在全球能源結(jié)構(gòu)加速向清潔化、低碳化轉(zhuǎn)型的今天，可再生能源的高比例并網(wǎng)與電網(wǎng)調(diào)峰需求之間的矛盾日益凸顯。風(fēng)、光等波動(dòng)性發(fā)電技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，進(jìn)一步催生了長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能這一“剛需"——儲(chǔ)熱技術(shù)（包括儲(chǔ)冷）是儲(chǔ)能技術(shù)中的一種，它不僅是能源系統(tǒng)穩(wěn)定的“壓艙石"，更是實(shí)現(xiàn)“雙碳"目標(biāo)的關(guān)鍵橋梁。

水/水蒸氣、導(dǎo)熱油、空氣、液態(tài)金屬和熔融鹽都是常用的顯熱儲(chǔ)能材料。但水蒸汽的系統(tǒng)壓力大、導(dǎo)熱能力差；導(dǎo)熱油的上限溫度低，使用壽命短；液態(tài)金屬原料成本高，泄露后易著火、污染嚴(yán)重；空氣的儲(chǔ)熱性能不理想。而熔融鹽具有使用溫區(qū)廣、儲(chǔ)熱溫差大、儲(chǔ)熱密度高、傳熱性能好、工作狀態(tài)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)勢(shì)，適合大規(guī)模儲(chǔ)熱。基于上述特點(diǎn)，熔鹽儲(chǔ)熱已廣泛應(yīng)用到光熱發(fā)電、清潔供暖、余熱回收、火電靈活性改造等領(lǐng)域，并在光熱技術(shù)領(lǐng)域大量推廣應(yīng)用。其中，光熱發(fā)電+熔鹽儲(chǔ)能的組合憑借熱電轉(zhuǎn)換效而受到青睞。截至2022年底，全球光熱發(fā)電總裝機(jī)量已突破6000 MW，國(guó)內(nèi)也有青海中控太陽(yáng)能發(fā)電有限公司德令哈熔鹽塔式50 MW電站項(xiàng)目、蘭州大成敦煌10 MW菲涅爾熔鹽電站項(xiàng)目等投產(chǎn)運(yùn)行。為了確保太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，新建的光熱發(fā)電系統(tǒng)基本綁定熔鹽儲(chǔ)能建設(shè)，提高熔鹽儲(chǔ)能效率已成為降低光熱發(fā)電成本的重點(diǎn)。熔鹽儲(chǔ)能在其他方面的已投產(chǎn)應(yīng)用主要為火電靈活性改造，宿州熱電廠改造是目前在建最大的“火電+熔鹽"項(xiàng)目，設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱容量達(dá)1000 MW/h，能有效解決機(jī)組調(diào)峰出力與供汽之間的矛盾，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

圖 1 熔鹽儲(chǔ)能在各行業(yè)的應(yīng)用^[1]

圖 2 光熱發(fā)電的主要成本^[2]

熔鹽儲(chǔ)能的研究主要集中于儲(chǔ)熱工質(zhì)與儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，前者在于篩選和開發(fā)具潛力的傳熱蓄熱介質(zhì)，后者則是根據(jù)前者的性能配套傳熱蓄熱設(shè)備，包含熔鹽儲(chǔ)罐、傳熱管路、換熱器等。

熔鹽作為熔鹽儲(chǔ)能設(shè)備核心，尋找綜合性能最佳的混合熔融鹽是目前熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的重要研究方向之一，具體從性能、成本等多方面因素綜合考慮，優(yōu)選最合適的儲(chǔ)熱熔鹽。目前成熟的熔鹽儲(chǔ)能介質(zhì)包括硝酸鹽、氯化鹽、氟化鹽和碳酸鹽等，不同種類熔鹽配方多樣，考慮其熔點(diǎn)與分解溫度不同，所適用的儲(chǔ)能場(chǎng)景不同，常見(jiàn)的幾種熔鹽熱物性參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)使用同陰離子的多種鹽混合以實(shí)現(xiàn)更好的儲(chǔ)熱介質(zhì)性能。

表 1 常見(jiàn)熔鹽的熱物性參數(shù)

硝酸鹽在熔鹽儲(chǔ)能工質(zhì)應(yīng)用較為成熟，具有成本低、腐蝕性小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛使用到CSP電站中。目前常用的商業(yè)化熔鹽有太陽(yáng)鹽(60% KNO₃ - 40% NaNO₃)和Hitect熔鹽(53% KNO₃ - 7% NaNO₃ - 40% NaNO₂₎，均為較成熟的硝酸鹽體系。然而，兩種硝酸鹽的最大使用溫度僅在540℃左右，較低的工作溫度限制了硝酸鹽進(jìn)一步發(fā)展。雖然新開發(fā)的Li、Na、K三元碳酸熔融鹽（32.1% Li₂CO₃ - 33.4% Na₂CO₃ - 34.5% K₂CO₃），表現(xiàn)出熱容量高（1610 J/（kg·K））、熱導(dǎo)率高（0.612 W/m·k，575 ℃）、熔點(diǎn)低（397 ℃）、熱分解溫度較高（>670 ℃）的優(yōu)異熱物性，但是Li鹽的成本問(wèn)題無(wú)法忽視。^[3]碳酸鹽和氯化物熔鹽憑借更好的熱穩(wěn)定性而更受青睞。碳酸鹽作為傳熱蓄熱材料已被廣泛研究。北京工業(yè)大學(xué)馬重芳團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了36種不同比例的Li₂CO₃ - Na₂CO₃ - K₂CO₃共晶碳酸鹽熱物性，該系列共晶碳酸鹽可實(shí)現(xiàn)800-850℃的分解溫度，并且具備較好的熱物理性能。氯化物熔鹽成本低廉，其研究主要集中于抗腐蝕方面，因?yàn)橐?guī)模化應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)難以避免的雜質(zhì)驅(qū)動(dòng)腐蝕現(xiàn)象，氯化鹽易吸水并在高溫下產(chǎn)生HCl氣體溶解在高溫熔鹽中腐蝕罐壁，這使得所有氯化鹽熔鹽系統(tǒng)必須做防腐蝕處理（特種鋼材、防腐蝕涂層、犧牲陽(yáng)極等）。^[4]氟化物熔鹽的熔點(diǎn)和相變潛熱都較高，在熔鹽堆(molten salt reactor， MSR)中可用作核燃料載體和冷卻劑，其熱物理化學(xué)性質(zhì)可極大提高MSR的傳熱效率，與金屬容器材料的相容性也較好。但氟化鹽存在毒性，必須在閉合系統(tǒng)中使用，限制了其應(yīng)用范圍。除了進(jìn)行熔鹽組分和配比的探索，納米顆粒摻雜也被證實(shí)能有效提高熔鹽熱物性，1% SiO₂納米顆粒就能實(shí)現(xiàn)比熱容6.65~15.99%的提升^[5]，石墨烯、碳納米管、氧化鋁和氧化鈦等材料也被證實(shí)能有效提高比熱和熱導(dǎo)率性能^[6]。

除了熔鹽，性能優(yōu)異的熔鹽儲(chǔ)罐也是熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要組成部分，其原理是在熔鹽經(jīng)過(guò)換熱進(jìn)入熱罐，將太陽(yáng)能或是其他熱能轉(zhuǎn)化成高溫熔鹽的形式存儲(chǔ)在罐中，并在必要時(shí)輸出熔鹽，為汽機(jī)等提供穩(wěn)定的熱源。現(xiàn)階段關(guān)于高溫儲(chǔ)熱罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)主要是參考類似的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如 GB 50341、SH/T 3068、API 650 和相應(yīng)的一些通用標(biāo)準(zhǔn)。熱罐的使用溫度在565℃左右，罐體材料通常選擇低碳奧氏體不銹鋼，如304/316/347系列；冷鹽罐的使用溫度在290 ℃左右，罐體材料通常選擇碳鋼，如Q345系列，需考慮材料的腐蝕額裕量。通常采用表面涂層處理方法來(lái)提高碳鋼的耐腐蝕性，可選用兩種涂料：有機(jī)硅系列耐熱涂料和惰性聚合物系列耐熱涂料。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，有機(jī)硅系列耐熱涂料更為適合。^[7]圍繞罐體還配套建設(shè)有隔熱層、保溫層、冷卻系統(tǒng)等復(fù)合地基系統(tǒng)保障儲(chǔ)罐穩(wěn)定運(yùn)行。^[8]

圖 3 熔鹽儲(chǔ)罐復(fù)合地基示意圖

圖 4 罐體支持材料的物理參數(shù)^[9]

在熔鹽儲(chǔ)能的研發(fā)與應(yīng)用中，由于熔鹽所具有的高溫特質(zhì)，還必須要對(duì)所有涉及的材料進(jìn)行熱物性分析。在熔鹽材料方面，主要使用量熱儀STA測(cè)量熔鹽的DSC與TG曲線，可以獲得熔鹽的相變點(diǎn)與分解溫度，對(duì)比藍(lán)寶石標(biāo)樣曲線還能獲得比熱相關(guān)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上可以初步確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作溫度范圍。然后再通過(guò)激光導(dǎo)熱儀LFA獲取導(dǎo)熱系數(shù)、綜合物性分析儀（阿基米德法）測(cè)量獲取高溫下密度和旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)獲取粘度參數(shù)，用于后續(xù)的熔鹽儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備設(shè)計(jì)。對(duì)于儲(chǔ)罐材料主要測(cè)量其保溫性能與機(jī)械性能相關(guān)參數(shù)，除了和熔鹽同樣要測(cè)量的導(dǎo)熱系數(shù)、密度等參數(shù)，還需要通過(guò)熱膨脹儀測(cè)量膨脹系數(shù)、彈性模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)。在獲取以上必要參數(shù)后，可將其導(dǎo)入熱仿真設(shè)計(jì)軟件中（EBSILON、 Simcenter Flomaster、 ANSYS Workbench等）以進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)工作。

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