高温熔盐在太阳能热发电中的应用

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盐

在冶金工业中常用于钢和轻合金的处理，大多数盐的熔点在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，盐仍有很大的优势，故以下主要讲盐这种高温熔盐蓄热材料。

3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LiF—BeF2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 、12％NaNO 3、44％KNO 3 ( Hitec XL )作试验，结果表明，在450～500℃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 列出了一些常用的盐和导热油Therminol VP-1的性质。

由表1可以看出，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10～12％。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和蓄热流体，应用单个斜温层储热罐蓄热，将会更好地减少发电系统成本。研究表明，同两个蓄热罐相比较，单个斜温层蓄热方式可以便宜35％左右。对688MWht太阳能发电站熔融盐蓄热材料进行了成本分析，结果显示，用两个储热罐时平均价格为31$/kWh，而用单个罐只有20$/kWh，成本减少了35.5％，因此，高温熔融盐蓄热材料，特别是熔融盐 ，将是今后太阳能热发电系统中主要的蓄热和传热材料。