储热材料在太阳能热发电领域中的应用与展望

腾新飞材中料的产北业“京十半二导五体”照发明展产规业划
储热材料在太阳能热发电领域中的 应用与展望
■ 文/常 春1，2 肖 澜2 王红梅2 蔡永香2 1.中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室，中国科学院电工研究所 2.北京新材料发展中心
太阳能是一种分布广泛、储量巨 大、取之不尽、用之不竭的清洁可再生 能源。据统计[1]，每年投射到我国陆地 表面的太阳能总量相当于 17 000亿ｔ 标准煤，是我国 2011年能源消费总量 的 488.5倍。在 全 球 资 源 与 环 境 问 题 日趋严峻的今天，开发和利用太阳能 是实现可持续发展、促进能源供应多 元化、保证能源安全的重要途径之一。 同绝大多数可再生能源一样，受地域 差异、季节变换、昼夜交替、沙尘云遮 等因素影响，到达地面的太阳能也存 在不连续的特点。
显热储热是利用储热材料的温度 变化进行热量的储存与释放，显热储 热的热量与储热材料的质量、比热容、 温度变化成正比。显热储热材料原料 丰富，成本较低，是目前技术最成熟且 已经取得商业化应用的储热材料。但 正是由于显热储热系统需要依靠材料 的温度变化进行能量储存，其充热、放 热都是变温过程，储热密度小，储热设 备体积庞大，还需要良好的保温，这在 一定程度上限制了显热储热系统的广 泛应用。
1.化学反应储热材料 化学反应储热是指利用某些化
合物在可逆化学反应过程中的吸热、 放 热 机 理，实 现 热 量 的 储 存。化 学 反 应储热的储能密度一般都高于显热 储 热 和 潜 热 储 热，而 且 通 过 催 化 剂 或产物分离方法极易实现长期的能 量 储 存，不 需 要 保 温，可 以 在 常 温 下 近 似 无 损 失 地 长 期 储 存，因 此，化 学 反应储热被国际上公认为具有广阔 应用前景的储热技术，其储热密度可 达 1000 ～ 3000M J / m〔3 国 际 能 源 署 (IEA)Ecostock 2006〕。
储热量/MWh
120 1010 1010 1010 1010 1010 1010 1010 375 375 100 740
图1 Archimede槽式太阳能热发电站储热系统
图2 Gemasolar塔式太阳能热发电站储热系统 新材料产业 NO.7 2012 13
腾新飞材中料的产北业“京十半二导五体”照发明展产规业划
一般来说，显热储热材料又分为 液态和固态 2类。 (1)液态显热储热材料
表 3列出了在太阳能热发电站中
14 Advanced Materials Industry
太阳能热发电
已经有过研究应用的液态显热储热材 料的性能及成本。
从表 3可以看到，矿物油的上限 温度是 300℃，超过该温度会发生分 解，这样就限制了太阳能热发电系统 的 整 体 工 作 温 度，导 致 效 率 难 以 提 高，所以矿物油并不适合高参数的太 阳能热发电系统。合成有机导热油与 硅氧烷基导热油的使用温度上限较 高，可以将太阳能热发电系统的工作 温度提高至接近 400℃，在目前的槽 式太阳能热发电系统中已经有较大 规模应用。但是这 2种导热油的价格 均 比 较 昂 贵，大 量 使 用 时 投 资 较 大， 很 难 将 电 价 成 本 降 低。此 外，这 2种 导热油在使用温度高于 400℃时会发 生快速分解，限制了太阳能热发电系 统向更高参数发展。液态钠等液态金 属虽然具有使用温度范围宽、导热系 数 高、储 热 成 本 低 等 优 点，但 化 学 性 质 过 于 活 泼，极 易 发 生 燃 烧 和 爆 炸， 安全性差，自从 20世纪 80年代I E A / S S P S钠工质塔式太阳能热发电站在 西班牙发生烧毁事件后，液态金属作 为传热储热工质在太阳能热发电站 中的研究应用进程就处于停滞状态。
很多，同时反应过程中氢气和氧气可 以自然分离，解决了热解水制氢技术 中氢气氧气难以分离的难点，安全性 高，中 间 物 不 发 生 消 耗，可 以 循 环 使 用。国内的西安交通大学已经在“973” 计划项目的支持下，开展了太阳能聚 热与生物质超临界水气化耦合制氢的 研究工作 ；中国科学院大连化学物理 研究所、中国科学院兰州化学物理研 究所也进行了光催化分解水制氢方面 的研究工作 ；中国科学院工程热物理 研究所也开展了太阳能甲醇分解制合 成气、太阳能甲醇重整制氢等关键过 程的千瓦级实验研究。 2.显热储热材料
注 ：KNO3-硝酸钾，NaNO3-硝酸钠，二者所占比例是指质量百分数。
工作温度/℃
下限
上限
240
307
293
393
293
393
293
393
293
393
293
393
293
393
293
393
293
393
293
393
290
550
288
565
储热装置
双罐直接 双罐间接 双罐间接 双罐间接 双罐间接 双罐间接 双罐间接 双罐间接 双罐间接 双罐间接 双罐直接 双罐直接
利用太阳能热化学反应制氢也 是一种间接储能的技术，利用太阳能 分解水和生物质制氢已经被I E A和美 国能源部（D O E）等国际能源机构确 定为重要研究方向。在太阳能电解水 制氢、太阳能光化学制氢、太阳能与生 物质耦合制氢、太阳能热解水制氢、太 阳能热化学反应循环制氢等诸多方法 中，太阳能热化学反应循环制氢技术 具有效率高、成本低的优点，技术相对 完善，具有较好的市场发展潜力。太阳 能热化学反应循环制氢技术是在水中 加入一种或者几种中间物（金属氧化 物），然后将混合物加热到某一温度， 经历不同的反应阶段，最终将水分解 为氢气和氧气。在此过程中，太阳能热 发电系统可以为热化学反应装置提供 反应所需的几百摄氏度或上千摄氏度 的高温环境。根据反应过程所需步骤 不同，太阳能热化学反应循环制氢技 术分为两步法和多步法。与热解水制 氢相比，太阳能热化学反应循环制氢 可以将反应温度从 2500℃大幅降低 到 700 ～ 1000℃，对设备的限制减少
网易于消纳。因此，太阳能热发电技术 在全球得到了广泛关注并迅速推广。 截至 2011年 4月[2]，全球太阳能热发电 累计装机容量为 1.26G W，在建的太 阳能热发电站超过 2.24G W，年平均 效率超过 12%。当前，面向承担基础电 力负荷的“大容量-高参数-长周期储 热”是国际太阳能热发电的技术发展 趋势。目前，国际太阳能热发电成本价 格 在 0.2欧 元/ k W h，到 2020年 有 望 降低到 0.05欧元/ k W h。我国目前还 没有商业化运营的太阳能热发电站， 系统设计能力和集成技术还缺乏有效 验证，高倍聚光、高温吸热和储热技术 还在探索与试验阶段。
化学反应储热材料的反应目前包 括氨的分解反应、碳酸盐化合物的分解 反应、金属氢化物的分解反应、无机氢 氧化物的热分解反应等几种。能够进行 规模化应用的化学反应储热材料需要 具备以下特点 ：①反应的热效应要大 ； ②反应的温度要适宜 ；③材料无毒、无 腐蚀、不易燃易爆 ；④材料价格低廉 ； ⑤反应要可逆，反应不产生副产品 ； ⑥反应时材料的体积变化要小。表 2是 已有研究的化学反应储能材料组分、储 热密度及反应温度（Gil et al.2009）。
反应温度/℃ 400 ～ 500
500 800 ～ 900
180 200 ～ 300 250 ～ 400
Mg(OH)2和Ca(OH)2只需加水就 可放出大量的热，从而取出储存的能 量，但是无机氢氧化物和水合物相比 有较强的腐蚀性，并且会与空气中的 二氧化碳（C O2）相互作用，稳定性差， 故目前在规模化储热中应用较少，有 待进一步研究。
槽式 槽式 槽式 槽式 槽式 槽式 槽式 槽式 槽式 槽式 槽式 塔式
导热油 40%KNO3和 60%NaNO3 40%KNO3和 60%NaNO3 40%KNO3和 60%NaNO3 40%KNO3和 60%NaNO3 40%KNO3和 60%NaNO3 40%KNO3和 60%NaNO3 40%KNO3和 60%NaNO3 40%KNO3和 60%NaNO3 40%KNO3和 60%NaNO3 40%KNO3和 60%NaNO3 40%KNO3和 60%NaNO3
依据储热机理的不同，储热系统
盐分别作为传热和储热工质的双罐间 可分为化学反应储热、显热储热和潜
接系统已经得到较为广泛的应用。采 热储热盐代替导热油作为传热工质， 的储热材料展开介绍。
表1 具有典型储热系统的商业化太阳能热发电站
电站名称
聚光类型
储热材料
SEGS I Andasol-1 Andasol-2 Andasol-3 Andasol-4 Extresol-1 Extresol-2 Extresol-3 Manchasol-1 Manchasol-2 Archimede Gemasolar
表 3所列的熔融亚硝酸盐、熔融 硝酸盐、熔融碳酸盐等均属于熔融盐， 熔融盐是盐类的熔融态液体，包括无
机盐的熔融体、氧化物熔体和熔融有
②对设备有腐蚀。硝酸盐的腐蚀
机物，通常所说的熔融盐是指无机盐 性 低 于 氯 化 盐 和 碳 酸 盐。熔 融 盐 中
太阳能热发电是通过聚光的方 式，将太阳能转换为高品位（高温）的
热能，进而通过热-功-电转换来实现 电力生产的技术。一个完整的太阳能 热发电站一般包括聚光集热系统、储 热换热系统、发电系统、控制系统等几 部分。依据聚光方式的不同，太阳能热 发电技术主要分为抛物面槽式、塔式、 碟式和菲涅尔式等几种类型。由于储 热系统可以实现大容量的热量存储， 在需要能量时再平稳地释放出来以供 发电，从而有效地解决了太阳能间歇 性带来的电力输出波动，所以太阳能 热发电提供的电力具有可调度、可调 节、可持续平稳输出的优点。此外，太 阳能热发电站的发电系统与常规火电 发电系统相同，输出的电力品质高，电
Mg(OH)2+Q加热＝MgO+H2O，脱 水温度约为 375℃ ;
C a ( O H )2+ Q加热＝C a O + H2O，脱 水温度约为 550℃。