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CSPPLAZA光熱發電網訊：在(zai)現(xian)階(jie)段(duan)商(shang)業化塔式(shi)光熱(re)電站中(zhong)，往往采用雙(shuang)罐(guan)儲(chu)(chu)熱(re)技(ji)(ji)術(shu)(shu)——承擔(dan)儲(chu)(chu)熱(re)功能的(de)熔鹽(yan)被(bei)分(fen)別儲(chu)(chu)存在(zai)熱(re)罐(guan)和(he)(he)冷罐(guan)中(zhong)，但目前(qian)另一(yi)種(zhong)有希望降低(di)儲(chu)(chu)熱(re)成本的(de)技(ji)(ji)術(shu)(shu)正(zheng)在(zai)被(bei)越來越多地研(yan)究，即——單罐(guan)溫躍層(ceng)儲(chu)(chu)熱(re)，該(gai)技(ji)(ji)術(shu)(shu)將熱(re)儲(chu)(chu)和(he)(he)冷儲(chu)(chu)集中(zhong)于一(yi)個(ge)罐(guan)中(zhong)（溫躍層(ceng)是指如海水等(deng)液體中(zhong)溫暖(nuan)的(de)上層(ceng)和(he)(he)較冷的(de)下層(ceng)之間(jian)的(de)混合溫度區域）。

來(lai)自德國卡爾斯魯厄理工(gong)學(xue)院（Karlsruher Institut für Technologie，簡稱KIT）的(de)Klarissa Niedermeier便(bian)致力(li)于通過研究該技(ji)術來(lai)降低光熱(re)(re)(re)發電(dian)系(xi)統中的(de)熱(re)(re)(re)能(neng)儲存成本，此外更(geng)值得一(yi)提的(de)是，與傳(chuan)統熔鹽儲熱(re)(re)(re)技(ji)術不同的(de)是，KIT團隊采用了工(gong)作范圍(wei)更(geng)寬的(de)液(ye)態金(jin)屬作為傳(chuan)儲熱(re)(re)(re)介質。

目(mu)前，Klarissa Niedermeier所在的KIT液態金(jin)屬(shu)實驗室正在做一個(ge)首(shou)創的實驗——即在KIT一個(ge)單(dan)罐溫躍層系統中使用液態金(jin)屬(shu)進行傳熱和儲能。

與工(gong)作溫(wen)(wen)度(du)介于290°C——565°C的熔鹽相比，液態金屬的工(gong)作溫(wen)(wen)度(du)可以達(da)到1000°C以上，而且熔點更低（約(yue)在150°C左右），工(gong)作溫(wen)(wen)度(du)范(fan)圍(wei)更加寬泛（150°C—1000°C）。

圖：KIT液態金屬實驗室溫躍(yue)層儲罐中的填充物

Klarissa Niedermeier表(biao)示：“液態金屬(shu)具有非常(chang)高的(de)導熱(re)(re)系(xi)數，大約(yue)比熔鹽(yan)要高30-100倍（具體取(qu)決于(yu)采用何種(zhong)金屬(shu)），這也是(shi)為(wei)什么(me)液態鈉會被用于(yu)光熱(re)(re)發電吸熱(re)(re)器(qi)中作為(wei)吸熱(re)(re)介質的(de)原因，它們可(ke)以(yi)承受并收集由反(fan)射鏡反(fan)射到吸熱(re)(re)器(qi)的(de)高溫熱(re)(re)能。同(tong)時，采用一個罐(guan)利(li)用率更高，罐(guan)中不會有空(kong)(kong)閑的(de)空(kong)(kong)間，所以(yi)耗費材料也更少。而在雙罐(guan)系(xi)統中，你需要兩倍于(yu)實際需要的(de)儲(chu)罐(guan)，因為(wei)罐(guan)中總會有很大一部(bu)分空(kong)(kong)間沒(mei)有被利(li)用。”

那么，在溫躍層熱儲(chu)能(neng)系(xi)統(tong)中使用液(ye)態(tai)金屬面臨哪(na)些挑戰呢？

雖(sui)然(ran)液(ye)態金(jin)(jin)屬是傳熱(re)的(de)理想材料，但(dan)其(qi)(qi)能量(liang)密度很低。它(ta)們的(de)高導(dao)熱(re)系數使其(qi)(qi)能有(you)效地將熱(re)量(liang)傳遞到(dao)罐(guan)內的(de)卵(luan)石狀填(tian)料上(shang)，但(dan)不(bu)利于冷熱(re)相的(de)分離。目前KIT研(yan)究小組正(zheng)在尋找(zhao)液(ye)態金(jin)(jin)屬和填(tian)料的(de)最佳(jia)候選者，以(yi)便將熱(re)量(liang)最有(you)效地傳遞到(dao)填(tian)料中。

圖：KIT液(ye)態金屬實(shi)驗室天然(ran)巖石、玻璃和陶(tao)瓷(ci)填料試驗

在理(li)想(xiang)情(qing)況下(xia)，填(tian)充材料應(ying)具有非常高(gao)的熱容和非常高(gao)的密(mi)度(du)，如此(ci)材料內部(bu)的原子便能更緊密(mi)地結合在一起，且(qie)在罐(guan)中也不會占據(ju)太多(duo)空間，同時密(mi)度(du)越大(da)的材料也能儲(chu)存(cun)更多(duo)的能量。

為了(le)確定哪種(zhong)填料最能承受高(gao)溫下的液態金屬，研究小組此前篩選(xuan)了(le)各種(zhong)天然石(shi)(shi)材，如石(shi)(shi)英(ying)和過濾礫石(shi)(shi)、硼硅(gui)酸鹽和鈉(na)鈣玻(bo)璃，以及氧化(hua)鋁、氧化(hua)鋯、硅(gui)酸鋯和滑石(shi)(shi)陶(tao)瓷等(deng)。

在500°C下浸泡數(shu)周后，研究(jiu)人員(yuan)用掃描電子顯微(wei)鏡（SEM）對各種測試材料進行(xing)了(le)損傷(shang)評估，發現(xian)陶瓷具有最佳性能，并最終選擇了(le)一種彼此之間不易發生(sheng)相互作用的硅酸鋯陶瓷。

對此Klarissa Niedermeier解釋：“在首次試驗(yan)中，我(wo)們(men)希望有一個只(zhi)由一種已知性質的(de)(de)(de)填料組成的(de)(de)(de)床。利(li)用(yong)它我(wo)們(men)可(ke)以驗(yan)證我(wo)們(men)的(de)(de)(de)模(mo)擬，并用(yong)它做大量的(de)(de)(de)科學(xue)工作，當然也可(ke)能(neng)有更便(bian)宜的(de)(de)(de)替代品。”

圖(tu)：單罐溫躍(yue)層儲存示意(yi)

對于單罐溫躍(yue)層(ceng)(ceng)儲(chu)能(neng)技術來說，關鍵是(shi)實(shi)(shi)現最佳的(de)(de)(de)冷熱(re)(re)分離。最初，研究小組只(zhi)測(ce)試了液態(tai)金屬(shu)，沒有(you)陶瓷填充物來驗證他們的(de)(de)(de)模擬數據(ju)。理想(xiang)的(de)(de)(de)液態(tai)金屬(shu)應該(gai)是(shi)在(zai)冷熱(re)(re)溫躍(yue)層(ceng)(ceng)點(dian)產生最少混合溫度的(de)(de)(de)金屬(shu)，即實(shi)(shi)現溫躍(yue)層(ceng)(ceng)儲(chu)存依賴于頂(ding)部的(de)(de)(de)熱(re)(re)流體保(bao)持高溫，而底部的(de)(de)(de)冷流體即使在(zai)一個罐中(zhong)也會保(bao)持低溫。

因(yin)此(ci)，理(li)(li)想情況下需(xu)要(yao)的(de)(de)是一(yi)種并(bing)不那么容易混合并(bing)傳遞熱量(liang)的(de)(de)液態金屬。Klarissa Niedermeier表示：“理(li)(li)想的(de)(de)溫(wen)躍(yue)層(ceng)是熱流(liu)(liu)體(ti)和(he)冷(leng)流(liu)(liu)體(ti)相互(hu)緊貼著但卻不會發(fa)生相互(hu)作用，因(yin)此(ci)不會發(fa)生溫(wen)躍(yue)層(ceng)退化(hua)。你必須(xu)盡量(liang)減少熱流(liu)(liu)體(ti)和(he)冷(leng)流(liu)(liu)體(ti)之間(jian)的(de)(de)熱傳遞，以避免在它們(men)之間(jian)形成(cheng)一(yi)個(ge)很大(da)的(de)(de)區(qu)域。在最壞的(de)(de)情況下，整個(ge)儲(chu)罐都將是一(yi)個(ge)大(da)溫(wen)躍(yue)層(ceng)。這就是我們(men)為什(shen)么要(yao)使(shi)用低(di)導電填充材(cai)料的(de)(de)原因(yin)，即在實現熱量(liang)儲(chu)存的(de)(de)同(tong)時(shi)盡量(liang)降低(di)溫(wen)躍(yue)層(ceng)的(de)(de)膨脹。”

在(zai)符合上(shang)述(shu)要求的前提(ti)下，鉛(qian)和鉍(bi)的合金鉛(qian)鉍(bi)共晶(jing)（LBE）在(zai)其熔點124℃以上(shang)的溫度下被(bei)證明優(you)于(yu)液態(tai)鈉可(ke)用于(yu)溫躍(yue)層儲存。

Klarissa Niedermeier表示(shi)：“LBE的測試(shi)效果比鈉(na)要好一些，雖然它的導熱系數依舊很高，但它能更(geng)好地保持分(fen)層(ceng)，便(bian)于我們(men)更(geng)清楚地區(qu)分(fen)冷區(qu)和熱區(qu)。”

第一(yi)步，KIT團(tuan)隊在(zai)高(gao)(gao)達(da)380°C的實(shi)驗室測試(shi)液態金屬回路中測試(shi)了(le)這個小(xiao)規模(mo)系統。目(mu)前(qian)，他們正在(zai)開(kai)始(shi)下一(yi)輪測試(shi)——將(jiang)填(tian)充材料入罐。第二步將(jiang)是規模(mo)為100 kWh的中試(shi)系統，最高(gao)(gao)工作溫度為500°C，然后(hou)再提升(sheng)至(zhi)700°C。