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10月25日，由ESPLAZA長時儲能網、CHPLAZA清潔供熱平臺主辦，湖州工業控制技術研究院與浙江綠儲科技有限公司聯合主辦，內蒙古梅捷新能源科技有限公司冠名贊助的2024第五屆中國儲熱大會在浙江湖州盛大召開，北京大學講席教授楊榮貴出席會議，對高溫液體顯熱儲能技術的優勢與挑戰進行了分析。

圖：楊榮貴

一、研究背景

據楊榮貴介紹，雙碳戰略下，大(da)規模(mo)長(chang)(chang)時(shi)間(jian)儲能技術是(shi)實現(xian)電網深調峰(feng)、頂尖峰(feng)的(de)重要手段，也(ye)是(shi)可再生(sheng)能源大(da)規模(mo)應用(yong)的(de)關鍵。近年來，儲能裝機呈大(da)幅增長(chang)(chang)趨勢，高溫熱(re)儲能、壓(ya)縮(suo)空(kong)氣等新(xin)型(xing)長(chang)(chang)時(shi)儲能技術具有廣闊的(de)發(fa)展(zhan)前景，正在快(kuai)速增長(chang)(chang)。

二、各類熱儲能技術對比

▌高溫熱儲能

1、規模與靈活性優勢

楊榮貴(gui)表示，高(gao)溫熱儲(chu)能(neng)可以實現大規模儲(chu)能(neng)，有功率高(gao)(GW)與儲(chu)能(neng)時間長（＞4小時）的特點(dian)；高(gao)溫熱儲(chu)能(neng)不受(shou)地(di)理與環境因素限制，相比(bi)其(qi)他長時儲(chu)能(neng)技術有靈活(huo)性和適(shi)用(yong)性優勢。

2、成本優勢

另外，高溫熱(re)儲能具(ju)備(bei)投資成(cheng)本低(di)、度(du)電(dian)(dian)成(cheng)本低(di)（光(guang)熱(re)等熱(re)發電(dian)(dian)系統中）的優勢，其(qi)成(cheng)本遠低(di)于(yu)電(dian)(dian)池等其(qi)他儲能技術。

3、規模化應用

楊榮貴展示了(le)高溫熱儲(chu)能(neng)在(zai)光熱電站、壓縮空氣儲(chu)能(neng)電站、火(huo)電站三(san)個(ge)領域的應用規模(mo)以(yi)及(ji)基(ji)本參數(shu)情況。

▌熱儲能技術分類

楊榮(rong)貴展示(shi)了不同(tong)種類儲熱(re)材料的(de)應用(yong)溫區以及(ji)潛在的(de)應用(yong)場景，并表示(shi)任(ren)何一個技術(shu)只有在適配的(de)應用(yong)場景才能發揮(hui)最(zui)好的(de)作(zuo)用(yong)。

1、液體顯熱儲能技術

楊榮貴(gui)表(biao)示(shi)，液體顯熱(re)(re)儲能技術主要有流動(dong)循環儲熱(re)(re)系統和靜態/模塊化(hua)儲熱(re)(re)系統，其主要傳熱(re)(re)機制、優劣(lie)勢(shi)如下(xia)圖所示(shi)。

2、固體顯熱儲能技術

固體顯熱(re)(re)(re)儲能技(ji)術主要(yao)有流(liu)化床(chuang)儲熱(re)(re)(re)系(xi)統、移動床(chuang)儲熱(re)(re)(re)系(xi)統、固定(ding)床(chuang)儲熱(re)(re)(re)系(xi)統，其(qi)主要(yao)傳熱(re)(re)(re)機制、優劣勢如下圖(tu)所示。

3、潛熱儲能技術

潛熱(re)儲(chu)能技術主(zhu)要有膠囊(nang)儲(chu)熱(re)系統(tong)、管殼式儲(chu)熱(re)系統(tong)，其(qi)主(zhu)要傳(chuan)熱(re)機制、優劣勢(shi)如下圖所示。

4、熱化學儲能技術

熱化學(xue)儲(chu)能(neng)技術主要(yao)有固-氣儲(chu)熱系(xi)統(tong)、液-氣儲(chu)熱系(xi)統(tong)，其主要(yao)傳熱機制(zhi)、優(you)劣勢(shi)如下圖所示(shi)。

▌熱傳導與對流傳熱速率對比

楊榮貴表示，傳熱(re)(re)機制是決(jue)定熱(re)(re)儲能(neng)系(xi)統儲放(fang)熱(re)(re)性能(neng)的關鍵，真(zhen)正(zheng)把(ba)技術變為現(xian)實(shi)，傳熱(re)(re)速率(lv)問題尤為重要(yao)。

假設存(cun)在同樣幾何尺寸(cun)和初始溫(wen)度(du)的(de)固(gu)體、靜態液體和流動液體熔鹽作為儲熱介質(zhi)，三種(zhong)介質(zhi)熱物(wu)性(xing)均選用太陽(yang)鹽的(de)物(wu)性(xing)，設置介質(zhi)表(biao)面溫(wen)度(du)突然升高300℃，通過數值模擬方法求解加(jia)熱不同時間后三種(zhong)介質(zhi)的(de)溫(wen)度(du)分布如下。

結(jie)果(guo)顯示流動液體(ti)熔鹽平均溫(wen)度上(shang)升最快(kuai)，靜態液體(ti)次之，固(gu)體(ti)溫(wen)度上(shang)升最慢；傳熱(re)速率由高至(zhi)低依次為：強迫對流、自(zi)然(ran)對流、固(gu)體(ti)熱(re)傳導(dao)。

另外，對比不同介質(zhi)的(de)傳(chuan)(chuan)熱(re)(re)速率：選用相同假設，考(kao)慮不銹(xiu)鋼介質(zhi)熱(re)(re)傳(chuan)(chuan)導(dao)（高熱(re)(re)導(dao)率固(gu)體，k≈20W/m?K）與(yu)水泥(ni)介質(zhi)熱(re)(re)傳(chuan)(chuan)導(dao)（中等(deng)熱(re)(re)導(dao)率固(gu)體，k≈2W/m?K）與(yu)此前三種(zhong)情形進(jin)行(xing)比較，得出結論如下：

流(liu)動液體熔鹽強迫(po)對流(liu)傳熱速率高于(yu)不銹(xiu)鋼(gang)介質；

靜態(tai)液體熔(rong)鹽自(zi)然對(dui)流(liu)的傳熱速率(lv)前期(qi)略慢于水泥介(jie)質，而之后由于對(dui)流(liu)行為使得璧面處的流(liu)體與固體溫差保(bao)持(chi)一定(ding)數(shu)值(zhi)，因此熔(rong)鹽自(zi)然對(dui)流(liu)傳熱速率(lv)在加(jia)熱后期(qi)將高于水泥介(jie)質；

固體(ti)熔(rong)鹽(yan)熱(re)傳(chuan)導(dao)速率較(jiao)慢，因為(wei)其熱(re)導(dao)率較(jiao)低，約k≈0.5W/m?K，但(dan)該數(shu)值仍等于(yu)或(huo)略高于(yu)多數(shu)相變儲熱(re)材料的熱(re)導(dao)率。

▌液體顯熱儲能技術

低(di)熔點(dian)、高(gao)熱(re)穩定性(xing)、流動性(xing)好（低(di)粘度）、高(gao)熱(re)導(dao)率(lv)(lv)、高(gao)比(bi)熱(re)容、低(di)腐蝕速率(lv)(lv)、低(di)成本是液(ye)體(ti)顯(xian)熱(re)儲熱(re)介質的關鍵性(xing)能指標。

楊榮(rong)(rong)貴表(biao)示，熔鹽的(de)(de)(de)眾多物性中(zhong)，熱(re)導率的(de)(de)(de)測量較(jiao)為(wei)復(fu)雜，此前不同文獻中(zhong)的(de)(de)(de)數據(ju)偏差較(jiao)大；當前楊榮(rong)(rong)貴及其團隊研(yan)究(jiu)提(ti)出了(le)一個改進的(de)(de)(de)激(ji)光閃(shan)光測量方(fang)法(fa)以提(ti)升熔鹽在(zai)液態時的(de)(de)(de)熱(re)導率測量精(jing)度(du)，優化(hua)了(le)相關(guan)液體容器設(she)計，最(zui)小化(hua)相關(guan)測量誤差以及熱(re)場中(zhong)的(de)(de)(de)不理想因素（存(cun)在(zai)對流(liu)、側壁導熱(re)等）。

楊榮貴及其團隊近(jin)期在研究顯(xian)熱儲熱技術(shu)，他報(bao)告了團隊在熔鹽(yan)和單質(zhi)硫兩(liang)種儲熱介質(zhi)的研究進展與思(si)考。

三、熔融鹽熱儲能技術

楊榮(rong)貴表示(shi)，硝(xiao)酸基熔鹽具有粘(zhan)度低、腐蝕(shi)(shi)速率(lv)不高(gao)、成(cheng)本相(xiang)對較低的(de)(de)優(you)勢，但其高(gao)溫(wen)易分解，儲熱溫(wen)度上限無法滿足(zu)超臨界火電機組的(de)(de)要求；氯基熔鹽高(gao)溫(wen)不分解，但熔點(dian)(dian)高(gao)（低熔點(dian)(dian)配(pei)方蒸氣壓高(gao)）且(qie)高(gao)溫(wen)腐蝕(shi)(shi)性極(ji)強(qiang)。

▌高溫熔鹽研究現狀的問題與挑戰

楊榮貴(gui)就高(gao)溫(wen)熔鹽的(de)研究現(xian)狀(zhuang)提出問題：“為(wei)什(shen)么太陽鹽的(de)工作溫(wen)度(du)上限是565℃，而Hitec鹽是450℃？”

他(ta)表示，硝基熔(rong)鹽在高(gao)溫下的穩定性(xing)，主要與(yu)以(yi)下三個反應相(xiang)關：

(1)硝酸根(gen)(MNO3)與亞(ya)硝酸根(gen)(MNO2)的相(xiang)互轉(zhuan)化(hua)（可(ke)逆反應）；

(2)生(sheng)成氧化物(wu)的(de)反(fan)應（M2O）（可逆反(fan)應）；

(3)生成氮氣的反應（不可逆反應）。

楊榮貴表示，抑制(zhi)上述不(bu)可逆反(fan)應(ying)至關重要。

當溫度高于450℃時，太陽鹽(yan)隨著(zhu)溫度升高重(zhong)量減(jian)小(xiao)，而(er)Hitec鹽(yan)重(zhong)量先增加再減(jian)小(xiao)，如下(xia)圖所(suo)示。

溫(wen)度(du)高于450℃時(shi)，太陽鹽（60NaNO3-40KNO3）開(kai)(kai)始分解，最開(kai)(kai)始的(de)反(fan)應如下，推測(ce)在565℃，會(hui)生成一(yi)小(xiao)部分亞硝(xiao)酸鹽。

相(xiang)反，Hitec鹽中(zhong)含有大量的亞硝酸根，在(zai)空氣(qi)氣(qi)氛中(zhong)一開始會先被氧化，產生增重現象(xiang)。因此(ci)，Hitec鹽更適(shi)合在(zai)氮(dan)氣(qi)保護氣(qi)氛下使用。

溫(wen)度(du)高于565℃時,推測(ce)兩種鹽會(hui)首(shou)先(xian)由于反應(ying)平衡達(da)到(dao)接(jie)近(jin)的組分,或者(zhe)說NO3-/NO2-近(jin)似相等。更高溫(wen)度(du)下（620-680℃）會(hui)生(sheng)(sheng)成氧化(hua)物和(he)氮氣(qi)，均產(chan)生(sheng)(sheng)快速失重的現(xian)象。

另(ling)外(wai)，楊榮貴(gui)就高溫熔(rong)鹽的研(yan)究現狀提出挑戰：“如何控制硝基熔(rong)鹽的穩定性？”

楊榮(rong)貴表(biao)示，除(chu)從機理上進一步研究硝(xiao)基熔鹽的(de)(de)(de)(de)三個(ge)反應之外，還需要(yao)更(geng)先進的(de)(de)(de)(de)測(ce)試方法，比如，服役工況下(xia)的(de)(de)(de)(de)測(ce)試（靜態、動態）、反應物(wu)的(de)(de)(de)(de)在線檢測(ce)方法（氣(qi)-液-固產物(wu)）；另(ling)外，需要(yao)通過配方設(she)計（陽(yang)離(li)子(zi)、陰離(li)子(zi)）、氣(qi)氛控(kong)制（氧分(fen)壓）等方法控(kong)制硝(xiao)基熔鹽穩定性。

▌熔鹽電加熱器

楊榮貴(gui)表示(shi)，熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)儲熱(re)(re)與(yu)新型電(dian)(dian)力系統(tong)深度耦合需(xu)要提升電(dian)(dian)加(jia)熱(re)(re)器(qi)電(dian)(dian)壓(ya)等級與(yu)功率(lv)水平。傳(chuan)統(tong)電(dian)(dian)阻式加(jia)熱(re)(re)器(qi)是目前廣泛(fan)采用的(de)電(dian)(dian)加(jia)熱(re)(re)器(qi)，但存在電(dian)(dian)壓(ya)等級低(di)(di)和成本高(gao)的(de)問(wen)題；傳(chuan)統(tong)感應式電(dian)(dian)加(jia)熱(re)(re)器(qi)則效(xiao)率(lv)較低(di)(di)；傳(chuan)統(tong)電(dian)(dian)極(ji)式加(jia)熱(re)(re)主要用于(yu)鹽(yan)(yan)浴(yu)爐，電(dian)(dian)壓(ya)等級也較低(di)(di)。新型高(gao)電(dian)(dian)壓(ya)、高(gao)功率(lv)熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)電(dian)(dian)加(jia)熱(re)(re)器(qi)的(de)研究(jiu)近些年十分活躍。

楊榮貴(gui)及(ji)其團隊提出一種電(dian)極(ji)(ji)式熔(rong)鹽電(dian)加熱的原理(li)(li)與設計(ji)方法，搭(da)建熔(rong)鹽電(dian)極(ji)(ji)式加熱試驗系統，初(chu)步驗證電(dian)極(ji)(ji)式加熱原理(li)(li)可行性(xing)以及(ji)理(li)(li)論(lun)預(yu)測結果的有(you)效性(xing)。

在熔鹽流量0.05 m/s-0.21 m/s，電壓從(cong)200V-600V的(de)范(fan)圍內測試(shi)了電極式加熱器，測試(shi)結(jie)果符合理(li)論計算。

▌熔鹽-蒸汽換熱器技術

楊榮貴表示，熔鹽-蒸(zheng)汽(qi)換熱器(qi)是基(ji)于熱儲(chu)能(neng)的(de)火電(dian)廠(chang)改造以及調峰(feng)電(dian)廠(chang)的(de)核心裝(zhuang)備。蒸(zheng)汽(qi)尤其是超(chao)臨(lin)界蒸(zheng)汽(qi)在臨(lin)界點附(fu)近(jin)具有劇烈的(de)物性參(can)數變化，造成換熱器(qi)出現(xian)“夾點”，傳統換熱器(qi)設計方法在該情形下具有較(jiao)大誤差(cha)，需要開發準確的(de)換熱器(qi)設計模型。

▌CFD仿真模型搭建

經過(guo)實驗(yan)驗(yan)證的(de)(de)CFD模(mo)型可以準(zhun)確(que)模(mo)擬換(huan)(huan)熱(re)器(qi)中兩側(ce)流體的(de)(de)溫(wen)度(du)場、速度(du)場與壓力場，目(mu)前(qian)已對管殼式(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)以及繞管式(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)中的(de)(de)核心區(qu)域(yu)完(wan)成模(mo)型建設與驗(yan)證工作。不(bu)過(guo)，大(da)規模(mo)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)的(de)(de)CFD仿真具有(you)龐大(da)的(de)(de)計算量，無法(fa)完(wan)成換(huan)(huan)熱(re)器(qi)多參數優化等工作。

▌分布式參數模型構建

另外，楊榮貴及(ji)其團隊通過(guo)(guo)將求(qiu)解(jie)域離散成(cheng)多個能量(liang)平衡的計算單元來(lai)求(qiu)解(jie)溫(wen)度(du)分布(bu)，較CFD模型(xing)提升計算速度(du)超(chao)過(guo)(guo)100倍。離散單元尺(chi)度(du)由當(dang)前(qian)溫(wen)度(du)下工質的熱物(wu)性梯度(du)決定(ding)，同(tong)時保證計算效率與準確度(du)。當(dang)前(qian)模型(xing)與25組(zu)實驗(yan)數據吻合較好，平均誤差(cha)維持在±3%以內，且較此前(qian)發表的分布(bu)式參數模型(xing)具有更高的計算效率與精度(du)。

四、單質硫熱儲能技術

楊榮貴展示了(le)團隊(dui)在(zai)新型高溫熱儲能介質-單質硫的一(yi)些(xie)工作。

楊榮貴(gui)表示，硫(liu)元素在地球上的(de)儲量大，目(mu)前的(de)工業單(dan)質硫(liu)生產成本極低(di)，約1000元/噸(dun)，只有商用硝(xiao)酸(suan)基熔融(rong)鹽（太陽鹽）的(de)1/5。除此之(zhi)外，單(dan)質硫(liu)具有良好的(de)高溫(wen)穩(wen)定性，不存在高溫(wen)分解問題。同時，單(dan)質硫(liu)的(de)熔點低(di)（約114℃），比商用硝(xiao)酸(suan)基熔鹽（太陽鹽）低(di)100℃左右。

他還指出，單(dan)質(zhi)(zhi)硫儲熱也(ye)有一些(xie)瓶(ping)頸問題：首先，單(dan)質(zhi)(zhi)硫的(de)高溫腐(fu)蝕性較強(qiang)，對(dui)不銹鋼材(cai)料的(de)年腐(fu)蝕速率高于硝酸基熔鹽；其次，液態單(dan)質(zhi)(zhi)硫粘(zhan)度(du)偏高，工業(ye)純硫的(de)峰值粘(zhan)度(du)大于100mPa·s，限制了(le)其流(liu)動與傳熱。

為此，楊榮貴及其團(tuan)隊對單質(zhi)硫的(de)腐(fu)蝕(shi)與抗腐(fu)蝕(shi)機理進行了一些研(yan)究。他們發現，封閉條(tiao)件下(xia)400℃單質(zhi)硫對SS316不(bu)銹(xiu)鋼材料的(de)腐(fu)蝕(shi)速率超過100μm/年，不(bu)過腐(fu)蝕(shi)產物(wu)相對均勻(yun)，產物(wu)內側的(de)致密硫化(hua)鉻層有(you)一定的(de)抗腐(fu)蝕(shi)保護作用。

對此，他們(men)進(jin)一步探究(jiu)合金(jin)中元素比例變化對于致密腐蝕(shi)產物(wu)鈍化效果(guo)的(de)影(ying)響，并(bing)篩選(xuan)得到(dao)適用(yong)單質硫儲熱系統的(de)高(gao)溫耐蝕(shi)合金(jin)。

另外，此前關于(yu)單質硫(liu)(liu)(liu)粘(zhan)度(du)(du)調控(kong)機(ji)理(li)的研究(jiu)表明：單質硫(liu)(liu)(liu)分(fen)子在160-250℃左(zuo)右(you)的聚(ju)合行為導致其粘(zhan)度(du)(du)急速上升，但長(chang)(chang)鏈硫(liu)(liu)(liu)會在溫度(du)(du)進一步升高或存在雜質等(deng)條件下發生(sheng)(sheng)解聚(ju)，從而降低粘(zhan)度(du)(du)。目前楊榮貴(gui)及其團隊正在研究(jiu)少量摻雜對單質硫(liu)(liu)(liu)長(chang)(chang)鏈分(fen)子產生(sheng)(sheng)解聚(ju)作(zuo)用機(ji)制，以(yi)此開發單質硫(liu)(liu)(liu)粘(zhan)度(du)(du)調控(kong)技術與(yu)低粘(zhan)度(du)(du)摻雜硫(liu)(liu)(liu)儲(chu)熱材料體系。

楊榮貴表示，此前做過35kWh單(dan)質硫(liu)儲熱(re)(re)-太陽能(neng)集熱(re)(re)示范系統(tong)，綜合性能(neng)不錯。他坦言，單(dan)質硫(liu)熱(re)(re)儲能(neng)技術具(ju)備(bei)較(jiao)好的發展前景，希(xi)望行業(ye)內(nei)共同努力(li)。

最后，楊榮貴表示，高溫(wen)熱儲能技術發電側(ce)和(he)用(yong)電側(ce)均有應用(yong)。未來，基于高溫(wen)熱儲能的大規(gui)模儲能系統(tong)有望成(cheng)為新型(xing)電力系統(tong)的能源(yuan)調度核(he)心。