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助力光热发电降本!KIT团队正积极研究液态金属单罐温跃层储热技术

2021.02.10 来自:

在现阶段商业化塔式光热电站中,往往采用双罐储热技术——承担储热功能的熔盐被分别储存在热罐和冷罐中,但目前另一种有希望降低储热成本的技术正在被越来越多地研究,即——单罐温跃层储热,该技术将热储和冷储集中于一个罐中(温跃层是指如海水等液体中温暖的上层和较冷的下层之间的混合温度区域)。


来自德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruher Institut für Technologie,简称KIT)的Klarissa Niedermeier便致力于通过研究该技术来降低光热发电系统中的热能储存成本,此外更值得一提的是,与传统熔盐储热技术不同的是,KIT团队采用了工作范围更宽的液态金属作为传储热介质。


目前,Klarissa Niedermeier所在的KIT液态金属实验室正在做一个首创的实验——即在KIT一个单罐温跃层系统中使用液态金属进行传热和储能。


与工作温度介于290°C——565°C的熔盐相比,液态金属的工作温度可以达到1000°C以上,而且熔点更低(约在150°C左右),工作温度范围更加宽泛(150°C—1000°C)。


图:KIT液态金属实验室温跃层储罐中的填充物


Klarissa Niedermeier表示:“液态金属具有非常高的导热系数,大约比熔盐要高30-100倍(具体取决于采用何种金属),这也是为什么液态钠会被用于光热发电吸热器中作为吸热介质的原因,它们可以承受并收集由反射镜反射到吸热器的高温热能。同时,采用一个罐利用率更高,罐中不会有空闲的空间,所以耗费材料也更少。而在双罐系统中,你需要两倍于实际需要的储罐,因为罐中总会有很大一部分空间没有被利用。”


那么,在温跃层热储能系统中使用液态金属面临哪些挑战呢?


虽然液态金属是传热的理想材料,但其能量密度很低。它们的高导热系数使其能有效地将热量传递到罐内的卵石状填料上,但不利于冷热相的分离。目前KIT研究小组正在寻找液态金属和填料的最佳候选者,以便将热量最有效地传递到填料中。


图:KIT液态金属实验室天然岩石、玻璃和陶瓷填料试验


在理想情况下,填充材料应具有非常高的热容和非常高的密度,如此材料内部的原子便能更紧密地结合在一起,且在罐中也不会占据太多空间,同时密度越大的材料也能储存更多的能量。


为了确定哪种填料最能承受高温下的液态金属,研究小组此前筛选了各种天然石材,如石英和过滤砾石、硼硅酸盐和钠钙玻璃,以及氧化铝、氧化锆、硅酸锆和滑石陶瓷等。


在500°C下浸泡数周后,研究人员用扫描电子显微镜(SEM)对各种测试材料进行了损伤评估,发现陶瓷具有最佳性能,并最终选择了一种彼此之间不易发生相互作用的硅酸锆陶瓷。


对此Klarissa Niedermeier解释:“在首次试验中,我们希望有一个只由一种已知性质的填料组成的床。利用它我们可以验证我们的模拟,并用它做大量的科学工作,当然也可能有更便宜的替代品。”


图:单罐温跃层储存示意


对于单罐温跃层储能技术来说,关键是实现最佳的冷热分离。最初,研究小组只测试了液态金属,没有陶瓷填充物来验证他们的模拟数据。理想的液态金属应该是在冷热温跃层点产生最少混合温度的金属,即实现温跃层储存依赖于顶部的热流体保持高温,而底部的冷流体即使在一个罐中也会保持低温。


因此,理想情况下需要的是一种并不那么容易混合并传递热量的液态金属。Klarissa Niedermeier表示:“理想的温跃层是热流体和冷流体相互紧贴着但却不会发生相互作用,因此不会发生温跃层退化。你必须尽量减少热流体和冷流体之间的热传递,以避免在它们之间形成一个很大的区域。在最坏的情况下,整个储罐都将是一个大温跃层。这就是我们为什么要使用低导电填充材料的原因,即在实现热量储存的同时尽量降低温跃层的膨胀。”


在符合上述要求的前提下,铅和铋的合金铅铋共晶(LBE)在其熔点124℃以上的温度下被证明优于液态钠可用于温跃层储存。


Klarissa Niedermeier表示:“LBE的测试效果比钠要好一些,虽然它的导热系数依旧很高,但它能更好地保持分层,便于我们更清楚地区分冷区和热区。”


第一步,KIT团队在高达380°C的实验室测试液态金属回路中测试了这个小规模系统。目前,他们正在开始下一轮测试——将填充材料入罐。第二步将是规模为100 kWh的中试系统,最高工作温度为500°C,然后再提升至700°C。




相关线下活动:


第十一届光热发电中国聚焦大会2020(2021年3月,中国北京)

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