熔融盐储能技术及应用现状汇总

熔融盐储能技术及应用现状

随着全球新能源产业的快速发展，风力发电与太阳能等随机性和间歇性很强的发电方式对电网的正常运行管理提出了相当高的挑战，相应地，各类储能（储热）技术也逐渐纳入了人们的视角。熔融盐储能技术是利用硝酸盐等原料作为传热介质，通过新能源发出的热能与熔盐的内能转换来存储或发出能量，一般与太阳能光热发电系统结合，使光热发电系统具备储能和夜间发电能力，满足电网调峰需要，具有很强的经济优势，已经在西班牙、意大利等欧洲地区和部分北美地区等发达国家得到了实际的商业化应用。

一、熔融盐介绍

1.1 熔融盐的特性

熔融盐是盐的熔融态液体，通常说的熔融盐是指无机盐的熔融体，广义上的熔融盐还包括氧化物熔体及熔融有机物。除了单一无机盐外，将同一类熔融盐按照一定比例混合，或者将不同种类的熔融盐按照一定的配方混合，可以形成多种新型混合共晶熔融盐。这些混合熔融盐可以根据成分配比的不同，获得各种熔点和使用温区的熔融盐工质，能够避免硝酸盐使用温度低、氯化盐熔点温度高等缺点，同时保留熔融盐热稳定性和化学稳定性好、饱和蒸汽压低、比热容大等一系列优点，因此在工业上获得了广泛应用。目前，寻找性能优越的混合熔融盐成为熔融盐传热蓄热研究的主要方向之一。

熔融盐有不同于水溶液的诸多性质，主要包括：①熔融盐为离子熔体，通常由阳离子和阴离子组成，具有良好的导电性能，其导电率比电解质溶液高1个数量级；②具有广泛的使用温度范围，通常的熔融盐使用温度在300～1000℃之间，新研发的低熔点混合熔融盐使用温度更是扩大到了60～1000℃；③饱和蒸汽压低，保证了高温下熔融盐设备的安全性；④热容量大；⑤对物质有较高的溶解能力；⑥低粘度；⑦化学稳定性好；⑧原料易获得，价格低廉，与常见的高温传热蓄热介质——导热油和液态金属相比，绝大多数熔融盐的价格都非常低廉，且容易获得。这些优异的特性使熔融盐被广泛用作热介质、化学反应介质以及核反应介质，尤其近些年来在太阳能热发电系统中，熔融盐得到了广泛的应用。

1.2 熔融盐的种类

熔融盐作为传热介质既可以达到较高的工作温度又具有蓄热功能，又可以克服由于云遮带来的蒸汽参数不稳定等问题，是目前应用较多、较为成熟的传热蓄热材料。最常见的熔融盐是由碱金属或碱土金属与卤化物、硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐组成。下面分别介绍几种常见的熔盐。

1) 碳酸盐。

碳酸盐价格不高，熔解热大，腐蚀性小，密度大( 相对密度约为2)，是很有希望的相变材料。碳酸盐按不同比例混合可以得到不同熔点的共晶混合物。其中，碳酸钾和碳酸钠共晶混合物是很有应用前景的碳酸盐混合物。碳酸盐的缺点是熔点较高而且液态碳酸盐的黏度大，有些碳酸盐容易分解，这就限制了碳酸盐的广泛应用。

2) 氯化物。

氯化物种类繁多，价格一般都很便宜，可以按要求制成不同熔点的混合盐，而且相变潜热比较大。氯化物作为熔融盐缺点是其工作温度上限较难确定，而且大多腐蚀性强。

3) 氟化物。

氟化物主要为碱金属及碱土金属氟化物，是非含水盐。由于氟化物常具有很高的熔点及很大的熔融潜热，所以它们常常作为高温型储热材料使用。熔融状态氟化物具有蒸气压力低，传热性能好，与空气、水都不发生剧烈反应，和金属容器材料的相容性较好等优点。它的缺点主要有两点：一是由液相转变为固相时体积形变大，如LiF 高达23 %；二是热导率低。

4) 硝酸盐

在冶金工业中常用于钢和轻合金的处理，大多数硝酸盐的熔点在300℃左右。主要的优点是价格低、腐蚀性小及在500℃以下不会分解。对混合硝酸盐熔盐的研究比较成熟，目前已成功应用在太阳能热发电系统中。

现在，高温熔盐已由空间发电发展到地面太阳能电站发电。运用高温硝酸熔盐发电可以使太阳能电站操作温度提高到450~500℃，这样就使得蒸汽轮机发电效率提高到40％。此外，运用熔融盐也可以使储热效率提高2.5倍，从而减小蓄热容器的体积。表1为常见的无机盐储能材料的热物理特性。

二、熔融盐储能系统的技术现状

目前使用的储能方法和技术主要分为四类：机械储能主要包括利用物体的势能和动能蓄能，压缩空气储能也是势能的一种方法；电化学储能主要采用电化学方法通过蓄电池储能；电磁储能利用超导原理和电荷吸附原理，如超导磁储能和超级电容储能等；蓄热储能就是采用不同材料在不同温度段下所具有的蓄热能力，达到蓄热和放热的目的。不同的储能方式可以用于不同方面。四种储能的方法及其技术特点见下表2。

表2 四种储能的方法及其技术特点

2.1 熔融盐蓄热储能的方式

作为新型的储热蓄能，熔融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，已在西班牙等国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。

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。显热储能包括双罐储能（导热油、熔融盐）、水蒸气储能、固体储能（混凝土、陶瓷）、单罐斜温层储能（导热油、熔融盐）等。

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，而且吸热—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。

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。

图1 三种储能方式的使用温度

2.2 熔融盐蓄热储能的技术手段

结合不同的储能方式，可将熔融盐实现蓄热储能的技术手段分为塔式、直接蒸汽塔式和槽式三种。首先熔盐塔式发电可持续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，采用熔融盐作为传热介质，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，而且高温时熔融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、熔融盐换热工质劣化等后果，直接影响电站的正常运行。直接蒸汽塔式发电不能储热，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，第二是熔盐和水，它是世界上商界化运作最为成熟的一种发电模式，需要天然气作为辅助能源。

据美国可再生能源集团私募股权基金提供的资料，对熔盐储热塔式、直接蒸汽塔式及传统槽式技术进行了如下对比：