高温熔盐在太阳能热发电中的应用.doc

高温熔盐在太阳能热发电中的应用熔融盐(简称为熔盐)，是盐的熔融态液体，通常说的熔盐是指无机盐的熔融体，但现已包括氧化物熔体和熔融有机物。常用的高温蓄热材料可分为显热式和潜热式。显热式高温蓄热材料具有性能稳定、价格便宜等优点，但其蓄热密度低，蓄热装置体积庞大；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。1熔融盐的特性形成熔融态盐类的固体大部分为离子晶体，在高温熔化后形成离子熔体，离子熔体在应用中有许多不同于水溶液的性质，熔融盐的特性主要表现在以下几个方面：(1)离子熔体。熔融盐的液体通常由阳离子和阴离子组成，因此熔融盐具有良好的导电性能，其导电率比电解质溶液高一个数量级；(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，且具有相对的热稳定性；(3)低的蒸汽压。熔融盐具有较低的蒸汽压，特别是混合熔融盐，蒸汽压更低；(4)热容量大；(5)对物质有较高的溶解能力；(6)较低的粘度；(7)具有化学稳定性。由于以上这些特征，熔融盐被广泛用作热介质、化学反应介质以及核反应介质。 2高温熔融盐的种类 熔盐用于盐浴已有多年历史，积累了一定的经验。但是用作储热介质和传热介质还在实验阶段，在使用时遇到的主要困难是腐蚀和过冷。成本是选用这类材料首先要考虑的问题，工业应用要求使用成吨甚至成百吨的储热介质。那些理论上有价值而价格昂贵的物质不可能用于工程实际，锂盐和银盐就是如此。下面分别介绍几种常见的熔盐。2.1碳酸盐碳酸盐及其混合物是很有希望的相变材料，这类物质价格不高，溶解热大，腐蚀性小，密度大(相对水的密度约为2) 。按不同混合比例可以得到不同熔点的共晶混合物。但是碳酸盐的熔点较高而且液态碳酸盐的粘度大，有些碳酸盐容易分解，这就限制了碳酸盐的广泛应用。2.2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，缺点是腐蚀性强。2.3氟化物氟化物主要为某些碱及碱土金属氟化物、某些其他金属的难溶氟化物等，是非含水盐。它们常具有很高的熔点及很大的熔融潜热，属高温型储热材料，可用于回收工厂高温余热等。氟盐和金属容器材料的相容性较好， 但它也有两个严重的缺点：一是由液相转变为固相时有较大的体积收缩，如LiF高达23；二是热导率低。这两个缺点导致阴影区内出现 “热松脱”( Thermal Racheting)和“热斑”( Thermal Spots)现象。2.4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。突出的优点是价格低、腐蚀性小及在500以下不会分解。缺点则是溶解热较小( 只有20-30 kcal/kg)，且热导率低仅为0.7 kcal/( m.h.) ，因此在使用时容易产生局部过热。但是与其他熔盐相比，硝酸盐仍有很大的优势，故以下主要讲硝酸盐这种高温熔盐蓄热材料。 3硝酸熔盐在太阳能热发电中的应用 熔盐在能源领域中被广泛应用，涉及原子能、太阳能、化学电能、氢能、碳能等等，尤其重要的是熔盐在原子能、太阳能中的应用。在原子能工业中，均相反应堆用熔盐混合物为燃料溶剂和传热介质有许多优点，它的操作温度有可变的范围，燃料的加入比较容易，核裂变的产物可以连续地移出，使热能化学能电能的相互转换有效地实现。在核工业中使用最多的是LiFBeF2熔盐体系。而在航天领域中，大量的仪器设备需要电能来维持驱动，特别是当运行到太阳阴影区时，就需要储存的热能来维持。以前用到的主要是太阳能光伏电池，但是其运行的寿命短，需经常更新，这样增加了运行期间的总成本，而熔盐式太阳能热动力发电具有能量转换效率高、质量和迎风面积小的优点，并且很容易地扩充至兆瓦级，因此，逐步得到广泛应用。现在，高温熔盐已由空间发电发展到地面太阳能电站发电。研究表明，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。它也与阀、管、泵等相容性较好，Sandia研究中心(NSTTF)采用60%NaNO3、40% KNO3 (solar salt) 与硅石(silica sand)、石英石(quartzite rock)相结合进行研究，研究表明在290 400之间， 经过553次循环试验后没有出现填料腐蚀性问题。后来，该研究中心又用44%Ca ( NO 3 ) 2 、12NaNO 3、44KNO 3 ( Hitec XL )作试验，结果表明，在450500之间，经过10000次循环试验后，填料与熔融盐相容性仍很好，因而得到了大量使用。表 l 列出了一些常用的硝酸盐和导热油Therminol VP-1的性质。由表1可以看出，硝酸盐的密度、粘度和热容几乎相同，SolarSalt是太阳能熔盐发电的最佳选择，因为它有最高的上限温度(600)，这样可以保持蒸汽汽轮机在最高效率下运作。此外，它还是最便宜硝酸熔盐之一。但是Solar Salt 的凝固点太高(220)，通常的合成油凝同点只有10左右(Therminol VP-1，13，这就需要凝固点保护措施，因此就增加管道、阀门等设施的强度，从而也就增加了操作和管理的费用。后来，就出现了三元合成熔盐Hitec (142) 、Hitec XL (120)，这些熔盐的凝固点降低了很多，同时它们的上限温度却降低不多。由此可见，多元合成熔盐体系非常适合太阳能热发电，在太阳能热发电中有广阔的应用前景。4硝酸熔盐在太阳能热发电中应用前景 4.1混合熔盐成本及温度对操作成本的影响混合熔盐的成本是决定熔盐能否作为太阳能蓄热材料的先决条件，若材料成本比较高，用在太阳能热发电中就不现实。同时，温度对系统操作成本也有很大影响，操作温度高，高温熔盐蓄热率高，系统发电效率也高，长期来说，就可以降低操作成本。表2列出的是当太阳能发电系统温度从100到200变化时，各种高温蓄热材料蓄热成本受温度的影响。从表2可以看出，Solar Salt有最低的材料成本和蓄热成本，但它的熔点也最高，实际运用中需有熔点保护措施。Hitec XI材料成本比较高，但在单位蓄热成本方面比Therminol VP-l低，当温度升高200时，仅为Therminol VP-l 的70。虽然Hitec的熔点比Hitec XL高，但是它比Hitec XL有更低的价格优势。因此，与高温导热油相比，高温熔盐总的蓄热成本比较低，是非常适合太阳能热发电系统的。 表2 常见蓄热材料发电成本4.2实例操作 混合熔盐操作性能对系统成本有很大的影响，大约占LEC成本的1012。因此，为了更好地了解这一重大影响，人们就利用计算机模拟这一手段，它是在SOLERGYHE和LUZ模拟的基础上发展起来的，对太阳能发电厂有很大的指导作用。4.2.1混合熔盐对系统年净发电量的影响 以下是以一个有6h蓄热量的太阳能热发电厂为例，它用Therminol VP-1作为蓄热介质。通过同用Hitec XL蓄热优化作比较，重点讨论了混合熔盐高的熔点、高的操作温度和低的流量等对操作系统的影响，如图l 所示。从图l可以看出，相比Therminol VP-蓄热，由于混合熔盐在高的操作温度(450)下而使蒸汽汽轮机有高的发电效率，比VP -1年净发电量提高5。 同时，混合熔盐在系统中有低的流量和低的蒸汽压，这样可减少泵的输送效率消耗，从而使年净发电量提高6%。但是，混合熔盐也有高的操作温度和高的熔点(120)，这样就增大了系统的热损失，使年净发电量降低0.5。同时，由于需熔点保护而使年净发电量也会降低2。总的来说，采用高温熔盐蓄热使年净发电量由171GWh/a 提高到184G Wh/a ，提高了7.6，从而使发电成本降低了很多。4.2.2混合熔盐对系统成本的影响 以下仍以Therminol VP-1 蓄热与Hitec XL蓄热作比较，图2是在55MWe太阳能发电厂中，采用高温熔盐( Hitec XL)蓄热对热发电系统LEC成本的影响。由图2可知，同Therminol VP-1 蓄热比较，在450高温条件下操作使熔盐蓄热效率很高，这样就可以减少蓄热容器的体积，使LEC成本降低2.2；同时，蒸汽汽轮机发电效率和输液泵输送能力将会提高，使年发电量增加8.7，LEC成本减少量为10$/MWhe 。但是，由于防止高熔点的熔盐凝同而使系统LEC成本提高4.7。研究还表明，采用高温熔盐在450时，发电成本减少量为l美分/kWh；在500时，成本减少量为1.5美分k Wh。5结束语 通过以上分析可以知道，采用高温熔盐蓄热有很多的优点。若将高温熔盐同时作为传热