在全球能源結構加速向清潔化、低碳化轉型的今天，可再生能源的高比例并網(wǎng)與電網(wǎng)調峰需求之間的矛盾日益凸顯。風、光等波動性發(fā)電技術的規(guī)?；瘧茫M一步催生了長時儲能這一“剛需"——儲熱技術（包括儲冷）是儲能技術中的一種，它不僅是能源系統(tǒng)穩(wěn)定的“壓艙石"，更是實現(xiàn)“雙碳"目標的關鍵橋梁。
水/水蒸氣、導熱油、空氣、液態(tài)金屬和熔融鹽都是常用的顯熱儲能材料。但水蒸汽的系統(tǒng)壓力大、導熱能力差；導熱油的上限溫度低，使用壽命短；液態(tài)金屬原料成本高，泄露后易著火、污染嚴重；空氣的儲熱性能不理想。而熔融鹽具有使用溫區(qū)廣、儲熱溫差大、儲熱密度高、傳熱性能好、工作狀態(tài)穩(wěn)定、使用壽命長、成本低等優(yōu)勢，適合大規(guī)模儲熱?；谏鲜鎏攸c，熔鹽儲熱已廣泛應用到光熱發(fā)電、清潔供暖、余熱回收、火電靈活性改造等領域，并在光熱技術領域大量推廣應用。其中，光熱發(fā)電+熔鹽儲能的組合憑借熱電轉換效而受到青睞。截至2022年底，全球光熱發(fā)電總裝機量已突破6000 MW，國內也有青海中控太陽能發(fā)電有限公司德令哈熔鹽塔式50 MW電站項目、蘭州大成敦煌10 MW菲涅爾熔鹽電站項目等投產(chǎn)運行。為了確保太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行，新建的光熱發(fā)電系統(tǒng)基本綁定熔鹽儲能建設，提高熔鹽儲能效率已成為降低光熱發(fā)電成本的重點。熔鹽儲能在其他方面的已投產(chǎn)應用主要為火電靈活性改造，宿州熱電廠改造是目前在建最大的“火電+熔鹽"項目，設計儲熱容量達1000 MW/h，能有效解決機組調峰出力與供汽之間的矛盾，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
圖 1 熔鹽儲能在各行業(yè)的應用[1]
圖 2 光熱發(fā)電的主要成本[2]
熔鹽儲能的研究主要集中于儲熱工質與儲運設備，前者在于篩選和開發(fā)具潛力的傳熱蓄熱介質，后者則是根據(jù)前者的性能配套傳熱蓄熱設備，包含熔鹽儲罐、傳熱管路、換熱器等。
熔鹽作為熔鹽儲能設備核心，尋找綜合性能最佳的混合熔融鹽是目前熔鹽儲熱技術的重要研究方向之一，具體從性能、成本等多方面因素綜合考慮，優(yōu)選最合適的儲熱熔鹽。目前成熟的熔鹽儲能介質包括硝酸鹽、氯化鹽、氟化鹽和碳酸鹽等，不同種類熔鹽配方多樣，考慮其熔點與分解溫度不同，所適用的儲能場景不同，常見的幾種熔鹽熱物性參數(shù)見表1。實際應用中通常會使用同陰離子的多種鹽混合以實現(xiàn)更好的儲熱介質性能。
表 1 常見熔鹽的熱物性參數(shù)
硝酸鹽在熔鹽儲能工質應用較為成熟，具有成本低、腐蝕性小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛使用到CSP電站中。目前常用的商業(yè)化熔鹽有太陽鹽(60% KNO3 - 40% NaNO3)和Hitect熔鹽(53% KNO3 - 7% NaNO3 - 40% NaNO2)，均為較成熟的硝酸鹽體系。然而，兩種硝酸鹽的最大使用溫度僅在540℃左右，較低的工作溫度限制了硝酸鹽進一步發(fā)展。雖然新開發(fā)的Li、Na、K三元碳酸熔融鹽（32.1% Li2CO3 - 33.4% Na2CO3 - 34.5% K2CO3），表現(xiàn)出熱容量高（1610 J/（kg·K））、熱導率高（0.612 W/m·k，575 ℃）、熔點低（397 ℃）、熱分解溫度較高（>670 ℃）的優(yōu)異熱物性，但是Li鹽的成本問題無法忽視。[3]碳酸鹽和氯化物熔鹽憑借更好的熱穩(wěn)定性而更受青睞。碳酸鹽作為傳熱蓄熱材料已被廣泛研究。北京工業(yè)大學馬重芳團隊通過實驗測定了36種不同比例的Li2CO3 - Na2CO3 - K2CO3共晶碳酸鹽熱物性，該系列共晶碳酸鹽可實現(xiàn)800-850℃的分解溫度，并且具備較好的熱物理性能。氯化物熔鹽成本低廉，其研究主要集中于抗腐蝕方面，因為規(guī)?；瘧弥袝霈F(xiàn)難以避免的雜質驅動腐蝕現(xiàn)象，氯化鹽易吸水并在高溫下產(chǎn)生HCl氣體溶解在高溫熔鹽中腐蝕罐壁，這使得所有氯化鹽熔鹽系統(tǒng)必須做防腐蝕處理（特種鋼材、防腐蝕涂層、犧牲陽極等）。[4]氟化物熔鹽的熔點和相變潛熱都較高，在熔鹽堆(molten salt reactor， MSR)中可用作核燃料載體和冷卻劑，其熱物理化學性質可極大提高MSR的傳熱效率，與金屬容器材料的相容性也較好。但氟化鹽存在毒性，必須在閉合系統(tǒng)中使用，限制了其應用范圍。除了進行熔鹽組分和配比的探索，納米顆粒摻雜也被證實能有效提高熔鹽熱物性，1% SiO2納米顆粒就能實現(xiàn)比熱容6.65~15.99%的提升[5]，石墨烯、碳納米管、氧化鋁和氧化鈦等材料也被證實能有效提高比熱和熱導率性能[6]。
除了熔鹽，性能優(yōu)異的熔鹽儲罐也是熔鹽儲能系統(tǒng)的重要組成部分，其原理是在熔鹽經(jīng)過換熱進入熱罐，將太陽能或是其他熱能轉化成高溫熔鹽的形式存儲在罐中，并在必要時輸出熔鹽，為汽機等提供穩(wěn)定的熱源。現(xiàn)階段關于高溫儲熱罐基礎的設計主要是參考類似的設計標準，如 GB 50341、SH/T 3068、API 650 和相應的一些通用標準。熱罐的使用溫度在565℃左右，罐體材料通常選擇低碳奧氏體不銹鋼，如304/316/347系列；冷鹽罐的使用溫度在290 ℃左右，罐體材料通常選擇碳鋼，如Q345系列，需考慮材料的腐蝕額裕量。通常采用表面涂層處理方法來提高碳鋼的耐腐蝕性，可選用兩種涂料：有機硅系列耐熱涂料和惰性聚合物系列耐熱涂料。從經(jīng)濟角度考慮，有機硅系列耐熱涂料更為適合。[7]圍繞罐體還配套建設有隔熱層、保溫層、冷卻系統(tǒng)等復合地基系統(tǒng)保障儲罐穩(wěn)定運行。[8]
圖 3 熔鹽儲罐復合地基示意圖
圖 4 罐體支持材料的物理參數(shù)[9]
在熔鹽儲能的研發(fā)與應用中，由于熔鹽所具有的高溫特質，還必須要對所有涉及的材料進行熱物性分析。在熔鹽材料方面，主要使用量熱儀STA測量熔鹽的DSC與TG曲線，可以獲得熔鹽的相變點與分解溫度，對比藍寶石標樣曲線還能獲得比熱相關參數(shù)，在此基礎上可以初步確定儲能系統(tǒng)的工作溫度范圍。然后再通過激光導熱儀LFA獲取導熱系數(shù)、綜合物性分析儀（阿基米德法）測量獲取高溫下密度和旋轉粘度計獲取粘度參數(shù)，用于后續(xù)的熔鹽儲運設備設計。對于儲罐材料主要測量其保溫性能與機械性能相關參數(shù)，除了和熔鹽同樣要測量的導熱系數(shù)、密度等參數(shù)，還需要通過熱膨脹儀測量膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比等力學參數(shù)。在獲取以上必要參數(shù)后，可將其導入熱仿真設計軟件中（EBSILON、 Simcenter Flomaster、 ANSYS Workbench等）以進行進一步的設計工作。
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