(huì)相互接觸，在接觸區(qū)域形成一個(gè)溫度斜溫層，斜溫層以上流體保持高溫，斜溫層以下的流體保持低溫。系統(tǒng)蓄放熱過程時(shí)冷流體在罐的底部被低溫泵抽出，經(jīng)過外部換熱器加熱后由罐的頂部進(jìn)入罐內(nèi)，或者熱流體在罐的頂部被高溫泵抽出，經(jīng)過外部換熱器冷卻后由罐的底部進(jìn)入罐內(nèi)。隨著換熱過程的進(jìn)行，斜溫層會(huì)上下移動(dòng)，抽出的流體能夠保持恒溫。為了縮短斜溫層的距離，防止冷熱流體對(duì)流混合，增加儲(chǔ)熱量，一般會(huì)在罐內(nèi)填充石英砂等材料來增加斜溫層效應(yīng)。單罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)比雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)節(jié)省投資約35%。

德國DLR正在研制一種單罐儲(chǔ)熱新方法，其原理為利用可活動(dòng)的機(jī)械壁面把一個(gè)罐分為兩部分，分別儲(chǔ)存高溫熔鹽和低溫熔鹽。在儲(chǔ)熱過程中高溫熔鹽進(jìn)入單罐的高溫部分，使得高溫熔鹽體積增加，推動(dòng)分隔壁面移動(dòng)，使低溫熔鹽流出儲(chǔ)熱罐，使得低溫熔鹽的體積減少，但整個(gè)儲(chǔ)熱單罐的熔鹽體積保持不變。由于采用了分隔界面使得冷熱熔鹽的熱損失比斜溫層單罐儲(chǔ)熱要少，其結(jié)構(gòu)和控制過程更加簡(jiǎn)單，估計(jì)不久的將來就能實(shí)際應(yīng)用。

東莞理工學(xué)院提出了一種新型熔融鹽高溫斜溫層混合儲(chǔ)熱系統(tǒng)，與現(xiàn)有儲(chǔ)熱系統(tǒng)相比，提高了單位體積的儲(chǔ)熱容量，簡(jiǎn)化了熔融鹽的注入和出料結(jié)構(gòu)，正在抓緊研究工程化應(yīng)用技術(shù)。

2.2.2雙罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)

雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)是指太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)包含兩個(gè)儲(chǔ)熱罐，一個(gè)高溫儲(chǔ)熱罐；另一個(gè)低溫儲(chǔ)熱罐。其按照儲(chǔ)熱方式可分為直接儲(chǔ)熱系統(tǒng)和間接儲(chǔ)熱系統(tǒng)。間接儲(chǔ)熱系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)和儲(chǔ)熱介質(zhì)采用不同的物質(zhì)，需要換熱裝置來傳遞熱量。間接儲(chǔ)熱系統(tǒng)常采用導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)，熔融鹽液作為儲(chǔ)熱介質(zhì)。傳熱介質(zhì)與儲(chǔ)熱介質(zhì)之間有油-鹽換熱器，工作溫度不能超過400℃。其缺點(diǎn)是傳熱介質(zhì)與儲(chǔ)熱介質(zhì)之間通過換熱器進(jìn)行換熱，帶來間接換熱損失。

直接儲(chǔ)熱系統(tǒng)中傳熱流體既作為傳熱介質(zhì)，又作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，不存在油－鹽換熱器，適用于400~500℃的高溫工況，從而使朗肯循環(huán)的發(fā)電效率達(dá)到40%。對(duì)于管道平面布置的槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)，需要使用伴熱的方法來防止熔融鹽液傳熱介質(zhì)的凍結(jié)。塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的管網(wǎng)絕大部分是豎直布置在塔內(nèi)，其工作溫度比槽式系統(tǒng)高，傳熱介質(zhì)容易排出，因此直接儲(chǔ)熱的雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)對(duì)塔式系統(tǒng)是比較好的選擇。

雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)中冷罐和熱罐分別單獨(dú)放置，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低，是目前比較常用的大規(guī)模太陽能光熱發(fā)電儲(chǔ)熱方法，但是雙罐系統(tǒng)需要較多的儲(chǔ)熱介質(zhì)和較高維護(hù)費(fèi)用。

2.2.3水－水蒸汽儲(chǔ)熱系統(tǒng)

在太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中，用水直接作為傳熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)，具有比熱容大、熱導(dǎo)率高、無毒、無腐蝕、易于儲(chǔ)運(yùn)等優(yōu)點(diǎn)。在系統(tǒng)中加入了蒸汽儲(chǔ)熱器可以把多余的水蒸汽變成體積熱容較大的水來儲(chǔ)存熱量，可以保持系統(tǒng)壓力在穩(wěn)定工作范圍之內(nèi)，具有較少的反應(yīng)時(shí)間、較高的放熱速率。

作為一種直接蒸汽儲(chǔ)熱發(fā)電系統(tǒng)，是最有希望減少成本的方法之一。但直接蒸汽儲(chǔ)熱發(fā)電系統(tǒng)存在高溫高壓?jiǎn)栴}，水蒸汽的臨界壓力為22.129MPa，臨界溫度為374.15℃，當(dāng)水的溫度高于臨界溫度時(shí)，過熱水蒸汽壓力特別高，對(duì)熱傳輸系統(tǒng)的耐壓性提出了非常高的要求。

３太陽能儲(chǔ)熱發(fā)展前景展望

按照目前我國太陽能發(fā)電建設(shè)布局，預(yù)計(jì)在10年內(nèi)可達(dá)到10GW的光熱發(fā)電總裝機(jī)規(guī)模。僅儲(chǔ)熱熔鹽這一方面，未來10年國內(nèi)市場(chǎng)需求將達(dá)到600億元人民幣。假設(shè)國內(nèi)光熱發(fā)電市場(chǎng)占世界光熱發(fā)電市場(chǎng)的裝機(jī)規(guī)模占比為1/10，則未來10年國外市場(chǎng)儲(chǔ)熱熔鹽需求總值將達(dá)到6000億元人民幣。

隨著傳統(tǒng)化石能源的減少和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，大力開發(fā)新能源尤其是太陽能，是解決能源和環(huán)境問題的最佳選擇，傳統(tǒng)化石能源經(jīng)濟(jì)將逐步讓位給太陽能。通過大規(guī)模儲(chǔ)熱應(yīng)用，可以改善太陽能的不連續(xù)、不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定供電。因此，持續(xù)研究開發(fā)可靠高效經(jīng)濟(jì)適用的太陽能儲(chǔ)熱技術(shù)，對(duì)于太陽能光熱發(fā)電的良性發(fā)展具有十分重要的意義。

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