光热发电储能技术及系统分析

岳 松，李 明

(湖北省电力勘测设计院有限公司，武汉 430040)

0 引 言

传统能源的日益匮乏和环境的日益恶化，极大的促进了新能源的发展，其发电规模也快速攀升。以风电、太阳能为基础的新能源发电取决于自然资源条件，具有波动性和间歇性， 其调节控制困难，大规模的并网运行会给电网的安全稳定带来显著影响。储能技术的应用可以在很大程度上解决新能源发电的随机性和波动性问题，使间歇性的、低密度的可再生清洁能源得以广泛有效的利用。

太阳能光热利用收到光照、气候、季节、地域等因素的共同影响，制约了太阳能热发电的连续性和稳定性。解决太阳能热发电的持续可供性是实现大规模应用、提高效率和降低成本的关键所在。有效克服光热发电技术波动性特点的方法是采用储热技术。储热技术是在日光充足的条件下将热能储存起来，在日光辐射不足或者在夜间时释放出来生产蒸汽发电。电力需求不足时将热能存储起来，在电力需求峰值的时候发电用来满足电力需求，实现电网的削峰填谷的作用。

1 储能技术分类及特点

按照能量存储的方式不同，储能可以分为物理储能、化学储能、电磁储能和热能储能等， 其中物理储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能等；化学储能有铅酸电池、锂电池等；电磁储能包括超级电容储能等；热能储能应用最多、储量最大，主要包括显热储能、潜热储能和相变储能等。

热储能技术包括显热储能，潜热储能和化学反应储能，其在工业生产，光热发电和集中供暖等领域有较多的应用。显热和潜热储能在使用方式上比较简单，技术发展比较成熟，设备设计简单，运行管理方便，是十分具有潜力的储能技术。显热储热的存储介质多样，其应用范围也各不相同，表1显示了各种传热介质的比较。

表1各种传热储热介质比较

以上分析可以看出，混凝土、水蒸汽和导热油均存在使用温度低的缺陷，在塔式光热电站中，高温介质的温度高达近 600 ℃，因此限制了这些工质在塔式光热电站中的应用。另一方面，熔融盐，尤其是硝酸盐具有较高的使用温度，同时其传热性能好，饱和蒸汽压低，寿命长等特点，特别适用于光热电站中。

介质特性的研究作为太阳能热发电研究方向之一，也是其中的关键环节。遗憾的是，目前无论是硝酸盐类、碳酸盐类或其他混合盐类，某些指标仍然不能达到理想要求，如熔盐的熔点温度等。要满足蓄热发电的目的，目前还需要找到更好的储热介质，并希望这一介质在储热的工作范围内，都是以液体的形式存在，并且液态的单位热容和导热率要尽可能的大， 流动性能好。作为熔盐材料，希望找到熔盐的凝固点要尽量接近常温，气化点要尽量远离最高工作温度点，另外，由于在太阳能热发电系统中的熔盐使用量大，因此要保证熔盐的成本要尽量低。

2 熔盐储热技术在光热电站中的应用

目前，熔盐储能技术在光热电站中应用较为广泛，其经济性和安全性都表现出明显的优越性。应用较广的是美国SolarTwo电站使用的SolarSalt(40%KNO3和60%NaNO3)，1996年美国建成塔式熔盐电站，首次采用Solar Salt作为介质，后西班牙Andasol电站也采用该介质，使之得以推广。

Solar salt熔盐的主要性能是稳定性好，不燃烧，无爆炸危险，泄漏蒸汽无毒，在现场不会产生二次污染。在液态条件下压力与温度无关，使得在工程应用中，储存容器可以在常压或者微正压条件下运行。其不足之处在于熔点高，温度范围窄，机组冷态启动过程复杂，耗热量大，系统维护费用高，熔盐的成本也较高。

作为显热储热介质，应充分利用其温度区间，否则将会带来设备和成本的大幅增加，对其经济性的影响较大。文中以50 MW光热电站为例，以Solar salt熔盐作为储热介质，研究槽式和塔式光热电站的储热容量及其经济性。

Solar salt熔盐开始熔解的温度为207 ℃，开始凝固的温度为238 ℃，在这范围内是固液共存状态，在300 ℃～600 ℃的范围内，其物理特征属性可通过拟合方程求的：

ρ= 2090-0.636T

(1)

c= 1443+0.172T

(2)

μ=22.714-0.12T+ 2.281×10-4T2

-1.474×10-7T3

(3)

k= 0.443+ 1.9×10-4T

(4)

式中，ρ为密度，kg/m3；c为比热容，J/(kg·k)；μ为动力粘度，mPa·s；k为导热系数，W/(m·k)。

在光热电站中，热电转换效率包括储热效率、换热效率、循环效率和发电机效率等，其热电转化效率约为 40%：

ηthermal-elec=ηstorage·ηtransfer·ηcycle·ηgenerator

(5)

(6)

(7)

式中，ρ为密度，kg/m3；c为比热容，J/(kg·k)；C为热容量，MWht；t为储热时长，h；η为热电转化效率；md为设计状态下熔盐重量，kg。考虑到在工程实际应用中，熔盐罐底部有残留容积，管道及设备中也考虑部分残留容积，因此实际熔盐用量为：

ms=1.2*md

(8)

表2 熔盐用量和熔盐价格

从图1至图2中可以看出塔式光热电站在储热时长为9 h时，其熔盐使用量为1.16万吨，而槽式光热电站的熔盐使用量达到了3.6万t，仅熔盐的价格就达到了1.2亿元，这是塔式光热电站的3倍以上，这是因为槽式电站热熔盐出口温度较低，为380 ℃左右，而塔式光热电站熔盐出口温度可达565 ℃，单位质量的熔盐存储的热量少，熔盐的使用量就大大增加。因此相对于槽式电站来说，塔式电站可大幅降低熔盐的使用量，仅熔盐的成本也能降低一半以上。同时可以得到，从熔盐成本角度分析，选用何种熔盐要综合考虑熔盐的熔点，单价和温度使用范围，才能得到最经济的解决方案。

图1 熔盐量随储热时长关系图

图2 熔盐价格随储热时长的关系曲线

3 结束语

(1)在光热电站中，多用显热储热技术，由于其具有技术发展比较成熟，设备设计简单，运行管理方便等特点，是十分具有潜力的储能技术。分析不同的储热介质发现，熔盐具有较高的使用温度，同时其传热性能好，饱和蒸汽压低，寿命长等特点，特别适用于光热电站中。

(2)分析了熔盐储能系统在光热电站中的应用，通过以 50MW槽式和塔式光热电站为例， 分析了两者的熔盐用量情况，得出：槽式光热电站的熔盐使用量远远大于塔式光热电站，其熔盐成本约为塔式成本的 3.1倍，其原因是塔式光热电站能充分利用熔盐的温度使用区间， 使单位储热密度大幅提高。