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10月25日，由ESPLAZA長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能網(wǎng)、CHPLAZA清潔供熱平臺(tái)主辦，湖州工業(yè)控制技術(shù)研究院與浙江綠儲(chǔ)科技有限公司聯(lián)合主辦，內(nèi)蒙古梅捷新能源科技有限公司冠名贊助的2024第五屆中國(guó)儲(chǔ)熱大會(huì)在浙江湖州盛大召開(kāi)，北京大學(xué)講席教授楊榮貴出席會(huì)議，對(duì)高溫液體顯熱儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析。

圖：楊榮貴

一、研究背景

據(jù)楊榮貴介紹，雙碳戰(zhàn)略下，大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)深調(diào)峰、頂尖峰的重要手段，也是可再生能源大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。近年來(lái)，儲(chǔ)能裝機(jī)呈大幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，高溫?zé)醿?chǔ)能、壓縮空氣等新型長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，正在快速增長(zhǎng)。

二、各類熱儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比

▌高溫?zé)醿?chǔ)能

1、規(guī)模與靈活性優(yōu)勢(shì)

楊榮貴表示，高溫?zé)醿?chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲(chǔ)能，有功率高(GW)與儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)（＞4小時(shí)）的特點(diǎn)；高溫?zé)醿?chǔ)能不受地理與環(huán)境因素限制，相比其他長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)有靈活性和適用性優(yōu)勢(shì)。

2、成本優(yōu)勢(shì)

另外，高溫?zé)醿?chǔ)能具備投資成本低、度電成本低（光熱等熱發(fā)電系統(tǒng)中）的優(yōu)勢(shì)，其成本遠(yuǎn)低于電池等其他儲(chǔ)能技術(shù)。

3、規(guī)模化應(yīng)用

楊榮貴展示了高溫?zé)醿?chǔ)能在光熱電站、壓縮空氣儲(chǔ)能電站、火電站三個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模以及基本參數(shù)情況。

▌熱儲(chǔ)能技術(shù)分類

楊榮貴展示了不同種類儲(chǔ)熱材料的應(yīng)用溫區(qū)以及潛在的應(yīng)用場(chǎng)景，并表示任何一個(gè)技術(shù)只有在適配的應(yīng)用場(chǎng)景才能發(fā)揮最好的作用。

1、液體顯熱儲(chǔ)能技術(shù)

楊榮貴表示，液體顯熱儲(chǔ)能技術(shù)主要有流動(dòng)循環(huán)儲(chǔ)熱系統(tǒng)和靜態(tài)/模塊化儲(chǔ)熱系統(tǒng)，其主要傳熱機(jī)制、優(yōu)劣勢(shì)如下圖所示。

2、固體顯熱儲(chǔ)能技術(shù)

固體顯熱儲(chǔ)能技術(shù)主要有流化床儲(chǔ)熱系統(tǒng)、移動(dòng)床儲(chǔ)熱系統(tǒng)、固定床儲(chǔ)熱系統(tǒng)，其主要傳熱機(jī)制、優(yōu)劣勢(shì)如下圖所示。

3、潛熱儲(chǔ)能技術(shù)

潛熱儲(chǔ)能技術(shù)主要有膠囊儲(chǔ)熱系統(tǒng)、管殼式儲(chǔ)熱系統(tǒng)，其主要傳熱機(jī)制、優(yōu)劣勢(shì)如下圖所示。

4、熱化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

熱化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要有固-氣儲(chǔ)熱系統(tǒng)、液-氣儲(chǔ)熱系統(tǒng)，其主要傳熱機(jī)制、優(yōu)劣勢(shì)如下圖所示。

▌熱傳導(dǎo)與對(duì)流傳熱速率對(duì)比

楊榮貴表示，傳熱機(jī)制是決定熱儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)放熱性能的關(guān)鍵，真正把技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，傳熱速率問(wèn)題尤為重要。

假設(shè)存在同樣幾何尺寸和初始溫度的固體、靜態(tài)液體和流動(dòng)液體熔鹽作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，三種介質(zhì)熱物性均選用太陽(yáng)鹽的物性，設(shè)置介質(zhì)表面溫度突然升高300℃，通過(guò)數(shù)值模擬方法求解加熱不同時(shí)間后三種介質(zhì)的溫度分布如下。

結(jié)果顯示流動(dòng)液體熔鹽平均溫度上升最快，靜態(tài)液體次之，固體溫度上升最慢；傳熱速率由高至低依次為：強(qiáng)迫對(duì)流、自然對(duì)流、固體熱傳導(dǎo)。

另外，對(duì)比不同介質(zhì)的傳熱速率：選用相同假設(shè)，考慮不銹鋼介質(zhì)熱傳導(dǎo)（高熱導(dǎo)率固體，k≈20W/m?K）與水泥介質(zhì)熱傳導(dǎo)（中等熱導(dǎo)率固體，k≈2W/m?K）與此前三種情形進(jìn)行比較，得出結(jié)論如下：

流動(dòng)液體熔鹽強(qiáng)迫對(duì)流傳熱速率高于不銹鋼介質(zhì)；

靜態(tài)液體熔鹽自然對(duì)流的傳熱速率前期略慢于水泥介質(zhì)，而之后由于對(duì)流行為使得璧面處的流體與固體溫差保持一定數(shù)值，因此熔鹽自然對(duì)流傳熱速率在加熱后期將高于水泥介質(zhì)；

固體熔鹽熱傳導(dǎo)速率較慢，因?yàn)槠錈釋?dǎo)率較低，約k≈0.5W/m?K，但該數(shù)值仍等于或略高于多數(shù)相變儲(chǔ)熱材料的熱導(dǎo)率。

▌液體顯熱儲(chǔ)能技術(shù)

低熔點(diǎn)、高熱穩(wěn)定性、流動(dòng)性好（低粘度）、高熱導(dǎo)率、高比熱容、低腐蝕速率、低成本是液體顯熱儲(chǔ)熱介質(zhì)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

楊榮貴表示，熔鹽的眾多物性中，熱導(dǎo)率的測(cè)量較為復(fù)雜，此前不同文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)偏差較大；當(dāng)前楊榮貴及其團(tuán)隊(duì)研究提出了一個(gè)改進(jìn)的激光閃光測(cè)量方法以提升熔鹽在液態(tài)時(shí)的熱導(dǎo)率測(cè)量精度，優(yōu)化了相關(guān)液體容器設(shè)計(jì)，最小化相關(guān)測(cè)量誤差以及熱場(chǎng)中的不理想因素（存在對(duì)流、側(cè)壁導(dǎo)熱等）。

楊榮貴及其團(tuán)隊(duì)近期在研究顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)，他報(bào)告了團(tuán)隊(duì)在熔鹽和單質(zhì)硫兩種儲(chǔ)熱介質(zhì)的研究進(jìn)展與思考。

三、熔融鹽熱儲(chǔ)能技術(shù)

楊榮貴表示，硝酸基熔鹽具有粘度低、腐蝕速率不高、成本相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)，但其高溫易分解，儲(chǔ)熱溫度上限無(wú)法滿足超臨界火電機(jī)組的要求；氯基熔鹽高溫不分解，但熔點(diǎn)高（低熔點(diǎn)配方蒸氣壓高）且高溫腐蝕性極強(qiáng)。

▌高溫熔鹽研究現(xiàn)狀的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

楊榮貴就高溫熔鹽的研究現(xiàn)狀提出問(wèn)題：“為什么太陽(yáng)鹽的工作溫度上限是565℃，而Hitec鹽是450℃？”

他表示，硝基熔鹽在高溫下的穩(wěn)定性，主要與以下三個(gè)反應(yīng)相關(guān)：

(1)硝酸根(MNO3)與亞硝酸根(MNO2)的相互轉(zhuǎn)化（可逆反應(yīng)）；

(2)生成氧化物的反應(yīng)（M2O）（可逆反應(yīng)）；

(3)生成氮?dú)獾姆磻?yīng)（不可逆反應(yīng)）。

楊榮貴表示，抑制上述不可逆反應(yīng)至關(guān)重要。

當(dāng)溫度高于450℃時(shí)，太陽(yáng)鹽隨著溫度升高重量減小，而Hitec鹽重量先增加再減小，如下圖所示。

溫度高于450℃時(shí)，太陽(yáng)鹽（60NaNO3-40KNO3）開(kāi)始分解，最開(kāi)始的反應(yīng)如下，推測(cè)在565℃，會(huì)生成一小部分亞硝酸鹽。

相反，Hitec鹽中含有大量的亞硝酸根，在空氣氣氛中一開(kāi)始會(huì)先被氧化，產(chǎn)生增重現(xiàn)象。因此，Hitec鹽更適合在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下使用。

溫度高于565℃時(shí),推測(cè)兩種鹽會(huì)首先由于反應(yīng)平衡達(dá)到接近的組分,或者說(shuō)NO3-/NO2-近似相等。更高溫度下（620-680℃）會(huì)生成氧化物和氮?dú)?，均產(chǎn)生快速失重的現(xiàn)象。

另外，楊榮貴就高溫熔鹽的研究現(xiàn)狀提出挑戰(zhàn)：“如何控制硝基熔鹽的穩(wěn)定性？”

楊榮貴表示，除從機(jī)理上進(jìn)一步研究硝基熔鹽的三個(gè)反應(yīng)之外，還需要更先進(jìn)的測(cè)試方法，比如，服役工況下的測(cè)試（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）、反應(yīng)物的在線檢測(cè)方法（氣-液-固產(chǎn)物）；另外，需要通過(guò)配方設(shè)計(jì)（陽(yáng)離子、陰離子）、氣氛控制（氧分壓）等方法控制硝基熔鹽穩(wěn)定性。

▌熔鹽電加熱器

楊榮貴表示，熔鹽儲(chǔ)熱與新型電力系統(tǒng)深度耦合需要提升電加熱器電壓等級(jí)與功率水平。傳統(tǒng)電阻式加熱器是目前廣泛采用的電加熱器，但存在電壓等級(jí)低和成本高的問(wèn)題；傳統(tǒng)感應(yīng)式電加熱器則效率較低；傳統(tǒng)電極式加熱主要用于鹽浴爐，電壓等級(jí)也較低。新型高電壓、高功率熔鹽電加熱器的研究近些年十分活躍。

楊榮貴及其團(tuán)隊(duì)提出一種電極式熔鹽電加熱的原理與設(shè)計(jì)方法，搭建熔鹽電極式加熱試驗(yàn)系統(tǒng)，初步驗(yàn)證電極式加熱原理可行性以及理論預(yù)測(cè)結(jié)果的有效性。

在熔鹽流量0.05 m/s-0.21 m/s，電壓從200V-600V的范圍內(nèi)測(cè)試了電極式加熱器，測(cè)試結(jié)果符合理論計(jì)算。

▌熔鹽-蒸汽換熱器技術(shù)

楊榮貴表示，熔鹽-蒸汽換熱器是基于熱儲(chǔ)能的火電廠改造以及調(diào)峰電廠的核心裝備。蒸汽尤其是超臨界蒸汽在臨界點(diǎn)附近具有劇烈的物性參數(shù)變化，造成換熱器出現(xiàn)“夾點(diǎn)”，傳統(tǒng)換熱器設(shè)計(jì)方法在該情形下具有較大誤差，需要開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確的換熱器設(shè)計(jì)模型。

▌CFD仿真模型搭建

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的CFD模型可以準(zhǔn)確模擬換熱器中兩側(cè)流體的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)，目前已對(duì)管殼式換熱器以及繞管式換熱器中的核心區(qū)域完成模型建設(shè)與驗(yàn)證工作。不過(guò)，大規(guī)模換熱器的CFD仿真具有龐大的計(jì)算量，無(wú)法完成換熱器多參數(shù)優(yōu)化等工作。

▌分布式參數(shù)模型構(gòu)建

另外，楊榮貴及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)將求解域離散成多個(gè)能量平衡的計(jì)算單元來(lái)求解溫度分布，較CFD模型提升計(jì)算速度超過(guò)100倍。離散單元尺度由當(dāng)前溫度下工質(zhì)的熱物性梯度決定，同時(shí)保證計(jì)算效率與準(zhǔn)確度。當(dāng)前模型與25組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，平均誤差維持在±3%以內(nèi)，且較此前發(fā)表的分布式參數(shù)模型具有更高的計(jì)算效率與精度。

四、單質(zhì)硫熱儲(chǔ)能技術(shù)

楊榮貴展示了團(tuán)隊(duì)在新型高溫?zé)醿?chǔ)能介質(zhì)-單質(zhì)硫的一些工作。

楊榮貴表示，硫元素在地球上的儲(chǔ)量大，目前的工業(yè)單質(zhì)硫生產(chǎn)成本極低，約1000元/噸，只有商用硝酸基熔融鹽（太陽(yáng)鹽）的1/5。除此之外，單質(zhì)硫具有良好的高溫穩(wěn)定性，不存在高溫分解問(wèn)題。同時(shí)，單質(zhì)硫的熔點(diǎn)低（約114℃），比商用硝酸基熔鹽（太陽(yáng)鹽）低100℃左右。

他還指出，單質(zhì)硫儲(chǔ)熱也有一些瓶頸問(wèn)題：首先，單質(zhì)硫的高溫腐蝕性較強(qiáng)，對(duì)不銹鋼材料的年腐蝕速率高于硝酸基熔鹽；其次，液態(tài)單質(zhì)硫粘度偏高，工業(yè)純硫的峰值粘度大于100mPa·s，限制了其流動(dòng)與傳熱。

為此，楊榮貴及其團(tuán)隊(duì)對(duì)單質(zhì)硫的腐蝕與抗腐蝕機(jī)理進(jìn)行了一些研究。他們發(fā)現(xiàn)，封閉條件下400℃單質(zhì)硫?qū)S316不銹鋼材料的腐蝕速率超過(guò)100μm/年，不過(guò)腐蝕產(chǎn)物相對(duì)均勻，產(chǎn)物內(nèi)側(cè)的致密硫化鉻層有一定的抗腐蝕保護(hù)作用。

對(duì)此，他們進(jìn)一步探究合金中元素比例變化對(duì)于致密腐蝕產(chǎn)物鈍化效果的影響，并篩選得到適用單質(zhì)硫儲(chǔ)熱系統(tǒng)的高溫耐蝕合金。

另外，此前關(guān)于單質(zhì)硫粘度調(diào)控機(jī)理的研究表明：?jiǎn)钨|(zhì)硫分子在160-250℃左右的聚合行為導(dǎo)致其粘度急速上升，但長(zhǎng)鏈硫會(huì)在溫度進(jìn)一步升高或存在雜質(zhì)等條件下發(fā)生解聚，從而降低粘度。目前楊榮貴及其團(tuán)隊(duì)正在研究少量摻雜對(duì)單質(zhì)硫長(zhǎng)鏈分子產(chǎn)生解聚作用機(jī)制，以此開(kāi)發(fā)單質(zhì)硫粘度調(diào)控技術(shù)與低粘度摻雜硫儲(chǔ)熱材料體系。

楊榮貴表示，此前做過(guò)35kWh單質(zhì)硫儲(chǔ)熱-太陽(yáng)能集熱示范系統(tǒng)，綜合性能不錯(cuò)。他坦言，單質(zhì)硫熱儲(chǔ)能技術(shù)具備較好的發(fā)展前景，希望行業(yè)內(nèi)共同努力。

最后，楊榮貴表示，高溫?zé)醿?chǔ)能技術(shù)發(fā)電側(cè)和用電側(cè)均有應(yīng)用。未來(lái)，基于高溫?zé)醿?chǔ)能的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)有望成為新型電力系統(tǒng)的能源調(diào)度核心。