浅谈太阳能热发电系统的储热介质应用现况

【摘要】本文综述了太阳能发电中储热介质的分类及优缺点，最后对储热介质的发展进行了展望。

【关键词】太阳能发电；传热蓄热介质；熔盐

一、前言

集中太阳能（CSP）热发电是一种新兴的可持续发电技术。阳光集中加热传热流体（HTF），然后泵送到热交换器产生蒸汽驱动汽轮机发电。HTF是CSP系统整体性能和效率最重要的组件之一。因此，研究太阳能高温传蓄热介质是开发利用太阳能的必然趋势。

二、储热介质的分类及特性

选择合适的储热介质不仅可以提高太阳能发电系统的转化效率，还可以降低整个发电系统的安全系数。目前的太阳能的储热介质主要有水/水蒸气、导热油、液态金属、熔盐，其特性如下。

（一）水和水蒸气

水和水蒸气是一种廉价、使用方便的传热介质。太阳能发电系统直接加热水产生过热蒸汽，然后驱动蒸汽轮机发电，从而省去中间的换热步骤。但是使用水/蒸汽作为传热介质的最大问题是水的沸点及最大工作温度比较低。太阳能发电系统的工作温度越高，水蒸气的压力就越大，增加管道厚度才能解决上述问题。但是增加管壁厚度会导致输送管路变长，即增加了成本，同时降低了传热效率。另外，它的温度只能达到300℃左右从而大幅度降低了太阳能发电系统的发电效率。

（二）导热油

导热油可作为传热和蓄热介质，是早期小容量槽式热发电站储热系统的主要传储热介质。导热油的稳定性比较好，在常压下，具有较高温度上限，降低了高温加热系统的操作压力、提高设备与系统的可靠性；具有较低的凝固点，可以在更宽的温度范围内满足工艺需求。但是在400℃以上不适合使用导热油，因为300℃以上就开始出现积碳现象，需定期更换，否侧会出现阻塞管道。另外高温下导热油的空气氧化性很强，在事故发生时容易引起火灾，极易出现导热油的泄漏而污染环境的现象。最主要的问题是导热油被加热后容易变质，由于传储热介质需要循环利用，所以导热油并是太阳能热发电系统中储热介质的理想选择。

（三）液态金属

液态金属是高温传热蓄热较为理想的介质。它的传热储热能力较好、热导率与溶解热极高、工作温度范围宽、流动性好、蒸气压低，但是它膨胀系数高、价格昂贵、易燃、易泄露、腐蚀性强。

（四）熔盐

熔融盐已被广泛用作传热储热介质。它的使用温度范围宽广且工作温度高（一般在100℃到1000℃）、化学稳定性好、蒸气压低（尤其混合盐的状态下更低）、溶解能力强、粘度低和价格低廉，同时不会因泄露造成严重的安全事故，所以熔融盐是太阳能发电系统中具有使用价值的传储热介质。

三、熔盐的特性与分类

综上所述，熔盐无疑成为了太阳能热发电中最有使用价值的传储热的介质。下文对熔盐的特性、分类、优缺点及存在的问题进行了阐述。

（一）熔融盐的特异性

熔盐中一般只含离子键，键能较强、熔点较高，因此一般应用于传储热介质的熔盐为多组分的混合盐。研究发展结果表明，熔融盐具有使用温度高、比热容高、对流传热系数高、粘度低、饱和蒸汽压低、成本低、热稳定性好，兼具传热储热能力的优点，是太阳能光热发电理想的传储热介质。

（二）熔融盐的分类及优缺点

在实际工程储能应用中，需要成百吨甚至更多的融盐，所以为了考虑成本，本文只介绍一些价格低廉且性能优异的传储热用盐。

1.硝酸盐

硝酸盐最大优点是熔点低、价格低廉和腐蚀性小，但是硝酸盐溶解热较小，大部分在20～30Kcal/kg之间，且热导率一般在：0.7Kcal/（m.h.℃）左右，因此在使用时容易产生局部过热。另外，硝酸熔盐由于其高温分解限制了其使用温度，所以如何提高其使用温度也是限制硝酸熔盐广泛应用的一个问题。

2.碳酸盐

碳酸盐具有价格较低、密度大、相变潜热高、腐蚀性小、比热和密度高等优点，具有良好的传热和储热能力，能满足CSP高温传热储热的要求。碳酸盐使用温度高于硝酸盐，可以提高储热体系效率，特别在400℃～850℃的中高温温度段，碳酸盐具有很大的优势。但是碳酸盐的熔点高、粘度大、易分解等特点限制了碳酸盐的发展。

3.氯化盐

氯化盐具有种类多、使用温度范围最广、价格低廉相变潜热较大、液态粘度小和热稳定性良好等优点，并且可以按照不同需求制备成不同溶点的混合盐。其缺点是腐烛性较强，安全使用温度较难确定。

4.氟化盐

氟化盐具有粘度小、潜热大、腐蚀性小、与金属容器的相容性和热迁移性较好等优点，属于典型的高温相变储热材料。但是也有三个致命的缺点，一是氟化物热导率较其他熔融盐要低；二是氟化物在液固两相转变时体积收缩严重，易出现“热松脱”及“热斑”现象；三是价格高。

（三）熔盐所存在的问题

（1）熔融盐的高温分解问题。无机盐在温度过高时会产生离子的分解，熔盐的分解使得熔盐结构与组成的变化，进而导致其热物理性质发生变化，这将极大地影响熔融盐的发电效率和工作安全。

（2）熔融盐对传储热管道回路腐蚀问题。有1.2节所介绍的太阳能热发电的原理可知，储热介质在传储热回路中一直处于流动状态，且储热介质在回路中需要不断地循环利用，这就要求储热系统的管道材料与熔融盐必须具有良好的相容性，一方面可以使用耐腐蚀的材料，但是必然将增加太阳能热发电系统的运行成本；另一方面，可以利用熔融盐良好的溶解性能，在熔盐中加入适当的添加剂，用于减缓管道材料的腐蚀。储热熔盐的腐蚀问题是储热熔盐能否广泛应用的关键，所以研究和开发高温耐腐蚀材料，寻找熔盐腐蚀的机理，一直是太阳能储热熔盐领域的重要课题之一。

（3）由于此类混合盐在高温下呈液态，在常温状态下呈固态，这就要求传储热器必须一直处于保温状态，这将增加系统的预热及伴热电耗。

四、对储热介质发展的展望

综上所述，熔盐有望成为下一代太阳能热发电唯一的传储热介质。提高工作温度有利于提高CSP的发电效率，硝酸由于分解温度低、全球硝酸盐储量和产能有限，其推广使用存在诸多困难。从现存的文献可以看出，一般不会使用单独的一种熔盐作为相变储热材料，通常应用于太阳能热发电系统中的储热熔盐均为二元盐或三元盐，因此可以预测，如果解决了相关技术瓶颈，碳酸盐、氯盐、氟盐等有望成为下一代CSP的传储热介质。

参考文献

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[3]贾宝玲.储热用熔融硝酸盐对几种炭素材料的腐蚀行为研究[D].兰州：兰州理工大学，2013.

[4]孙华，苏兴治，张鹏，王建强.聚焦太阳能热发电用熔盐腐蚀研究现状与展望[J].腐蚀科学与防护技术，2017，29（03）：282～290.

[5]孫华，苏兴治，张鹏，王建强.聚焦太阳能热发电用熔盐腐蚀研究现状与展望[J].腐蚀科学与防护技术，2017，29（03）：282～290.

作者简介：胡永康（1993.07—），男，汉族，本科，河南商丘人，青海大学机械工程学院15材科一班。