CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)訊：在現(xiàn)階段商業(yè)化塔式光熱電站中，往往采用雙罐儲(chǔ)熱技術(shù)——承擔(dān)儲(chǔ)熱功能的熔鹽被分別儲(chǔ)存在熱罐和冷罐中，但目前另一種有希望降低儲(chǔ)熱成本的技術(shù)正在被越來越多地研究，即——單罐溫躍層儲(chǔ)熱，該技術(shù)將熱儲(chǔ)和冷儲(chǔ)集中于一個(gè)罐中（溫躍層是指如海水等液體中溫暖的上層和較冷的下層之間的混合溫度區(qū)域）。
來自德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Karlsruher Institut für Technologie，簡稱KIT）的Klarissa Niedermeier便致力于通過研究該技術(shù)來降低光熱發(fā)電系統(tǒng)中的熱能儲(chǔ)存成本，此外更值得一提的是，與傳統(tǒng)熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)不同的是，KIT團(tuán)隊(duì)采用了工作范圍更寬的液態(tài)金屬作為傳儲(chǔ)熱介質(zhì)。
目前，Klarissa Niedermeier所在的KIT液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)室正在做一個(gè)首創(chuàng)的實(shí)驗(yàn)——即在KIT一個(gè)單罐溫躍層系統(tǒng)中使用液態(tài)金屬進(jìn)行傳熱和儲(chǔ)能。
與工作溫度介于290°C——565°C的熔鹽相比，液態(tài)金屬的工作溫度可以達(dá)到1000°C以上，而且熔點(diǎn)更低（約在150°C左右），工作溫度范圍更加寬泛（150°C—1000°C）。
圖：KIT液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)室溫躍層儲(chǔ)罐中的填充物
Klarissa Niedermeier表示：“液態(tài)金屬具有非常高的導(dǎo)熱系數(shù)，大約比熔鹽要高30-100倍（具體取決于采用何種金屬），這也是為什么液態(tài)鈉會(huì)被用于光熱發(fā)電吸熱器中作為吸熱介質(zhì)的原因，它們可以承受并收集由反射鏡反射到吸熱器的高溫?zé)崮?。同時(shí)，采用一個(gè)罐利用率更高，罐中不會(huì)有空閑的空間，所以耗費(fèi)材料也更少。而在雙罐系統(tǒng)中，你需要兩倍于實(shí)際需要的儲(chǔ)罐，因?yàn)楣拗锌倳?huì)有很大一部分空間沒有被利用。”
那么，在溫躍層熱儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用液態(tài)金屬面臨哪些挑戰(zhàn)呢？
雖然液態(tài)金屬是傳熱的理想材料，但其能量密度很低。它們的高導(dǎo)熱系數(shù)使其能有效地將熱量傳遞到罐內(nèi)的卵石狀填料上，但不利于冷熱相的分離。目前KIT研究小組正在尋找液態(tài)金屬和填料的最佳候選者，以便將熱量最有效地傳遞到填料中。
圖：KIT液態(tài)金屬實(shí)驗(yàn)室天然巖石、玻璃和陶瓷填料試驗(yàn)
在理想情況下，填充材料應(yīng)具有非常高的熱容和非常高的密度，如此材料內(nèi)部的原子便能更緊密地結(jié)合在一起，且在罐中也不會(huì)占據(jù)太多空間，同時(shí)密度越大的材料也能儲(chǔ)存更多的能量。
為了確定哪種填料最能承受高溫下的液態(tài)金屬，研究小組此前篩選了各種天然石材，如石英和過濾礫石、硼硅酸鹽和鈉鈣玻璃，以及氧化鋁、氧化鋯、硅酸鋯和滑石陶瓷等。
在500°C下浸泡數(shù)周后，研究人員用掃描電子顯微鏡（SEM）對各種測試材料進(jìn)行了損傷評估，發(fā)現(xiàn)陶瓷具有最佳性能，并最終選擇了一種彼此之間不易發(fā)生相互作用的硅酸鋯陶瓷。
對此Klarissa Niedermeier解釋：“在首次試驗(yàn)中，我們希望有一個(gè)只由一種已知性質(zhì)的填料組成的床。利用它我們可以驗(yàn)證我們的模擬，并用它做大量的科學(xué)工作，當(dāng)然也可能有更便宜的替代品?！?/p>
圖：單罐溫躍層儲(chǔ)存示意
對于單罐溫躍層儲(chǔ)能技術(shù)來說，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)最佳的冷熱分離。最初，研究小組只測試了液態(tài)金屬，沒有陶瓷填充物來驗(yàn)證他們的模擬數(shù)據(jù)。理想的液態(tài)金屬應(yīng)該是在冷熱溫躍層點(diǎn)產(chǎn)生最少混合溫度的金屬，即實(shí)現(xiàn)溫躍層儲(chǔ)存依賴于頂部的熱流體保持高溫，而底部的冷流體即使在一個(gè)罐中也會(huì)保持低溫。
因此，理想情況下需要的是一種并不那么容易混合并傳遞熱量的液態(tài)金屬。Klarissa Niedermeier表示：“理想的溫躍層是熱流體和冷流體相互緊貼著但卻不會(huì)發(fā)生相互作用，因此不會(huì)發(fā)生溫躍層退化。你必須盡量減少熱流體和冷流體之間的熱傳遞，以避免在它們之間形成一個(gè)很大的區(qū)域。在最壞的情況下，整個(gè)儲(chǔ)罐都將是一個(gè)大溫躍層。這就是我們?yōu)槭裁匆褂玫蛯?dǎo)電填充材料的原因，即在實(shí)現(xiàn)熱量儲(chǔ)存的同時(shí)盡量降低溫躍層的膨脹?！?/p>
在符合上述要求的前提下，鉛和鉍的合金鉛鉍共晶（LBE）在其熔點(diǎn)124℃以上的溫度下被證明優(yōu)于液態(tài)鈉可用于溫躍層儲(chǔ)存。
Klarissa Niedermeier表示：“LBE的測試效果比鈉要好一些，雖然它的導(dǎo)熱系數(shù)依舊很高，但它能更好地保持分層，便于我們更清楚地區(qū)分冷區(qū)和熱區(qū)?！?/p>
第一步，KIT團(tuán)隊(duì)在高達(dá)380°C的實(shí)驗(yàn)室測試液態(tài)金屬回路中測試了這個(gè)小規(guī)模系統(tǒng)。目前，他們正在開始下一輪測試——將填充材料入罐。第二步將是規(guī)模為100 kWh的中試系統(tǒng)，最高工作溫度為500°C，然后再提升至700°C。
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