德国航天中心的储热技术开发的进展 - 副本

德国航天中心的储热技术开发的进展德国航天中心的储热技术开发的进展 Laing Doerte Steinmann Wolf Dieter Tamme Rainer W rner Antje Zunft Stefan 德国航天中心 38 40 德国斯图加特 摘要 摘要 热能储存是可再生能源的关键技术 而且还能够提高热过程的效率 涉及的行业包 括工业过程中的热量和常规和可再生能源发电 TES 热能储存 系统纠正热能的供给和需 求之间的不匹配 在中高温度范围内 只有很少集中热能储存技术可用 所以 我们要做 出很大的努力 来使得各种场合各种地方都有经济高效的储能方法可用 在德国航天研究 所的热力技术中完整频谱的高温存储技术 从潜热的各种类型的显热化学热储存正在开发 中 根据传热流体 合成油 水 蒸汽 熔融盐 空气 和所需要的温度范围 我们提出了 不同的概念 我们的目标是发展成本有效 高效和可靠的蓄热系统 我们的研究主要集中 在存储材料的特性 增强内部传热 设计创新的存储概念和存储元件和系统的建模 示范 的存储技术从实验室发展到现场 对热能储存的发展 本文给出了一个概述 关键词 关键词 储热 显热 潜热 热化学存储蓄热存储颗粒物料 CLC 号码号码 TK 51 文件代码文件代码 A 作者作者 ID 2095 4239 2012 01 013 13 1 引言引言 热储能对可再生能源的利用率和热过程的能量效率是一个很关键的因素 在很多领域 如如热电联产工厂 工业过程供热和发电 在许多应用中的成本效益的存储技术领域 国 家和欧盟都有很多政治要求 在 100 1000 摄氏度中 只有少量的热能储存技术 并且留下 了广泛的市场发展需要 DLR 目前的对高温储存的研究主要包括 1 余热回收和更好的热 用于工业过程中的范围内的管理 2 集中太阳能发电厂 3 绝热压缩空气能源 4 增加灵活性 存储电网稳定常规电厂 5 在车上的热管理 热能储存的类型在底层或者化学现象可以归为三类 显热储存 潜热储存和热化学储 热 此外 该存储概念被分为直接和间接存储系统 在直接连接的存储系统中的热量传热 流体也被用来作为存储介质 相反 间接存储系统利用不同的传热流体和存储介质中 热 耦合的传热流体和存储介质可是直接接触或间接接触型 对于不同的过程 可选择的热储 能方法有很多 这是并列使用传热流体的压力范围的传热流体 温度边界的条件下 热通 量水平的存储容量 此外 不同的技术 成熟程度明显不同 在 DLR 技术热力学研究所 温度范围从 100 1000 所有上面给出的 TE 技术正在开发 该研究主要集中在存储特性材料 增强内部 传热 设计创新的存储概念和建模存储组件和系统 我们的热存储技术从实验室阶段到现 场测试 所有目前的事态发展在下面的章节中描述 文本的其余部分是专用于对存储技术 的说明 概述其基本设置和功能 典型应用和目前的发展努力的方面 2 显热储存显热储存 在 DLR 我们对不同类型的显热技术进行了研究 1 再生型混凝土存储目标大多是抛物面槽式聚光发电中的应用植物使用合成油作 为传热流体 2 再生存储应用高达到 1000 时使用空气作为传热流体 这是在直接确保了坚实 的存储材料 3 用于各种传热流体的与外部的热的再生类型的存储换热器 可以直接使用空气 作为中间传热流体确保了固体的存储材料 4 作为固体储热材料的像流沙一样的材料可以同时用作存储库存和作为传热介质 5 集中太阳能的电厂中的熔盐存储运用 传统能源的电厂和工业余热回收 2 1 混凝土储存混凝土储存 高温下混凝土的发展存储的目标是应用在抛物面槽式聚光太阳能发电 CSP 的电厂 使用合成油作为传热流体 在目前的抛物面槽式电厂项目 最常见的应用是两个罐熔盐存 储技术 然而 这种技术有投资成本高 凝固点高的缺点 考虑到投资和维护成本 显热 存储技术应该有很大优势 德国航天中心与德国建筑公司艾德旭普林有密切的合作 他们 对热储存已经开始执行 一个具体的存储是一个固体的显热储存 其中的管状热交换器的 传热流体嵌入在混凝土中的存储材料 该管式换热器是用于运输和散发的热传递流体 同 时维持流体压力并存储混凝土存储热能量 通过这种分工的功能 耐用和安全施工得以实 现 考虑到投资和维护 混凝土储存是一个好的高温储存方法 使用混凝土固体储氢材料 是最合适的 因为它很容易处理 主要的聚集体可在世界各地 也没有环保关键部件 固体热储材料的物理特性 比如 密度 比热容 热导率 热膨胀系数 CTE 循环稳定性 以及可用的成本和制作方法跟他有很大的关联 高的热容降低了存储体积 高热导率增加了系统的动态 存储器的热膨胀系数应该与嵌入式金属换热器相似 一个高 的循环稳定性对于长寿命的储能元件非常有用 对于技术经济方面 高温混凝土材料很适 合作为高温储存材料 长期稳定性混凝土由 DLR 在烘箱实验已经证明通过测量强度可达 500 图一显示出了他的材料特性曲线 图一图一 基本的存储模块基本的存储模块 对于一个安达索尔型的 50 兆瓦槽式太阳能热电厂 利用热油作为传热流体 而且希望 总共存储 1100mw 热量 共需要 50000 立方米 这是不可能的 所以我们就必须建立一个 固态存储单元 因此 存储将建立模块化 由 252 基本存储模块组成 一个基本模块的尺 寸是受限的如由可用长度的管 运输尺寸的组件和可生产性 如图一显示出了一个模块的 优选尺寸 把这么多存储单元串联或者并连起来 63 个存储单元共有 400 吨 座落在一个 单独的房间内 大小约为长 300 米 宽 100 米 考虑到以上内容的安达索尔型抛物槽电厂 在西班牙的成本 38 亿欧元 图二图二 由由 252 个基本模块组成的个基本模块组成的 1100 兆瓦存储器兆瓦存储器 一个 50 兆瓦的电力抛物槽电厂 1100 兆瓦热混凝土蓄热表明 这种电厂是可以操作的 大约有百分之三十的电量是这样发出的 如果改善这一技术 比重会进一步增加 已经在 20 立方米的地方进行了材料的参数和存储性能的测试 测试模块的总长度为 9 米 存储混 凝土的长度是 8 37 米 它的高度 宽度为 1 70 米 1 30 米 管在工厂预登记 现场运输吊 运到事先准备好的基础上 混凝土浇筑后 用 40 厘米的模块覆盖侧面和顶部保温矿棉 我 们可以看出 完成测试的没有热绝缘 具体存储测试模块连接到存储加热 冷却测试设备 操作 热油作为传热介质上 截至目前 该系统已经在 200 至 400 摄氏度工作了 13000 小 时 大概 600 个热循环 测试已经证明了特定的存储容量为 0 66 千瓦 小时 立方 米 K 用于的具体存储测试模块至今还没有任何的故障 图三图三 二十立方米的混凝土存储单元二十立方米的混凝土存储单元 名称名称方程方程25 摄氏度时摄氏度时400 摄氏度时摄氏度时 密度密度2 25 克每立方厘米克每立方厘米 定压比热定压比热0 7 0 000875T0 721 05 热导率热导率1 467 0 000667T1 451 2 2 2 空气冷却过程中的热存储空气冷却过程中的热存储 对于应用程序及传热媒介 一个直接接触的允许尤其符合成本的设计 由图二所示存 储结构通常由多重堆砌的砖 不常见的的装置是要有个床 根据砖上的几何形状 存储高 度 50 m 是可行的 在充电期间 热气流沿着固体存储介质升的热被保存 在太阳辐射不足 的时间周期 反向流动方向允许放电以存储和提供电源 图四图四 热存储再生器元件热存储再生器元件 这样的安排 被称为蓄热型热仓库 有一个简单的设置 它们适用最高气温 从而有 最好的前景 目标应用中 使用热空气或烟道气作为热传递介质 此外 该技术是良好向上的可扩展到最大的模块 可以通过 经济规模 提供成本优 势 一个典型的类的存储介质是氧化陶瓷 这种材料类提供了广阔的选择 但在个别情况 下 需要的选项收窄 以确保兼容性与热流体介质的转移 现有的工业应用实例包括在钢铁行业 热风炉或 考珀 火炉 玻璃行业 工业空气 净化 RTO 在这种环境下的存储提供了一个预加热的气体高温或热回收功能 由于 它的设计的灵活性 再生器存储也非常适合于部署进一步新颖的运用 1 绝热压缩空气蓄能电厂允许大规模盐中的压缩空气的基础上的蓄电溶洞 培养 一个波动的电网整合风能和光伏发电 其 70 的高往返效率是由于在基础过程 中改进了管理方式 反过来是依赖十亿瓦的再热器规模 2 增加灵活性的植物化石能源变得越来越重要 系统波动的可再生能源所占的比例 较高能量 改造与联合循环电厂再生器存储在所述燃气轮机的烟气通道是一种非常有效的 手段 特别是结合 CHP 的时候 在这种应用中 存储提供了一个去耦的燃气涡轮机和蒸汽 周期的操作 允许优化的适应电网的要求 3 太阳能中央接收器基础上的电厂风冷式接收器是另一种非常适合的应用 在每一 个再热器单元中常压和加压两个概念全都存在 虽然概念早在 90 年代就已提出 但所需的 太阳能特定适应仍然是一个持续的研究对象 所有这些应用都是不同的主题项目活动 DLR 涵盖各个方面 包括仿真工具 设计研究和开发材料方面 为了验证计算工具和 概念 在 DLR 斯图加特测试床 HOTREG 已搭起 它的核心要素是一个五米高存储容器 内部更换的容器 从而允许快速地交换各种存储设置 见图 5 所示 所有的决定操作参数 如温度 压力 空气流量和空气湿度 可以在很宽的变化范围内 图五图五 德国航天中心的实验装备德国航天中心的实验装备 在这个技术风险中 通过的空气流的可能的分布不均库存可能发生的低压力损失的设 计中 引发了材料热利用率差 并最终导致了表现不佳的操作 因此 在这方面需要妥善 的设计 其中的一个起因可能是差的流量分配器 DLR CFD 计算流体动力学 模型 为各种形状的分销商已经被设立 用以阐述优化设计 此外 相关的流量均匀已经阐述了 CFD 参数研究 我们提供一个简单的方法来计算的程度初始设计的流动均匀性 要充分利用进一步改善的潜力 基于填充床的库存是一个很有前途的替代 它提供了 一个大的比换热面积 从而高传热率 允许紧凑的设计 此外 它提供了额外的低成本材 料的选择自由 虽然在使用中在某些应用中 如排气蓄热式热氧化空气净化 RTO 贮能堆积床有没有工业的大型例子 然而提高材料的可用范围和降低成本 是时候给出进 一步的发展了 填充层存储的开放式问题 包括机械方面及其影响耐久性的库存和绝缘材 料 热循环而产生的机械负载膨胀和收缩以及随后的压实的大宗材料为代表的风险故障 更具体点来说 一个主要问题是小点状的热机械力接触区域 可能会导致绝缘破损或者床 颗粒 导致了项目的失败 为了解决这样的技术风险 在德国航空航天中心正在开展的这 个题的调查 这包括模拟工具的发展 形成了基础参数研究使用仿真工具低应力的存储设 计 该模型描述 作为一个核心能力 大颗粒间的行为大规模存储实现足够程度的细节 是基于离散单元法 DEM 模型计算的机械状态和每个单独的粒子的运动 一个耦合 热模型的基础方程 回热器 然后允许一个现实的描述热诱导的机械负载 图六图六 计算存储的正常应力分布 左 计算存储的正常应力分布 左 试验台的力学填充层存储试验台的力学填充层存储 2 3 固体存储介质与外部热固体存储介质与外部热 如图 7 如图 8 熔岩储存的具体存储分布结构分析可见 虽然两个系统的主要花费都是盐 换热器代表了混凝土存储的主要概念 所有的两个项目 我们认为 进一步降低成本的空 间是有限的 这个发展起来的 CELLFUX 的目标就是降低显热储存的成本 这个项目最关键 的因素 就是想把存储元件 换成混凝土或者天然石 这使得路径上的空气流尽可能短 作为一种传输流体 空气在传热中处于一种低速的状态 所以热存储器件被做成高比表面 积的样子 虽然导热距离比较小 在本地传热的一个简单的模块 与现在用空气做导热流 体不同 我们把它分为一个个小的空间 像细胞 进行传热 空气不穿越这样的存储模块 的边界 示意图一个的 CellFlux 存储单元放到电厂中 这一数字还示出的封闭的空气循环 热交换器和存储容量为三个主要的子单一的存储单元 图七图七 熔盐储热概念的资金组成熔盐储热概念的资金组成 图八图八 混凝土储热的资金组成混凝土储热的资金组成 对三个主要为每个子组件各种状态提供先进的解决方案 这个识别最好的组合代表了 CELLFUX 发展最好的任务的概念 作为这些创新有如下选项 1 异构存储卷 当地的存储卷或孔隙度或许有所不同的 这种变化 入口的压力损失应该要被减小 传热 路径功率密度增加的应该更均匀 通过引入的存储卷中的折流板 与应用外部弯曲的比较 应该更节省成本和空间 2 热交换器 小部分的存储材料被布置在管直接接触运送传热流体 这种结构目的是延长的有效传 热面积的管的封闭的空气循环 外表面的结构显示了散热片或类似的结构 以增加传热面 通过使用存储材料代替金属使成本可显着降低 这种方法的成功至关重要的是整体的传热 阻力 3 风扇 集成的热交换器和风机都在考虑之列 其目的是减少两个表面带来的整体压力损失 由于这部分的高速度 所传热的扩散系数比较高 所以所需的传输面积可以减少 经过三 年的实验论证 这个概念可以被证明 理论辅之以实验室规模的试验研究 这些结果将提 供基础的布局包括试点存储单元中的 100 千瓦 500 千瓦 H 范围 相比其他的概念 该项 目将给出更为有效的数据 图九图九 集成到一个集成到一个 CSP 厂的厂的 CellFlux 存储的简化方案存储的简化方案 2 4 基于移动微粒材料的固体材料基于移动微粒材料的固体材料 在太阳能接收或者工业生产中 由于其简单性和成本效益 以砂状颗粒的材料为基础的固 态存储介质 如陶瓷或天然石材 是特别是有前途的 作为一个重要的优点细粒颗粒 这 样的 材料可用于作为存储库存和热传递介质 如下图所示 是一个利用这个存储技术系统的布 局的太阳能粒子接收机的系统 见图 10 然而 在放电过程中依赖于一个附加组件 要提取储存的热量 颗粒移动床的热交换 器 MBHE 是被认为是一个有利的技术选项 MBHE 是一种间接的热交换器 流动的散 装物料重力向下移动驱动 并通过热交换表面 其中可以是管 板或面板 它的优点是负 载低 投资成本低 很少需要维护和调整控制 以及有一个紧凑的设计 在确定设计标准 和底层 现象以及相关材料方面 DLR 在正在进行的研究工作 模拟已进行的 MBHE 使用数值多相流 模型 可行的设计方案 确定参数 如初始颗粒速度 平均颗粒尺寸和管装置在参数方面 有了研究 基于初始的仿真结果 测试模块已经实现了这样的热交换器 在试验台上已经得出验 证仿真结果 它实现了一个闭环的粒子流整合 MBHE 用热率 35 千瓦 最大颗粒温度 600 如图 11 所示 比较实验在试验台上进行相关规模确认计算结果 粒子图像测速 PIV 测量显示出良好的模拟速度形态 管表面的速度与入口速度成正比 受管间距的影 响 进一步的实验为验证在高温下的热换热器的热性能是工作正在进行中 图十图十 包括存储系统和集成热交换器的太阳能塔式电站 左 包括存储系统和集成热交换器的太阳能塔式电站 左 和其中一段的温度分布 右 和其中一段的温度分布 右 图十一图十一 在一个颗粒存储中用了一个热交换器 左 在一个颗粒存储中用了一个热交换器 左 PIV 测量的有机玻璃热交换模型测量的有机玻璃热交换模型 右 右 2 5 熔盐熔盐 如果高于 100 摄氏度 熔盐存热是个有吸引力的选择 熔盐的主要优点是成本低 高 热稳定性和低蒸气压 低压设计导致这个设施中没有压力容器 同时 盐可以在空气中进 行操作而且没有性能损失 熔融盐也可用于作为存储介质 并以热的传输流体 因此 间 接和直接存储概念都适用 在普遍上 我们从热过程的许多操作上得到了经验 在商业应用中 两个盐的混合物 硝酸钠 硝酸钾和三个盐体系硝酸钾 亚硝酸钠 硝酸钠被使用 对于太阳能热发电电厂 大规模的熔盐存储系统用容量为几万吨 通常情况下 我们用非共晶盐的混合物为 60 质量分数 硝酸钠和 40 的硝酸钾 共晶硝酸钠 硝酸钾的混合物的熔融温度 222 热稳定极限 在 550 左右 熔融盐的主要困难之一是在操作过程中的不必要的冻结 图十二图十二 钾离子钾离子 锂离子锂离子 钠离子钠离子 硝酸根硝酸根 亚硝酸根系统当硝酸根与亚硝酸根比为亚硝酸根系统当硝酸根与亚硝酸根比为 0 56 的情况的情况 这个液相线温度最低的混合物被涂成了红色 这个液相线温度最低的混合物被涂成了红色 DLR 的研究主要集中在合成系统具有低熔融温度和盐在高温下的热稳定性测定允许在 较宽的温度适用范围的熔盐存储 另一个重点是发展为进一步降低成本的新的熔盐存储概 念 技术 在内部测量部位的液相相图显示 锂 钠 NO2 NO3 被称为钾 锂 钠 NO2 NO3 EU 以前的文献证明了一个固定的比例 NO3 NO2 0 56 的配比下证明是 熔点为 80 图 12 示出的差扫描量热计 DSC 和熔点装置 MPA 导致温度系统的 液相线 对于温度颜色代码和插补 使用 MATLAB 功能 得到组合熔点最低的是锂 33 钾 48 和 Na 的摩尔比 硝酸根和亚硝酸根比是 0 56 一个未知的五元体系的钙 钾 锂 钠 NO2 NO3 已经被证明了 即使熔点很低 我们将在 SolarPaces 2012 发表这个报告 该混合物的液相线温度最低的被标记为红色 此外 稳定的测量分析法 非共晶混合物的 60 质量分数 硝酸钠和 40 不同的氧 分压的硝酸钾和加热速率 图 13 结果表明 升温速率对分解的温度有很大的影响 较高的加热速率带来较高分解温度 此外 所有的 测量显示更高的氧分压导致的到一个更高的分解温度 换句话说 的盐的混合物的稳定性 提高 结果外推到平衡条件 0 K min 1 的升温速率 在这里分解温度为合成空气 529 和氧气 562 测量尺寸指的是 3 的质量损失 它应被视为不同的质量损失的定义将 导致其他稳定限制 图十三图十三 根据部分氧气压力和加热速度的实验热重量分析法得出根据部分氧气压力和加热速度的实验热重量分析法得出 40 硝酸钾硝酸钾 60 硝酸钠硝酸钠 的热稳定性热稳定性的热稳定性热稳定性 我们的研究结果证实了稳定作用增加氧的分压在开放式系统的类型氮 氧气氛中的实 验 图 13 的实验的热重分析结果的热稳定性 40 KNO 3 60 的 NaNO3 取决于 的氧气分压和加热速率 0 5 K min 1 的 5 K min 1 的 为了能够分析和验证创新的 熔盐存储和传热流体的概念 在操作条件下 熔融盐的测试循环在 DLR 计划中是 2013 年 底 测试新的熔盐存储概念和必要的组件 例如泵和阀门 将有重大利益 我们将调查熔 融盐和 不同材质的管 阀门 轴承和填料 间的化学行为 3 潜热储存潜热储存 至于效率 一个基本需求储热是传热流体的温度之间 传热流体 和存储介质的差异 最小化 这需要的等温过程 使用的存储介质 用于像水 蒸汽与传热流体两相冷凝 蒸发 过程 一个明显的解决方案是潜热蓄热系统 潜热存储系统 存储材料也被命名为相变材 PCM 因为他们通过 固体变成液体 液体变成固体工作 在熔化过程中 该材 料吸收热 被称为熔化焓 保持恒定的温度 在凝固过程中相应释放同样的的热量 在一 个狭小的温度范围内 潜热储存材料作为热熔融和凝固使用是可行的 这些存储系统中的应用 包括太阳能热发电领域的直蒸汽利用和工业过程蒸汽蒸汽发 电利用 对于一个给定的 PCM 熔化温度是一个在一个给定的压力的材料常数 PCM 的选择取 决于水中压力循环带来的饱和温度 在 DLR 现在正在专注发展 120 摄氏度到 350 摄氏度 中间的潜热储存 在这种状况下 硝酸盐及其混合物在经济方面和熔化温度方面是非常有 竞争力的 在实验室中 我们已经制作并证明了这样一个实验室模型 硝酸钠 硝酸钾 亚硝酸钠的混合物熔融温度为 142 硝酸锂 硝酸钠熔融温度为 194 硝酸钠 硝酸 钾熔融温度为 222 和硝酸钠熔化温度为 305 图十四图十四 存储蒸汽的水存储蒸汽的水 蒸汽回路的示意图 左 和实物图 右 蒸汽回路的示意图 左 和实物图 右 硝酸盐的主要缺点是导热系数低 通常为约 0 5 W M K 这就要求成本效 益的设计概念克服的热输运性质造成的局限性 各种概念已经阐述了提高热传输的方法 翅片管的设计 采用径向或纵向铝翅片已经被确定为最有成本有效的设计 这样允许更高 的传热效率 高温潜热储能的可行性操作已被证明在试点规模存储使用硝酸钠 PCM 试用的储存方式包括一个钢管 它应用专门开发的翅片管的设计来达到所要求的高耐 热铝翅片流体和 PCM 之间的传输速率 这管寄存器被嵌入在该相变材料这是握在一个常 压遏制钢材板 水通过平行的钢管冷凝或蒸发 该 PCM 的熔化温度为 305 试点规模的 PCM 存储模块包含与近 14 万吨硝酸钠潜热大约 700 千瓦 小时 在充电模式 蒸汽具有温 度略高于饱和特性 通常 107 巴 320 1 巴 105Pa 的 导致凝结 确保冷凝水 排放口 介质仅以液体形式离开该模块 为了放电 PCM 模块上充斥着温度低于饱和的特性液态水 通常 80 巴 285 湿蒸汽在放电过程中由模块在蒸汽干燥分隔 干蒸汽被排出 然而同时 通过泵 又 能够得到液态水 这个世界上最大的高示范温度潜热储能成功的 1 兆瓦的蒸汽试验回路在西班牙卡沃内 拉斯恩德萨滨海电厂 他们在 2010 年和 2011 年的 2949 小时连续操作小时和 95 个充电 放 电循环 循环 测试已经证明了在不断的系统操作恒压力模式和滑压模式进行预期的放电容量约 700 千瓦 小时 虽然在恒压模式存储超过 700 千瓦的峰值功率可以被证明 但是滑压运行下的 输出功率超过了整个充放电过程 最后 除了强制循环操作 自然循环一次通过模式被证 明成功 未来有获得成本降低的完整的存储系统的潜力 这里 要么只有循环泵 要么就 是完整的 包括汽包 4 热化学存储热化学存储 一个可逆的热化学存储系统合成或分解释放热量或分为两个或两个以上的反应物的组 合 气 固反应特别适合这种情况 因为非常好分离 由于被打破 形成化学键 热化学 存储系统可以实现非常高的存储密度 而在同一时间有通过反应器中的压力调节热变形的 潜力 根据所选择的反应体系的温度范围内的存储应用程序可以被覆盖 在 DLR 氧化钙和蒸汽形成的反应氢氧化钙已经被查出好几年了 作为一种低成本的材 料 极佳的可用性 氧化钙可用于储热温度范围 400 600 广泛的热分析表明完全它 是可逆性反应的系统 反应动力学速度快 而低粉末材料的热导率的有应对合适的反应堆 概念 实验室大规模的实验可以证明直接加热反应釜的功能 在那里蒸汽和惰性传热流体 通过直接通过一个固定的 反应床 图 15 不过 压降要被监视而且移动床的概念目前 具有潜在的从储存反应 器的容量的电源去耦可能 作为一个板块正在实现一个间接的堆概念 在 DLR 作为传热 流体与空气的换热器内置 5kW 的大规模的存储容量为 20 千瓦 小时 第一次测试的结果非 常乐观 允许放电温度为 530 产热能力输出为 4 千瓦 图十五图十五 实验台为直接加热反应堆的氧化钙体系实验台为直接加热反应堆的氧化钙体系 图十六图十六 5 千瓦规模的间接发热反应堆千瓦规模的间接发热反应堆 据调查显示 这一创新技术的应用于集中太阳能发电厂 CSP 应用 氧化钙 氢氧 化钙系统的太阳能电厂 系统开发与示范 10 千瓦的反应器 实现了存储解决同时从材料端 的反应器的发展挑战 与太阳能系统集成电厂是定义操作热化学存储器参数关键的元素 并且将最后使用的基础技术经济评价 在低温的情况下 DLR 正在做一个 100 摄氏度以下的低品位工业废热利用 对于这样 的应用金属氢化盐是个有前途的候选的热化学反应而且氯化钙的可认定为具有高反应焓和 可逆性的 根据实验我们对 CaCl2 H2O 系统 G 进行了操作模式详细的热重分析 两种 不同的结果是可能的 具有高存储的操作模式密度和允许更高的可能放电温度 而后者则 是一个在存储密度为 220 千瓦小时 立方米热力学控制的气固反应 如果系统到一个更高的 水合状态的反应反应物 并且包括相变 才能使存储密度为 370 千瓦 h m 为了研究热的影响 和反应床内的传质 间接加热实验室反应器中与充电和放电功率 为 1 千瓦的存储容量为 4 千瓦已建成并进行了测试 鉴于气 固反应的传热是有限的 所 以传热流体和反应物质有较高的温差 因为他们受到了传热的限制 然而 只要作为发生 变化的材料 水的供应被限制了 只在进口处的有少量蒸汽 因此 我们更新了一个新式 的反应床 图十七图十七 实验台为氧化钙实验台为氧化钙 该反应的另一个有前途的选择 那就是利用多余的蒸汽 后者被用作热在间接加热的 传热流体 1 巴 100 与潮湿的空气 0 03 吧 RT 以除去在吸热脱水反应被释 放的蒸汽 排出的蒸汽 1 巴 100 被作为放热反应的气态反应剂 导致反应温度是 170 摄氏度 这时热可以转移到反应物体 因此 变化在反应器中的压力之间的脱水和水 化热有 50 左右改造可能 5 结论结论 热储能配置供热和热需求不匹配的时间非常关键 这就要求我们在工业生产的过程中 更加注重热存储 改进热管理 化石燃料更加灵活和太阳能热电站的调度更加经济有效的 这对发电产业也非常有好处 储热系统的一个特点是 他们相对于温度 功率水平和传热 流体是多样化的 这需要对产品组合有广泛的理解存储设计 途径和方法 今天 热储存 技术储量不足 热密度有限 效率有限 可靠性不佳等缺点 而且投资成本依然很高 这 种缺陷就是进一步在各领域发展热储存技术的障碍 DLR 现在的主要进程 是把热储存集 成相关的概念研究并开发出来 现在已经领导一个小组在高温储热这方面进行研究 当前的技术目标是 1 为了减少特定存储成本 2 增加的存储的能量密度材料和完善相关热物理存储材料的属性 3 要确定先进的换热充电和放电的机制 4 要制定符合成本效益的存储设计 5 确定系统的优化方法集成 由于高温存储应用程序调用适应的存储概念 DLR 关于各种存储概念的工作 被证是 优秀的 这几年取得的成就是 1 模块化的 可扩展的和可靠的混凝土要使用存储设计可达 400 2 再生存储在空气冷却的过程绝热压缩空气蓄能系统 为了提高热电联产电厂的 灵活性 而且为太阳能发电的风冷接收机提供基础 3 新的存储理念 结合从具体的存储和再生的经验存储的发展 适用于各种传热 流体的外置式换热器已经被国际上开始研究 4 用沙状颗粒材料进行搬迁粒子流化床换热器储存 5 熔盐存储 新盐混合物其特征在于低的熔点 在现规划阶段 进行融盐的开发 测试新的熔盐存储概念和必要的泵和阀门等部件 6 潜热存储这个世界上最大的高示范温度潜热储能成功的 1 兆瓦的蒸汽试验回路 在西班牙卡沃内拉斯恩德萨滨海电厂 他们在 2010 年和 2011 年的 2949 小时 连续操作小时和 95 个充电 放电循环 7 存储与可逆热化学气 固反应 不同气体的热化学密度大概在 1 5 千瓦的规 模 感谢感谢 本文的赞助来自于 DLR 的基金协会 几个项目的支持来自于德国联邦经济部技术部 德国联邦财政部环境 自然保护和核安全部 项目作为国际研究建议的一部分 本出版物 的责任人是作者 参考文献参考文献 1 Bahl C Laing D Hempel M St ckle A Concrete thermal energy storage for solar thermal power plants and industrial process heat SolarPACES 2009 elec Proc Berlin Germany 2 Laing D Lehmann D Fiss M Bahl C Test results of concrete thermal energy storage for parabolic trough power plants Journal of Solar Energy Engineering 2009 131 4 doi 10 1115 1 3197844 3 Laing Doerte Bahl Carsten Bauer Thomas et al High temperature solid media thermal energy storage for solar thermal power plants Proceedings of the IEEE 99 2011 1 9 4 Relloso 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C Development of the CellFlux storage concept for sensible heat The Solar PACES Granada Sept 2011 16 Kelly B Kearney D Thermal storage commercial plant design study for 2 Tank indirect molten salt system Final Report NREL 2006 17 Bahl C et al Pre kommerzielle Entwicklung der WESPE Speicher Technologie f r den Einsatz in ANDASOL Kraftwerken Forschungs vorhaben WANDA Schlussbericht TIB F 07 B 1516 2007 18 Baumann T et al Moving bed heat exchanger for solar driven steam cycles Modeling and validation Innostock 12th International Conference on Energy Storage Lleida Spanien 2012 19 Baumann T Zunft S Theoretical and experimental investigation of a moving bed heat exchanger for solar central receiver power plants Eurotherm 2012 Poitiers France 20 Bauer T Laing D Tamme R Recent progress in alkali nitrate nitrite developments for solar thermal power applications The Molten Salts Chemistry and Technology MS9 Trondheim Norway 2011 21 Breidenbach N Bauer T Laing D Tamme R Assessment and development of molten salt storage and heat transfer fluids for solar thermal power plants and industrial processes The World Engineers Convention Geneva Switzerland 2011 22 Cordaro J G Rubin N C Sampson M D Bradshaw R W Multi component molten salt mixtures based on nitrate nitrite anions The Solar PACES Perpignan France 2010 23 Bauer T Pfleger N et al Material aspects of solar salt for sensible heat storage The 12th International Conference on Energy Storage Lleida Spain 2012 24 Pacheco J E Final test and evalution results from the solar two project Sandia Report SAND 2002 25 Eck M Eickhoff M Fontela P Laing D et al Test and demonstration of the direct steam generation DSG at 500 The Solar PACES 2009 elec Proc Berlin Germany 2009 26 Tamme Rainer Bauer Thomas Buschle Jochen et al Latent heat storage abo