关键词：光热电站；熔盐特点；原理；储热技术
1 熔盐的特点及熔盐储热技术原理
熔盐通常指在某一温度下融化成液态的无机盐类物质，也称作熔盐，是一种无水的高温溶剂，由阴阳离子组成的离子融体。熔盐的特点主要有:熔盐是离子熔体,液体状的熔盐体导电性能较好，包括有阴离子和阳离子。熔盐的种类包括硝酸盐、碳酸盐及其混合物，氯化物、氟化物，其中硝酸盐作为熔盐的一种,在太阳能光热电站中通常为二元盐应用的最为广泛。
熔盐是一种很好的高温相变材料，有很强的蓄热能力，在太阳能发电方面，是目前使用最多、技术比较成熟的储热介质，其特点主要表现：⑴有相当的相变温度和潜热；⑵导热系数、密度、比热大，使熔盐具有较高的蓄热密度，蓄热能力更强，结构更加紧凑；⑶融化一致，对于混合盐尤为重要；⑷由于熔盐作为传热介质要盛放在一个刚性容器内，所以其相变无体积变化或变化很小；⑸单一熔融盐有较低的蒸汽压，而混合盐的蒸汽压更低；⑹离子溶体，由阴阳离子构成，导电性好；⑺使用温度范围广，温度在573～1273K之间时具有良好的稳定性；⑻低粘度，高温情况下良好的流动性能够降低阻力，减少能量的消耗；⑼化学性质稳定，价格低廉。
综上性质可知，熔盐具有很好的传热、传质及蓄热能力。熔盐储热技术的基本原理是光照充足的条件下，通过换热器太阳能直接与低温熔盐换热，或高温传热流体导热油等介质与低温熔盐换热，以及风能、光伏等超负荷或发电参数不符合并网运行时产生的电能加热熔盐，使其转换为高温熔盐的内能，放到特定容器内储存起来。当外界需要时，用熔盐泵将熔盐抽出，经过换热设备，导热油或水与高温熔盐进行换热，以产生过热蒸汽带动汽轮机进行发电，实现由太阳能/电能—内能—电能的转换，把太阳能或不稳定的电能转换成稳定的电能。通过熔盐储热技术，太阳能光热电站可实现24小时连续发电，并对能量的储存、电网调峰较为友善。
2 熔盐传热储热的方式
作为新型的储热蓄能，熔盐储能技术是目前国际上最为主流的高温蓄热技术之一，具有成本低、热容高、安全性好等优点，已在美国、摩洛哥、南非、西班牙、中国等多个国家的太阳能光热发电中得到了实际应用。常用的高温蓄热材料可分为显热式、潜热式和混合式。（1）显热储能主要是通过某种材料温度的上升或下降而储存热能，是目前技术最成熟、材料来源最丰富、成本最低廉的一种蓄热方式。（2）潜热储能主要是通过蓄热材料发生相变时吸收或放出热量来实现能量的储存，包括熔盐相变储能、熔盐+无机材料复合相变储能等。潜热式高温蓄热材料虽然存在着高温腐蚀、价格较高等问题，但其蓄热密度高，蓄热装置结构紧凑，吸热-放热过程近似等温，易于运行控制和管理。高温熔盐作为潜热蓄热相变材料的一种，同时又能形成离子液体，具有许多低温蓄热材料所没有的特点，因而引起人们极大的关注。（3）混合储能就是将显热储能、潜热储能等方式结合起来，以取得最好的经济性。混合储能包括相变储能+斜温层储能、相变储能+混凝土储能等。
3 熔盐传热储热系统
3.1 塔式熔盐传热储热系统
塔式光热电站吸热器、储热系统都采用熔盐作为工质已成为主流，系统流程示意图1所示。储热时：定日镜将太阳辐射反射至吸热器，低温熔盐(约290℃)吸热后存储于高温熔盐储罐内(约550℃)。冷盐流量通过变频低温盐泵控制，根据模拟量控制系统指令调节进入熔盐吸热器熔盐流量，将低温熔盐加热至额定温度高温熔盐，送至高温储罐保存。放热时：启动热盐泵，高温熔盐从热罐进入熔盐蒸汽发生系统，对水加热后进入冷罐。利用变频泵控制热盐流量，以满足熔盐蒸汽发生系统蒸汽出口参数要求。
3.2 槽式熔盐传热储热系统
槽式光热电站传热介质通常采用导热油，储热系统采用熔盐工质，系统流程示意图如图2所示。与塔式熔盐传热储热电站不同之处在于：①镜场采用抛物线槽式集热器，而非定日镜、吸热塔与吸热器组成；②槽式光热电站热力参数，通常低于塔式光热电站，如高温熔盐仅需达到约390℃。
4 熔盐传热储热的技术手段
太阳能光热电站目前主要有塔式（可细分为熔盐式、DSG直接蒸汽式）、槽式、线性菲涅耳式、蝶式等几种形式，可实现熔盐传热储热的技术手段主要有塔式、槽式和线性菲涅耳式等。首先熔盐塔式发电配备适当容量的熔盐储罐情况下可持续24小时发电，可调峰调度，可完全取代传统的煤、石油等能源，无需天然气等其他辅助能源。塔式光热发电站中的吸热器是将太阳能转化为热能的核心部件，采用熔盐作为传热介质，效率高、功率大、易于大容量蓄热，可实现连续、稳定大规模发电。该类型的发电站是未来最适宜商业化的太阳能热发电系统，但连续工作在非稳态的高温环境下，而且高温时熔盐工质具有一定腐蚀性，这就使得吸热器很容易发生故障，其中最常见的故障就是过热。吸热器发生过热将导致结构破坏、熔盐换热工质劣化等后果，直接影响电站的正常运行。DSG直接蒸汽塔式发电一般不能储热，仍然需要一些辅助的能源，传热不稳定，还面临高压、高应力的问题。槽式发电是两次换热，首先是导热油和熔盐，第二是导热油和水，它是当前世界上商界化运作最为成熟的一种发电模式，亦有极少数直接采用熔盐作为传热、储热介质的案例。表1对熔盐储热塔式、直接蒸汽塔式及传统槽式技术进行了对比:
2、导热油作为传热介质的局限性，导热油本身有毒性，对环境不友好，防凝系统需要天然气或燃油，较低温度导致较低的蒸汽质量；
3、技术比较成熟，但发电成本要高出塔式不少。
一方面，由于储热同储热介质的温差是成正比的，以导热油作介质，一般的槽式电站可实现390摄氏度左右的温度，而塔式电站可实现温度为560摄氏度，按此计算温差，储热量相同情况下，槽式电站需要3倍以上的熔盐才能达到同样的储热小时数，这将导致成本上升很多。
另外，在气候寒冷的高海拔地区，100MW的槽式电站需要超过100公里长的集热管，这些集热管长期暴露于寒冷的环境中，无法保温，集热管里的导热油在晚上无法抽出，这时就变成了巨大的散热场。运营方面，槽式电站在晚间为了保温，需要辅助天然气或燃油，其能耗占其白天收集能量的比例可达30%以上。
而对于熔盐塔式，100MW的熔盐塔式电站仅仅需要600米的管道，所有的熔盐管道都加了较厚的保温层并位于建筑结构内，管道里的熔盐在晚上流回保温能力强的熔盐罐内，无需天然气或其他辅助燃料提供热源进行保温。
塔式熔盐技术的优点明显，但技术难度较大，主要体现定日镜与吸热器的耦合、熔盐的控制等方面，如何防止熔盐的凝固，熔盐传输管道万一发生熔盐凝固，对整个系统将造成巨大损失。随着塔式熔盐技术的不断成熟，国内外业内目前普遍看好该技术的市场前景，这已成为光热发电未来发展的主流方向之一。
5 熔盐在光热电站中的应用
作为光热电站的系统需要，熔盐储热是当前光热电站储能最广泛的技术形式。硝酸盐作为光热电站储热比较适合的熔盐种类，具有很大的优势。太阳能作为可再生能源，可谓取之不尽用之不竭。但由于太阳能仅在白天时出现，在夜晚时没有太阳光照射，无法进行太阳能利用。为了解决这个问题，太阳能电站采用熔盐储热，将白天产生的热量进行储存，在夜晚太阳光消失后，通过储能装置将太阳能热量释放出来。
在太阳能光热电站技术初期，是直接利用太阳能将水加热为过热蒸汽，再利用过热蒸汽推动蒸汽轮机做功，带动汽轮发电机运行的过程。经过摸索后，部分电站采用导热油作为传热的中间介质，导热油的缺点是蒸汽温度只能达到385℃左右，同时导热油价格较高，投资和运行成本均较高。
通过采用熔盐来传热储热可以将蒸汽温度升高至560℃左右，可以极大地提高整个系统的运行效率，同时提高能源转化效率。近年国内外使用较多的是二元硝酸盐。从整个系统的能源利用效率角度来看，通过采用高温硝酸盐熔盐发电，可以使得光热电站汽轮机的效率提高至大于40%。从储热的角度来看，可以提高储热效果，储热效率可以得到2.5倍左右的提高。熔盐作为一种储热介质，存在热熔盐储罐中时，可以提高储热效率，通常要求每天温降不超过1℃左右。
6 结语
由于环境问题的逐渐加重，光热电站作为一种太阳能发电技术，在国内外已开始逐步推广使用。由于太阳能热发电的系统特点，需要储热技术对热发电的系统应用进行支撑，储热技术成为光热电站领域必不可少的技术。
参考文献：
[1]吴玉庭，任楠，马重芳．熔融盐显热蓄热技术的研究与应用进展[J]．储能科学与技术，2013，2(6)．
论文作者:赵建亮
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年11期
论文发表时间:2019/12/2
标签：光热论文; 蓄热论文; 电站论文; 技术论文; 高温论文; 太阳能论文; 蒸汽论文; 《当代电力文化》2019年11期论文;