華北電力大學徐超:儲熱目前商用化程度非常高、可用於電力調峰

華北電力大學徐超：儲熱目前商用化程度非常高、可用於電力調峰

「儲熱在能源的生產和應用領域中會起到關鍵作用，所以儲熱目前也是儲能領域研究的熱點。儲能的研究目標和其他的儲能技術一樣，也是提高儲能密度、降低成本，對儲熱的研究方向我認為相變儲熱還有非常大的前景，是一個熱點。利用儲熱，可能是十年、二十年以後有可能得到應用的技術，也是非常重要的方向。」

——華北電力大學能源動力與機械工程學院副院長 徐超

8月7日，由華北電力大學、中國可再生能源學會主辦的「第一屆中國儲能學術論壇暨風光儲創新技術大會」在北京召開，會議為大力推廣風能、太陽能、儲能創新技術，推動風光互補、太陽能+儲能、風光儲技術以及智能微電網、能源網際網路技術在綜合能源服務領域的應用；搭建風能、太陽能與儲能產業科學技術、創新應用的交流與合作平臺，推進風電、太陽能發電無補貼平價上網項目技術發展，推動儲能技術進步和創新。

主旨報告環節，華北電力大學能源動力與機械工程學院副院長 徐超做了題為「基於熔融鹽固液相變的高溫儲熱技術研究」報告。

華北電力大學能源動力與機械工程學院副院長 徐超

現在大家知道，我們的儲能技術種類非常多，之前包括梅老師、丁主任介紹了兩種不同的儲能技術，而且其實除此之外還有一些其他的包括飛輪儲能、熱化學儲能等等，接下來我的報告會介紹一種圍繞儲熱技術來展開的。一般來說，我也參加過一些儲能的會議，大部分圍繞著電化學儲能展開的。其實我們也知道，一旦電化學儲能，像剛剛丁主任說的，如果鋰電池這塊有很大的突破，我估計材料技術就沒有很大的發展前途了，包括儲能，包括我們這邊也在研究的太陽能發電，好在鋰電還沒有那麼大的突破，我們目前還有空間，下面給大家介紹一下我們儲能方面的一部分技術。

我匯報題目是「基於熔融鹽固液相變的高溫儲熱技術研究」。

報告分五部分：

背景大家都比較清楚，整個背景也是儲能的需求背景，主要是基於我們新能源利用，還有一些工業等等餘熱利用過程中的間歇式、波動性的問題，而在這麼多儲能技術中儲熱是其中一種技術形式比較簡單、成熟度比較高的技術，而且目前來說是商用化程度非常高的一種技術。總體來說，儲能是克服間歇性、波動性的重要方式，它的研究對於太陽能的熱發電、熱利用、餘熱回收，以及解決目前棄風棄光等問題具有比較重要的意義。

下面我想再次強調一下太陽能熱發電技術。太陽能熱發電，大家都知道，在近幾年，我們國內有比較大的發展，有兩個電站已經實現了併網的運行，但是太陽能發電之所以比例比較高，發展總體來說發展比較慢，除了技術複雜度之外最主要的是成本比較高，不像光伏以及包括儲能電池，在過去的十幾年中成本下降非常快，但是熱發電預期空間不是很厲害，導致未來的發電不會像光伏、風電那麼大，但是基於目前儲能技術情況來看，熱發電還是有非常大的生存空間的，是因為它可以集中儲熱，集中儲熱之後有一些優勢，可以使得它成為集合電力，和火電一樣，同時它的推廣可以提高電網容納風電和光伏等新能源電力的能力。但是正如我剛才所說的，如果是化學或者電化學儲能有非常大的突破，熱發電也就沒有時間升值空間了，因為它的成本可能會比較高，但是目前來說，基於它的技術特點，熱發電可以作為一種，我本人認為是可以作為一種調峰電力來存在的，所以還是有比較大的發展前景。主要原因是，儲熱技術相對來說比較成熟。

現在的熱發電應用儲熱技術主要是基於熔融鹽的技術，這種技術成熟度比較高，國際上已經有非常大容量的應用，而且應用時間挺長。目前圍繞儲熱來說有非常多的新型的儲能技術來獲得大家的關注。大家知道，從儲熱技術本身來說，儲熱可以分為顯熱儲熱、潛熱儲熱、熱化學儲熱。顯熱儲熱儲熱密度比較低，電化學儲熱密度比較高，但是成熟度、技術方面都還需要長時間的摸索。潛熱儲熱，比如石蠟相變儲熱關注度也比較高。

這三種方式，其中基於相變的潛熱儲熱儲能密度更高一些，基於太陽能發電都集中在了熔融鹽相變材料的儲熱上面。淺熱儲熱的基本原理非常簡單，就是利用工具一種相轉變為另一種相的時候，發生相變潛儲熱。適用於儲熱的主要是固—液相變，固—液是主要的相變儲熱的技術形式。

固—液相變的儲熱材料很多，有非常多的材料，涵蓋了從極低的溫度到1000度以上的極高溫度，材料有石蠟、非石蠟的材料，主要應用於100度以下的溫度範圍內，還有熔融鹽，還有金屬等無機相變材料，熔融鹽和金屬可以用在比較高的相變儲熱。還有一些材料是基於上述材料的複合。其中高溫的儲熱技術領域，主要應用是熔融鹽，當然還有一部分技術也得到了研究。我們後面介紹基於熔融鹽的儲熱，主要是面對高溫的應用領域。

圍繞熔融鹽的儲熱我們團隊近幾年開展了一些工作，下面我就從三個方面，一個是從熔融鹽本身的固個—液相變機理進行了表述，還有一些研究成果給大家進行了分享。

熔融鹽相變的演變規律，我們提的熔融鹽，相變溫度並不是固定的溫度，而是溫區，在這個溫區內發生相變的時候，這個溫區內是同時固體和液體共存的區域，在固—液相變過程中，在這個區域內相變的機理會影響到固—液相變的性能，我們試圖去分析一下這個區域演變的一些機理。

我們初步的研究是基於二元鹽就是硝酸鋰和硝酸鉀的混合鹽進行研究。首先揭示它的機理的時候首先想揭示一下這個區域的演變規律和厚度是怎樣的，因為之前關於熔融鹽相變沒有這方面的信息，所以我們初步設計了一個一維的實驗，裡面非常薄的熔融鹽沿著單方向進行熔化，通過可視化以及我們的熱電網分布捕捉裡面的溫度變化信息，從而反推出這個區域的信息。這個是融合過程中拍攝的相變，我們基於相界變的信息最後可以得到相界面的移動速度，可以發現它的移動速度是逐漸下降的，最後我們也可以得到整個在一維的熔化過程中，裡面的溫度深度，以及哪一部分到底是是這個區域的範圍，最後確定出這個區域的寬度。最後基於不同的實驗條件，我們可以獲得熔化過程中相界面的位置以及熔化過程中這個區域的寬度，這個區域的寬度大概是幾毫米，就是毫米級別，當然這個是基於一維模擬初步的實驗結果。

除此之外我們也研究了凝固過程，但是凝固過程由於實驗設計問題，在我們的可觀測界面這塊，由於比較大的熱損失，所以它沒有實現一級的凝固過程，所以無法得到一維的凝固過程的演變。但是我們可以看到，確實這個區域溫度變化是非常劇烈的，此外我們業基於一些顯微鏡的設施，來貫徹一些局部的融合過程中裡面具體熔融鹽的情況。

下一部分是相變顆粒熔化過程。我剛剛提到基於熔融鹽的相變蓄熱，其實它主要是和目前的雙罐系統結構優非常大的區別，我們現在研究的是基於相變顆粒的是基於單罐系統，這個單罐系統是一個堆積長系統，而堆集的是球形的相比顆粒。總體來說基於這個系統，我們可以看出系統是一個單罐，工作過程中每個顆粒內部都會出現熔化和凝固過程，它的熔化和凝固過程它的系統會對於我們整個系統設計有非常大的影響，所以說我們就想首先去看一看裡面到底是怎麼熔化、凝固，另外想獲得一種比較大的方法來預測整個系統的過程。

首先我們基於物理模型和數學模型對它進行了建模，建模以後可以對它進行模擬，左邊這個圖是我們考慮自然對流的時候獲得的熔化過程的相界面的變化過程，可以看到固—液的相界面是非常複雜的，這是因為液體一旦熔化以後就出現自然對流，這個自流對流會對相界面有非常大的影響。如果我們忽略自然對流，就不能準確的預測出真實的程度。我們模擬整個系統的時候，單個罐子會填充可能成千上萬甚至更多的顆粒，而我們要想預測的話不可能對每一個顆粒都進行建模，形成他真實的相界面情況，我們真實預測的時候需要用到一種簡化的方式，比如我們用到一種等效的導熱技術，預測的時候我們把每個劉不考慮自然對流，就是沒有自然對流的凝固過程，只考慮導熱，導熱係數會考慮自然對流對它進行的影響。

所以說我們下一步目的就是來開發這個導熱系統，我們也調研了目前文獻中出現的導熱技術，一個是沒有針對球星顆粒開發的，有的是基於援助顆粒開發的。後續經過我們研究擬合了一個新的導熱係數，這個和現有的相比誤差有大幅度的降低，基於這個導熱係數我們可以必須準確的預測熔融鹽相變顆粒堆積的充放熱性能。

第四部分，當相變顆粒堆集起來以後形成一個單管的堆積床以後，這個系統的系統性能是什麼樣的，我們要想用這個系統，不光是把它集成在中央能車發電中，我們必須要研究他的系統的洞開性。

這裡面介紹幾種不同的條件基本的性能特點，比如我們的罐體如果堆集是單一材料的相變顆粒，下面是採用石蠟做實驗，來獲得充放電過程中裡面內部溫度場的雲圖，下面輸出模擬，我們發現剛才用單一相變溫度的時候，就是在充放熱過程中會存在維度變化比較劇烈的區域，這層會不斷的擴張的。比如300度的溫度差，如果使用單一的相變區域，不能滿足大的溫差，速率比較滿，所有一般大的溫差的時候不能用單一相變物流，如果供暖幾十度的溫差是沒有問題的。

我們也分析了一下不同的充放電條件對於系統的影響，比如當使用顆粒堆集的話，我們的循環，當儲熱系統進行循環充放熱的時候，我們不能保證每一次都完全的充熱和放熱，就存在一個截止溫度的問題，對我們整個系統得用有效利用率有非常大的關係，下面公式是給出了系統的有效利用率和截止觀點的重性。主要是用顯熱來堆集，下面可以用其他來堆集，是不是可以比如延長高溫區的放電設計，對他進行了模擬。因為單一相變不能滿足要求，它的規律是什麼樣的，我們研究了三種級聯或者五種級聯，不同的溫度系統它的循環充放熱的基本性能規律，發現其實循環若干次以後，基本可以達到可重複的狀態。

以上就是我們這個團隊基於熔融鹽、相變儲熱開展的一部分工作。

總之，我認為儲熱在能源的生產和應用領域中會起到關鍵作用，所以儲熱目前也是儲能領域研究的熱點，包括梅生偉教授剛剛講壓縮空氣儲能，其中儲熱也是重要的點，另外的壓縮空氣儲能技術，就是陳研究所做的超級壓縮儲能，其中就是基於蓄冷的基礎。儲能的研究目標和其他的儲能技術一樣，也是提高儲能密度、降低成本，對儲熱的研究方向我認為相變儲熱還有非常大的前景，是一個熱點。熱利用儲熱，可能是十年、二十年以後有可能得到應用的技術，也是非常重要的方向。未來的研究觀念，這些都是共性的東西，比如材料性能的突破，也包括需要持續的推進創新，從新材料、新結構、新系統上進行創新。

以上是關於我們這方面的匯報，最後我想給大家簡單介紹一下我們團隊的情況。這是我們團隊的成員，有涉及到傳熱的、涉及到材料化學領域的專業。

關於儲能，以上介紹只是介紹了基於熔融鹽的相變儲熱，其實我們還開展了一些蓄冷包括高溫複合相變材料的，包括顯熱儲熱等等，不同的技術工作。系統方面，涉及到性能分析及結構優化，單元方面，涉及到強化熱換與結構設計，材料方面，涉及到材料改行和儲能機理優化等等，這是關於儲能方面的一些工作。

以上是我的匯報。謝謝大家。

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