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本文選自中國工程(cheng)院院刊《Engineering》2021年第3期

作者：丁文進，Thomas Bauer

來源：Progress in Research and Development of Molten Chloride Salt Technology for Next Generation Concentrated Solar Power Plants[J].Engineering,2021,7(3):334-347.

編者按

結合熱(re)(re)(re)能(neng)(neng)(neng)儲(chu)(chu)存的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)光熱(re)(re)(re)發電(dian)(dian)(dian)技(ji)術是未來可再生能(neng)(neng)(neng)源系統中(zhong)最具(ju)應(ying)用(yong)前(qian)景的(de)發電(dian)(dian)(dian)技(ji)術之(zhi)一，可以高(gao)效利用(yong)資源豐富但具(ju)間歇性(xing)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)，為人(ren)們提供穩定(ding)(ding)可調度且低(di)成本(ben)的(de)電(dian)(dian)(dian)力。為進(jin)一步降低(di)現有(you)商(shang)業光熱(re)(re)(re)電(dian)(dian)(dian)站的(de)平準化發電(dian)(dian)(dian)成本(ben)，研究人(ren)員正在積極開展具(ju)有(you)更高(gao)運(yun)行溫度和發電(dian)(dian)(dian)效率(lv)的(de)新一代太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)(neng)光熱(re)(re)(re)發電(dian)(dian)(dian)技(ji)術的(de)研究。熔融氯鹽(yan)（如MgCl2/NaCl/KCl）因其出色的(de)熱(re)(re)(re)物性(xing)（如黏(nian)性(xing)、導熱(re)(re)(re)性(xing)）、較高(gao)的(de)熱(re)(re)(re)穩定(ding)(ding)性(xing)和較低(di)的(de)材料成本(ben)，成為下一代熔鹽(yan)技(ji)術中(zhong)最具(ju)發展前(qian)景的(de)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)/導熱(re)(re)(re)材料之(zhi)一，

中國工程(cheng)院院刊(kan)《Engineering》在2021年第3期刊(kan)發(fa)《下(xia)一代(dai)太陽能(neng)光(guang)熱(re)電(dian)站中熔融氯鹽(yan)技(ji)(ji)術研發(fa)進展(zhan)(zhan)》，介(jie)紹了下(xia)一代(dai)太陽能(neng)光(guang)熱(re)發(fa)電(dian)技(ji)(ji)術及其儲(chu)熱(re)技(ji)(ji)術的(de)研發(fa)進展(zhan)(zhan)以及今(jin)后的(de)發(fa)展(zhan)(zhan)方向(xiang)。文(wen)章重點介(jie)紹了基于熔融氯鹽(yan)（如MgCl2/NaCl/KCl混合(he)(he)鹽(yan)）的(de)先進儲(chu)熱(re)技(ji)(ji)術，綜(zong)述(shu)了熔融氯鹽(yan)儲(chu)熱(re)技(ji)(ji)術中混合(he)(he)氯鹽(yan)的(de)選擇與優化、儲(chu)熱(re)相關(guan)物性的(de)測定，以及系統(tong)中使用的(de)結構材料（如合(he)(he)金）的(de)熔鹽(yan)腐蝕控制等方面的(de)最新研究(jiu)進展(zhan)(zhan)。

一、引言

具(ju)有(you)熱能(neng)儲存(cun)（TES，以下簡稱儲熱）的(de)太(tai)陽能(neng)光(guang)熱發電（concentrated solar power,CSP）技術(shu)是未來(lai)可再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)系統(tong)中(zhong)最具(ju)應(ying)用前景的(de)發電技術(shu)之一，其(qi)可高效利用資源(yuan)豐富(fu)但(dan)具(ju)間(jian)歇性(xing)的(de)太(tai)陽能(neng)，為人們提(ti)供穩定可調度且低成本的(de)電力。

根據國際知名可再生能(neng)源(yuan)政策研(yan)究機(ji)構REN21（Renewable Energy Policy Network for the 21st Century）的研(yan)究報告，2018年(nian)(nian)全(quan)球(qiu)有(you)超過550 MW的新(xin)建CSP電站開始投入商業運(yun)營(ying)，并且大多數都配備(bei)了熔鹽儲熱系統(tong)(tong)；2008—2018年(nian)(nian)，全(quan)球(qiu)CSP裝機(ji)容量從(cong)0.5 GW快速增長到5.5 GW。國際能(neng)源(yuan)署（International Energy Agency,IEA）下(xia)屬(shu)的全(quan)球(qiu)性組織SolarPACES（Solar Power and Chemical Energy Systems）致力于推進(jin)國際合作(zuo)，促進(jin)CSP技術(shu)及產業的發展，其官方網(wang)站統(tong)(tong)計并公布了全(quan)球(qiu)處(chu)于運(yun)行、建設或開發中的所有(you)CSP電站項目（//www.solarpaces.org/csp-technologies/csp-projects-around-the-world/）。

據統計，2019年運(yun)營中的(de)CSP電(dian)站（裝機容量(liang)約(yue)5.8 GW）主要分布在西(xi)班牙、美國(guo)、摩洛哥王(wang)國(guo)和(he)南非共(gong)和(he)國(guo)等國(guo)家和(he)地區，而(er)建(jian)造(zao)中的(de)CSP電(dian)站（約(yue)2.2 GW）主要分布在中東和(he)北非地區（MENA）以及中國(guo)。此外(wai)，歐(ou)洲、智利共(gong)和(he)國(guo)、南非共(gong)和(he)國(guo)和(he)澳大(da)利亞等國(guo)家和(he)地區還在設(she)計建(jian)造(zao)裝機容量(liang)超過(guo)1.5 GW的(de)CSP電(dian)站。

如圖1所示，根據不同(tong)聚(ju)(ju)光(guang)方式(shi)(shi)，CSP技(ji)術主要分為菲涅爾(er)式(shi)(shi)、塔式(shi)(shi)、蝶式(shi)(shi)和(he)槽式(shi)(shi)四類(lei)。其中(zhong)，菲涅爾(er)式(shi)(shi)和(he)槽式(shi)(shi)CSP屬于(yu)(yu)線性(xing)聚(ju)(ju)焦(jiao)系統(tong)(tong)，而(er)塔式(shi)(shi)和(he)蝶式(shi)(shi)屬于(yu)(yu)點(dian)聚(ju)(ju)焦(jiao)系統(tong)(tong)。與線性(xing)聚(ju)(ju)焦(jiao)系統(tong)(tong)相比，點(dian)聚(ju)(ju)焦(jiao)CSP系統(tong)(tong)由(you)于(yu)(yu)具有更(geng)高的(de)(de)聚(ju)(ju)光(guang)率(lv)，因此可產生更(geng)高溫度的(de)(de)太(tai)陽熱(re)(re)和(he)實現(xian)更(geng)高的(de)(de)熱(re)(re)電(dian)轉化效率(lv)以及更(geng)低的(de)(de)電(dian)力成本。目前運營中(zhong)的(de)(de)大(da)多(duo)數(shu)CSP電(dian)站采用低建造和(he)低維(wei)護成本的(de)(de)成熟槽式(shi)(shi)技(ji)術，而(er)大(da)多(duo)數(shu)在建的(de)(de)CSP電(dian)站則基于(yu)(yu)更(geng)先進的(de)(de)塔式(shi)(shi)技(ji)術。

圖1 CSP技術的主要分類（從左到右）：菲涅爾式、塔式、蝶式和槽式

第(di)一代(dai)CSP電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站，如(ru)美(mei)國的(de)(de)(de)槽式(shi)太陽能(neng)(neng)發電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)1號(hao)系統（solar electric generating system I,SEGS-I），沒有(you)集(ji)成儲熱系統而無(wu)法根(gen)據用(yong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)需求(qiu)產生可調(diao)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)。為了提高(gao)(gao)相對于傳統電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站和(he)其(qi)他可再生能(neng)(neng)源電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站的(de)(de)(de)競爭(zheng)力(li)，第(di)二(er)代(dai)CSP電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站整合了低溫(wen)（儲熱溫(wen)度(du)(du)(du)(du)293~393℃；如(ru)西(xi)班牙(ya)(ya)的(de)(de)(de)Andasol 1號(hao)槽式(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站）和(he)高(gao)(gao)溫(wen)（儲熱溫(wen)度(du)(du)(du)(du)290~565℃；如(ru)西(xi)班牙(ya)(ya)的(de)(de)(de)Gemasolar和(he)美(mei)國的(de)(de)(de)Crescent Dunes塔(ta)式(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站）熔融(rong)硝酸(suan)鹽儲熱系統，以實現(xian)(xian)可調(diao)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)供(gong)應并大(da)(da)大(da)(da)降低電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站的(de)(de)(de)平準化(hua)發電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)成本（LCOE）。與最(zui)高(gao)(gao)運行(xing)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)大(da)(da)約為400℃的(de)(de)(de)槽式(shi)CSP電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站相比(bi)，最(zui)高(gao)(gao)運行(xing)溫(wen)度(du)(du)(du)(du)為565℃的(de)(de)(de)塔(ta)式(shi)CSP電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)站具有(you)更(geng)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)動力(li)循環(huan)熱電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)轉化(hua)效率，可實現(xian)(xian)更(geng)低的(de)(de)(de)發電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)成本。

TES技術主(zhu)要分為基于(yu)液體或(huo)固體材(cai)料(liao)的(de)(de)顯熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)技術、基于(yu)相變材(cai)料(liao)（PCM）的(de)(de)潛熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)技術，以及基于(yu)可逆(ni)化學反應材(cai)料(liao)的(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)化學儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)技術。

目前商業化(hua)使用的主流熔融硝酸鹽儲熱(re)技術(shu)屬于顯熱(re)技術(shu)。綜(zong)述(shu)論文對(dui)已商業化(hua)應(ying)用或研(yan)發中的用于CSP的各種儲熱(re)技術(shu)進(jin)行過全面和深(shen)入的介(jie)紹，限于篇幅，本(ben)文將不再展開論述(shu)。

圖2為目(mu)前最先進也(ye)(ye)最具代(dai)表性的(de)(de)(de)(de)第二代(dai)CSP電(dian)站(zhan)(zhan)，即配備熔(rong)融硝酸鹽(yan)直接(jie)儲熱(re)(re)(re)(re)系(xi)(xi)統(tong)（direct TES system）的(de)(de)(de)(de)商(shang)業化(hua)塔式(shi)電(dian)站(zhan)(zhan)。此電(dian)站(zhan)(zhan)主要(yao)由(you)4個部分(fen)組(zu)成(cheng)(cheng)(cheng)：定(ding)日(ri)鏡、吸(xi)收(shou)塔、熔(rong)鹽(yan)儲熱(re)(re)(re)(re)系(xi)(xi)統(tong)和動力循環發電(dian)系(xi)(xi)統(tong)。在電(dian)站(zhan)(zhan)運行中(zhong)，太(tai)陽(yang)(yang)光被(bei)定(ding)日(ri)鏡反射到吸(xi)收(shou)塔頂的(de)(de)(de)(de)接(jie)收(shou)器(qi)，并通過接(jie)收(shou)器(qi)將光能轉化(hua)為熱(re)(re)(re)(re)能，儲存在流經吸(xi)收(shou)器(qi)的(de)(de)(de)(de)儲熱(re)(re)(re)(re)材料(liao)（即來自冷罐(guan)的(de)(de)(de)(de)熔(rong)鹽(yan)）中(zhong)。加熱(re)(re)(re)(re)后的(de)(de)(de)(de)熔(rong)鹽(yan)被(bei)儲存在高溫熔(rong)鹽(yan)罐(guan)中(zhong)，在有用電(dian)需求時，通過熔(rong)鹽(yan)換熱(re)(re)(re)(re)器(qi)將儲存的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)能傳(chuan)導至(zhi)常規蒸汽朗肯動力循環中(zhong)用于發電(dian)。熔(rong)鹽(yan)儲熱(re)(re)(re)(re)系(xi)(xi)統(tong)可實現低(di)成(cheng)(cheng)(cheng)本的(de)(de)(de)(de)太(tai)陽(yang)(yang)能熱(re)(re)(re)(re)存儲，使CSP電(dian)站(zhan)(zhan)即使在缺少陽(yang)(yang)光的(de)(de)(de)(de)情(qing)況下也(ye)(ye)可以(yi)穩定(ding)供應(ying)可調度的(de)(de)(de)(de)低(di)成(cheng)(cheng)(cheng)本電(dian)力。常見的(de)(de)(de)(de)商(shang)業熔(rong)鹽(yan)儲熱(re)(re)(re)(re)材料(liao)是(shi)一種由(you)NaNO3/KNO3（質量分(fen)數為60%/40%）混合而成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)非共晶(jing)熔(rong)鹽(yan)混合鹽(yan)，通常被(bei)稱為“太(tai)陽(yang)(yang)鹽(yan)”（Solar Salt）。圖3為位于西班牙的(de)(de)(de)(de)50 MW Andasol 3號CSP電(dian)站(zhan)(zhan)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)雙(shuang)罐(guan)式(shi)熔(rong)鹽(yan)儲熱(re)(re)(re)(re)系(xi)(xi)統(tong)，其使用了約28 500 t的(de)(de)(de)(de)太(tai)陽(yang)(yang)鹽(yan)，儲存的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)量最多可供電(dian)站(zhan)(zhan)滿負荷發電(dian)約7.5 h。

圖2目前技術最先進的第二代熔鹽塔式CSP電站，其直接儲熱系統中熔融硝酸鹽可同時作為TES/導熱流體（HTF）材料使用

圖3西班牙50 MW Andasol 3號CSP電站中的雙罐熔鹽儲熱系統，儲存約28 500 t太陽鹽，儲存熱量最多可供電站滿負荷發電約7.5 h（圖片來源：Andasol 3 CSP電站）

一個(ge)熔鹽儲熱系統的(de)最大儲熱容(rong)量(liang)（Q）可通過冷(leng)熱罐(guan)的(de)溫度差（?T）以及系統中熔鹽的(de)總質量(liang)（m）和其比熱容(rong)（cp）計算(suan)得到：

第二(er)代CSP電(dian)站中使(shi)用的熔融硝(xiao)酸(suan)鹽，由于(yu)熱(re)分解問題，其最高工作溫度受限在約565℃，這限制了儲(chu)熱(re)溫度差(cha)?T與儲(chu)熱(re)系(xi)統的儲(chu)熱(re)容量Q。一些綜述(shu)論(lun)文(wen)，如介紹了熔融硝(xiao)酸(suan)鹽儲(chu)熱(re)技術(shu)研發(fa)的最新(xin)進展，限于(yu)篇(pian)幅，本文(wen)將(jiang)不展開論(lun)述(shu)。

2017年(nian)，美國(guo)國(guo)家可再生能源(yuan)實(shi)驗室（National Renewable Energy Laboratory,NREL）聯合其他美國(guo)科研(yan)(yan)機構提出了(le)具有(you)更(geng)高(gao)運行溫度（>700℃）和(he)(he)發(fa)電(dian)效率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)下(xia)(xia)一(yi)(yi)(yi)代(dai)(dai)(dai)CSP技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)（即(ji)第三代(dai)(dai)(dai)CSP技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)，Gen3 CSP）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)和(he)(he)示(shi)范路(lu)線(xian)圖。從2012年(nian)開(kai)始，澳大(da)(da)利亞(ya)(ya)可再生能源(yuan)署（Australian Renewable Energy Agency,ARENA）在(zai)(zai)“澳大(da)(da)利亞(ya)(ya)光(guang)熱(re)研(yan)(yan)究計劃(hua)”（Australian Solar Thermal Research Initiative,ASTRI）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)框(kuang)架內資助了(le)先進CSP技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)。本文的(de)(de)(de)(de)(de)(de)第2節將(jiang)介紹全球關于下(xia)(xia)一(yi)(yi)(yi)代(dai)(dai)(dai)CSP技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要研(yan)(yan)究計劃(hua)和(he)(he)項(xiang)目(mu)(mu)。在(zai)(zai)這些研(yan)(yan)究計劃(hua)和(he)(he)項(xiang)目(mu)(mu)中(zhong)(zhong)，科研(yan)(yan)人員為下(xia)(xia)一(yi)(yi)(yi)代(dai)(dai)(dai)CSP和(he)(he)儲(chu)(chu)熱(re)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)付(fu)出了(le)巨大(da)(da)努力并已取得了(le)可喜的(de)(de)(de)(de)(de)(de)進展。與目(mu)(mu)前(qian)商業(ye)化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)熔(rong)融硝酸鹽(yan)(yan)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)相(xiang)比，下(xia)(xia)一(yi)(yi)(yi)代(dai)(dai)(dai)儲(chu)(chu)熱(re)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)應該具有(you)更(geng)高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)運行溫度和(he)(he)更(geng)低的(de)(de)(de)(de)(de)(de)資本支出（capital expenditure,CAPEX），目(mu)(mu)前(qian)研(yan)(yan)究的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)包括基于更(geng)高(gao)熱(re)穩定(ding)性無機鹽(yan)(yan)（如基于氯鹽(yan)(yan)和(he)(he)碳酸鹽(yan)(yan)）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)下(xia)(xia)一(yi)(yi)(yi)代(dai)(dai)(dai)熔(rong)鹽(yan)(yan)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)、基于無機鹽(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)變材(cai)料(liao)（PCM）儲(chu)(chu)熱(re)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)和(he)(he)固體顆粒(li)(li)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)（如使用(yong)燒(shao)結的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鋁(lv)土礦顆粒(li)(li)）。在(zai)(zai)這些儲(chu)(chu)熱(re)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)中(zhong)(zhong)，下(xia)(xia)一(yi)(yi)(yi)代(dai)(dai)(dai)熔(rong)鹽(yan)(yan)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)是(shi)人們(men)最熟悉的(de)(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)，也(ye)被認為是(shi)下(xia)(xia)一(yi)(yi)(yi)代(dai)(dai)(dai)CSP電(dian)站(zhan)中(zhong)(zhong)最有(you)應用(yong)前(qian)景(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)儲(chu)(chu)熱(re)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)之一(yi)(yi)(yi)。下(xia)(xia)一(yi)(yi)(yi)代(dai)(dai)(dai)熔(rong)鹽(yan)(yan)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)可以保留(liu)目(mu)(mu)前(qian)商業(ye)化熔(rong)鹽(yan)(yan)儲(chu)(chu)熱(re)塔式CSP電(dian)站(zhan)（圖2）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要設計，可大(da)(da)大(da)(da)減(jian)少下(xia)(xia)一(yi)(yi)(yi)代(dai)(dai)(dai)CSP技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)和(he)(he)商業(ye)化風險(xian)。

圖(tu)(tu)4為(wei)(wei)由(you)NREL提出的(de)(de)(de)基于新型熔鹽(yan)儲熱(re)(re)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)下(xia)一(yi)代(dai)CSP技術概(gai)念圖(tu)(tu)。在下(xia)一(yi)代(dai)熔鹽(yan)儲熱(re)(re)CSP電(dian)(dian)站中，熔鹽(yan)儲熱(re)(re)/導熱(re)(re)系統（運(yun)(yun)行(xing)溫度為(wei)(wei)520~720℃）與超臨界(jie)二氧化(hua)碳（sCO2）布雷頓動(dong)(dong)力循(xun)環（運(yun)(yun)行(xing)溫度為(wei)(wei)500~700℃）相(xiang)結合。與熱(re)(re)電(dian)(dian)轉化(hua)效率(lv)約為(wei)(wei)40%的(de)(de)(de)傳統蒸汽動(dong)(dong)力循(xun)環相(xiang)比，sCO2布雷頓動(dong)(dong)力循(xun)環具有(you)超過50%的(de)(de)(de)熱(re)(re)電(dian)(dian)轉化(hua)效率(lv)和更低的(de)(de)(de)資本支出，其在下(xia)一(yi)代(dai)CSP電(dian)(dian)站和其他熱(re)(re)電(dian)(dian)站（如核電(dian)(dian)站）中具有(you)巨大的(de)(de)(de)應用(yong)潛力。在本文(wen)中，不深(shen)入討論(lun)sCO2動(dong)(dong)力循(xun)環。有(you)興趣的(de)(de)(de)讀(du)者，建(jian)議閱讀(du)最近(jin)發表的(de)(de)(de)一(yi)篇綜述論(lun)文(wen)[13]，里面(mian)重點介(jie)紹了用(yong)于CSP中的(de)(de)(de)sCO2動(dong)(dong)力循(xun)環的(de)(de)(de)研(yan)發現(xian)狀(zhuang)與進展(zhan)。

圖4下一代熔鹽儲熱CSP技術概念示意圖——下一代熔鹽儲熱/導熱系統與超臨界二氧化碳（sCO2）布雷頓動力循環相結合。1000 suns：由塔式CSP技術在吸收器表面實現的相當于1000個太陽的聚光度

熔(rong)融氯鹽(yan)(yan)（如(ru)MgCl2/NaCl/KCl）是(shi)下一(yi)代熔(rong)鹽(yan)(yan)技(ji)術中最具發(fa)展前景(jing)的儲熱(re)/導熱(re)材(cai)料(liao)之(zhi)(zhi)一(yi)，原因(yin)是(shi)其具有(you)出色(se)的熱(re)物性(xing)（如(ru)黏(nian)性(xing)、導熱(re)性(xing)）、較高(gao)的熱(re)穩(wen)定性(xing)（>800℃）和(he)(he)較低(di)的材(cai)料(liao)成本（<0.35 USD?kg–1）。此外，目前商業熔(rong)融硝酸鹽(yan)(yan)技(ji)術的開發(fa)經驗也可用于開發(fa)這種新型熔(rong)鹽(yan)(yan)技(ji)術，大(da)大(da)減少技(ji)術研發(fa)風險和(he)(he)成本。但(dan)與(yu)商業熔(rong)融硝酸鹽(yan)(yan)相比，熔(rong)融氯鹽(yan)(yan)在高(gao)溫下對金屬結構材(cai)料(liao)（即(ji)合金）有(you)強腐蝕性(xing)，這是(shi)研發(fa)中面臨的最主(zhu)要技(ji)術挑戰之(zhi)(zhi)一(yi)。因(yin)此，尋找一(yi)種高(gao)效且(qie)低(di)成本的腐蝕控制技(ji)術至關重(zhong)要。

在(zai)本文的(de)(de)(de)第(di)(di)2節中(zhong)，作者綜述了下(xia)一代(dai)CSP技(ji)(ji)術(shu)和(he)其高溫(wen)儲熱(re)/導(dao)熱(re)技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)最(zui)新研(yan)發進展；之后在(zai)第(di)(di)3節中(zhong)重(zhong)點介紹了熔(rong)融氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)最(zui)新研(yan)究進展，包括氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)的(de)(de)(de)選擇/優化(hua)、熔(rong)融氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)性能的(de)(de)(de)測定以(yi)及在(zai)熔(rong)融氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)中(zhong)結構材(cai)料（如合金(jin)）的(de)(de)(de)腐蝕控制等方面(mian)的(de)(de)(de)研(yan)究；在(zai)第(di)(di)4節中(zhong)，總(zong)結了下(xia)一代(dai)CSP和(he)高溫(wen)儲熱(re)/導(dao)熱(re)技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)主(zhu)要研(yan)發進展，并針對面(mian)臨的(de)(de)(de)主(zhu)要技(ji)(ji)術(shu)挑戰和(he)問(wen)題，為后續的(de)(de)(de)研(yan)究和(he)技(ji)(ji)術(shu)攻關提出了一些建議。

二、新一代CSP技術

為了(le)(le)開發(fa)(fa)具有更高發(fa)(fa)電效率和(he)更低(di)發(fa)(fa)電成本(ben)的(de)(de)下一代CSP技術，在近10多年中，包(bao)括美國(guo)、澳大利亞、歐洲和(he)亞洲在內的(de)(de)國(guo)家和(he)地區都已經(jing)提出了(le)(le)不同的(de)(de)研(yan)發(fa)(fa)方案或啟動了(le)(le)相關(guan)的(de)(de)研(yan)發(fa)(fa)項目。

例如(ru)，在2011年(nian)(nian)啟動的“SunShot Initiative”框架內，美(mei)國能源部(bu)（DOE）于(yu)2018年(nian)(nian)開始(shi)資助與Gen3 CSP研究計劃相(xiang)關的研究課題。

在澳大(da)利(li)亞，ARENA于2012年啟動了(le)ASTRI研究計劃，目的(de)是改進當前(qian)商業CSP技術和開發新一代CSP技術。

自2004年以(yi)來，歐(ou)盟（EU）通過“第六框架”（FP6）、“第七框架”（FP7）和(he)“地平線2020”（H2020）等歐(ou)盟項(xiang)目(mu)資助了(le)(le)包含下一(yi)代CSP技術在內(nei)的(de)多個CSP研發項(xiang)目(mu)。除了(le)(le)研發項(xiang)目(mu)，歐(ou)盟還(huan)資助了(le)(le)“歐(ou)洲(zhou)研究區太陽能設施”（Solar Facilities for the European Research Area,SFERA）I?III期和(he)“歐(ou)洲(zhou)聚光型太陽能熱利用(yong)技術科(ke)(ke)技聯盟”（STAGE-STE）等項(xiang)目(mu)，以(yi)促進歐(ou)盟內(nei)各國科(ke)(ke)研機(ji)構(gou)的(de)聯合協作，推進CSP技術的(de)發展。

中國(guo)(guo)等國(guo)(guo)家也(ye)對下(xia)一(yi)代(dai)CSP技術(shu)開展了(le)一(yi)些前(qian)期研(yan)究(jiu)，例如，中國(guo)(guo)一(yi)些科研(yan)機構從2011年(nian)開始研(yan)究(jiu)采(cai)用熔(rong)融氯鹽(yan)和(he)碳(tan)酸鹽(yan)的下(xia)一(yi)代(dai)熔(rong)鹽(yan)儲熱技術(shu)。在2020年(nian)，中國(guo)(guo)科技部（MOST）還通過國(guo)(guo)家重點研(yan)發計劃啟動了(le)“超(chao)臨界(jie)CO2太陽(yang)能熱發電(dian)”研(yan)究(jiu)項目。

以下各小節將分別介紹美國、澳大利亞、歐洲和亞洲在(zai)下一(yi)代CSP技(ji)術(shu)的(de)(de)最新(xin)研(yan)發(fa)(fa)進展，以及(ji)國際可再生能源署(shu)（International Renewable Energy Agency,IRENA）為支持(chi)CSP技(ji)術(shu)發(fa)(fa)展所做(zuo)的(de)(de)努力。目前基于商業(ye)硝酸鹽熔(rong)鹽技(ji)術(shu)的(de)(de)塔式CSP電(dian)站的(de)(de)最高儲熱/導熱溫(wen)度達到565℃，下文(wen)將討(tao)論如何利用新(xin)一(yi)代CSP技(ji)術(shu)和新(xin)型(xing)儲熱/導熱技(ji)術(shu)使運行溫(wen)度達到更高的(de)(de)水平，以提高CSP發(fa)(fa)電(dian)效率和降(jiang)低發(fa)(fa)電(dian)成本。

（一）美國

2011年，美國能源(yuan)部發起(qi)了為(wei)期(qi)10年的(de)(de)(de)“SunShot Initiative”，提供(gong)大量經費支持(chi)太(tai)陽(yang)能技術(shu)（即光熱和(he)(he)光伏技術(shu)）的(de)(de)(de)研發，以(yi)降低(di)(di)(di)太(tai)陽(yang)能的(de)(de)(de)發電(dian)成(cheng)本，使其與常規電(dian)站和(he)(he)其他可再生能源(yuan)技術(shu)相比也具(ju)(ju)有成(cheng)本競爭力。如圖5所示，2017年，美國能源(yuan)部宣布已(yi)成(cheng)功地將儲(chu)能12 h以(yi)上的(de)(de)(de)基本負荷CSP的(de)(de)(de)LCOE降到(dao)0.10 USD?kW–1?h–1，與2010年不(bu)具(ju)(ju)備儲(chu)能功能的(de)(de)(de)CSP相比，降低(di)(di)(di)了50%以(yi)上。在其后續的(de)(de)(de)“SunShot Initiative 2030”中，基本負荷CSP的(de)(de)(de)LCOE目(mu)標(biao)是到(dao)2030年下降至0.05 USD?kW–1?h–1。這樣低(di)(di)(di)的(de)(de)(de)LCOE將使CSP電(dian)站比大多數(shu)基于(yu)化石燃料的(de)(de)(de)常規電(dian)站都更具(ju)(ju)成(cheng)本競爭力。此外，對于(yu)儲(chu)能小于(yu)6 h的(de)(de)(de)峰(feng)值供(gong)能CSP，“SunShot Initiative 2030”的(de)(de)(de)目(mu)標(biao)為(wei)0.10 USD?kW–1?h–1。

圖5 DOE資助的“SunShot Initiative”中CSP技術進展和2030年目標

為(wei)了實(shi)(shi)現“SunShot Initiative 2030”中的(de)(de)(de)LCOE目(mu)標，美國(guo)能源部于2018年開始為(wei)Gen3 CSP計劃提供總(zong)金額約為(wei)7200萬美元的(de)(de)(de)研(yan)發(fa)資(zi)(zi)助(zhu)(zhu)。美國(guo)能源領域的(de)(de)(de)領先(xian)研(yan)究機構，如(ru)桑(sang)迪亞國(guo)家實(shi)(shi)驗(yan)室(shi)(shi)（SNL）、NREL、橡樹(shu)嶺國(guo)家實(shi)(shi)驗(yan)室(shi)(shi)（ORNL）、薩凡納河國(guo)家實(shi)(shi)驗(yan)室(shi)(shi)（SRNL）、愛達(da)荷國(guo)家實(shi)(shi)驗(yan)室(shi)(shi)（INL）、麻省理(li)工(gong)學院（MIT）和(he)Brayton Energy、Hayward Tyler、Mohawk Innovative Technology等能源公司(si)都參與(yu)了該研(yan)究項(xiang)目(mu)，并(bing)得到了項(xiang)目(mu)資(zi)(zi)助(zhu)(zhu)。受資(zi)(zi)助(zhu)(zhu)的(de)(de)(de)研(yan)究項(xiang)目(mu)致力(li)于降低下一(yi)代CSP技術的(de)(de)(de)開發(fa)風險，目(mu)標是通過先(xian)進的(de)(de)(de)儲熱/導熱系統(tong)和(he)動力(li)循環使CSP最高運行溫度(du)高于700℃。Gen3 CSP計劃確定資(zi)(zi)助(zhu)(zhu)以下三種開發(fa)路線的(de)(de)(de)研(yan)究。

（1）熔鹽吸熱器路(lu)線(xian)：該(gai)路(lu)線(xian)中(zhong)科研(yan)人(ren)員旨在克服面對(dui)的(de)主要(yao)技術(shu)難題，如結構材料與高達(da)750℃的(de)熔融氯(lv)鹽或碳酸鹽接觸(chu)后的(de)腐蝕。經過前期研(yan)究，已選擇氯(lv)鹽進行進一步研(yan)發。

（2）固體顆粒(li)吸熱器路線：該路線將高溫（最高達(da)1000℃）的熱能存儲在廉(lian)價的介質（如沙狀固體顆粒(li)）中，以降低儲熱成本(ben)。科研人員旨在克服顆粒(li)的長期穩定性及(ji)高效且低成本(ben)顆粒(li)接收(shou)器的開(kai)發等技術難題。

（3）氣體吸熱器路線：該路線將利用廉價氣體（如氦氣）作(zuo)為導熱介質來(lai)傳熱和發電，并將熱量存儲在PCM等儲熱材料中。該技術路線中需要解決的主要挑戰包括開發高溫和高氣壓下長期穩定工作(zuo)的塔式接(jie)收器等。

在(zai)“SunShot Initiative”中(zhong)，固體顆(ke)粒儲熱(re)(re)(re)/導熱(re)(re)(re)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)、sCO2布雷頓(dun)動力(li)循環技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)和(he)熔(rong)(rong)融(rong)(rong)氯鹽(yan)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)開發(fa)(fa)已經有(you)(you)了(le)不錯的(de)(de)進展。這幾種技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)在(zai)下(xia)一(yi)代(dai)CSP技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)和(he)其(qi)他相(xiang)關(guan)能源技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)中(zhong)都具(ju)有(you)(you)廣闊的(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)前景。為了(le)在(zai)更真(zhen)實的(de)(de)條件下(xia)測試(shi)(shi)(shi)關(guan)鍵(jian)組件和(he)整個系(xi)(xi)統(tong)過程(cheng)，科(ke)研(yan)人員建(jian)造(zao)了(le)（或(huo)正在(zai)建(jian)造(zao)）幾座試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)裝(zhuang)(zhuang)置，包括(kuo)應(ying)用(yong)(yong)固體顆(ke)粒儲熱(re)(re)(re)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)第(di)三代(dai)顆(ke)粒試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)裝(zhuang)(zhuang)置（Gen 3 Particle Pilot Plant,G3P3）、應(ying)用(yong)(yong)sCO2布雷頓(dun)動力(li)循環技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)超臨界轉換發(fa)(fa)電(dian)裝(zhuang)(zhuang)置（Supercritical Transformational Electric Power,STEP），以及應(ying)用(yong)(yong)高(gao)(gao)溫(wen)熔(rong)(rong)融(rong)(rong)氯鹽(yan)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)以減少技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)研(yan)發(fa)(fa)風(feng)險(xian)的(de)(de)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)裝(zhuang)(zhuang)置（Facility to Alleviate Salt Technology Risks,FASTR）。圖6顯(xian)示了(le)正在(zai)建(jian)造(zao)的(de)(de)G3P3裝(zhuang)(zhuang)置，其(qi)可在(zai)真(zhen)實條件下(xia)測試(shi)(shi)(shi)系(xi)(xi)統(tong)中(zhong)的(de)(de)關(guan)鍵(jian)部(bu)件，如高(gao)(gao)溫(wen)顆(ke)粒吸熱(re)(re)(re)器。除了(le)設(she)計(ji)和(he)建(jian)造(zao)系(xi)(xi)統(tong)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)裝(zhuang)(zhuang)置外(wai)，材料(liao)和(he)部(bu)件的(de)(de)研(yan)發(fa)(fa)也取得了(le)進展。例如，在(zai)顆(ke)粒技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)方(fang)面(mian)(mian)，設(she)計(ji)并測試(shi)(shi)(shi)了(le)新的(de)(de)顆(ke)粒吸熱(re)(re)(re)器和(he)顆(ke)粒-sCO2換熱(re)(re)(re)器；在(zai)下(xia)一(yi)代(dai)熔(rong)(rong)鹽(yan)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)方(fang)面(mian)(mian)，收集或(huo)測量(liang)了(le)熔(rong)(rong)鹽(yan)工程(cheng)化數據，研(yan)究(jiu)了(le)高(gao)(gao)溫(wen)下(xia)熔(rong)(rong)融(rong)(rong)氯鹽(yan)對結(jie)構材料(liao)的(de)(de)腐(fu)蝕及其(qi)控制。在(zai)第(di)3節中(zhong)，我們將更詳細地介紹熔(rong)(rong)融(rong)(rong)氯鹽(yan)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)基礎(chu)研(yan)究(jiu)和(he)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)開發(fa)(fa)進展。

圖6用于測試真實條件下固體顆粒儲熱技術的G3P3大型試驗裝置。1 ft=0.3048 m。

（二）澳大利亞

作(zuo)為(wei)(wei)擁有(you)全(quan)球(qiu)最佳太陽能(neng)(neng)資源的(de)(de)國家之一，近年(nian)來澳(ao)大(da)(da)利(li)亞(ya)投入了(le)大(da)(da)量資金和(he)精力來開發具有(you)成本競爭力的(de)(de)太陽能(neng)(neng)技(ji)(ji)術。例如，ARENA在(zai)2012年(nian)啟動了(le)為(wei)(wei)期8年(nian)的(de)(de)ASTRI，旨在(zai)推動CSP技(ji)(ji)術的(de)(de)換代和(he)發展(zhan)。澳(ao)大(da)(da)利(li)亞(ya)的(de)(de)主要太陽能(neng)(neng)研(yan)究(jiu)機構，包(bao)括聯邦(bang)科(ke)學和(he)工業(ye)研(yan)究(jiu)組織（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization,CSIRO）、澳(ao)大(da)(da)利(li)亞(ya)國立大(da)(da)學（Australian National University,ANU）、昆(kun)士(shi)蘭(lan)大(da)(da)學（University of Queensland,QU）、昆(kun)士(shi)蘭(lan)科(ke)技(ji)(ji)大(da)(da)學（Queensland University of Technology,QUT）等(deng)，以(yi)及Vast Solar等(deng)初創(chuang)公司(si)都參與(yu)了(le)ASTRI框架內的(de)(de)科(ke)研(yan)項目。科(ke)研(yan)人員已經對(dui)CSP技(ji)(ji)術的(de)(de)早期發展(zhan)進行了(le)可行性研(yan)究(jiu)，并(bing)且在(zai)中(zhong)試和(he)商業(ye)環境中(zhong)開發了(le)一些示范電站。為(wei)(wei)了(le)促(cu)進下一代CSP技(ji)(ji)術的(de)(de)發展(zhan)，澳(ao)大(da)(da)利(li)亞(ya)將ASTRI與(yu)前面介紹的(de)(de)美國Gen3 CSP計劃進行了(le)合作(zuo)。根據ARENA的(de)(de)CSP開發路線圖(tu)，澳(ao)大(da)(da)利(li)亞(ya)下一代CSP技(ji)(ji)術的(de)(de)研(yan)發專(zhuan)注于(yu)液態(tai)金屬路線，即以(yi)液態(tai)鈉(na)作(zuo)為(wei)(wei)導熱(re)(re)介質，以(yi)PCM等(deng)不同類型材(cai)料(liao)作(zuo)為(wei)(wei)儲(chu)熱(re)(re)材(cai)料(liao)。與(yu)熔鹽(yan)相比，液態(tai)鈉(na)是具有(you)更高導熱(re)(re)系數的(de)(de)介質，而PCM是具有(you)更高儲(chu)熱(re)(re)密度(du)的(de)(de)儲(chu)熱(re)(re)材(cai)料(liao)。

ASTRI框架(jia)內(nei)的(de)(de)(de)研究(jiu)項目也(ye)取得了不錯的(de)(de)(de)進展，如液(ye)體金屬(shu)鈉導(dao)(dao)熱(re)(re)(re)技術、sCO2布(bu)雷頓動力循環(huan)技術和(he)新型儲熱(re)(re)(re)技術，包括(kuo)使用(yong)無機(ji)鹽(yan)(yan)基PCM和(he)顯熱(re)(re)(re)儲熱(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料（如固體顆粒(li)和(he)熔融(rong)氯(lv)鹽(yan)(yan)），以(yi)及熔鹽(yan)(yan)或無機(ji)鹽(yan)(yan)基PCM中合(he)金的(de)(de)(de)腐蝕(shi)研究(jiu)。如圖7所示，在(zai)(zai)ARENA的(de)(de)(de)資助(zhu)下(xia)，位于(yu)新南(nan)威爾士州(zhou)的(de)(de)(de)Vast Solar CSP測(ce)試(shi)站（儲熱(re)(re)(re)量(liang)為6 MW，儲電量(liang)為1 MW）于(yu)2014年(nian)開始建設。據(ju)報道，2019年(nian)科(ke)研人員(yuan)成功以(yi)液(ye)態鈉金屬(shu)作為導(dao)(dao)熱(re)(re)(re)介質進行測(ce)試(shi)，其最高運行溫(wen)(wen)(wen)度(du)可高于(yu)800℃。此外(wai)，科(ke)研人員(yuan)還做了大量(liang)工(gong)作以(yi)測(ce)試(shi)和(he)確(que)定適用(yong)于(yu)下(xia)一代CSP技術的(de)(de)(de)運行溫(wen)(wen)(wen)度(du)更(geng)高的(de)(de)(de)PCM儲熱(re)(re)(re)材(cai)(cai)(cai)料，測(ce)試(shi)的(de)(de)(de)PCM材(cai)(cai)(cai)料包括(kuo)NaCl-Na2CO3和(he)Li2CO3-K2CO3-Na2CO3等混合(he)鹽(yan)(yan)。與(yu)商用(yong)熔融(rong)硝酸鹽(yan)(yan)相比，無機(ji)鹽(yan)(yan)基PCM具(ju)有更(geng)低的(de)(de)(de)價格、更(geng)高的(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)穩(wen)定性(xing)和(he)儲熱(re)(re)(re)密(mi)度(du)。但與(yu)此同時，這些無機(ji)鹽(yan)(yan)混合(he)鹽(yan)(yan)的(de)(de)(de)導(dao)(dao)熱(re)(re)(re)系數(shu)低，傳熱(re)(re)(re)受到限制(zhi)，并(bing)在(zai)(zai)高相變溫(wen)(wen)(wen)度(du)下(xia)會嚴重腐蝕(shi)合(he)金材(cai)(cai)(cai)料，而腐蝕(shi)通常也(ye)是影響結(jie)構材(cai)(cai)(cai)料使用(yong)壽命的(de)(de)(de)關(guan)鍵問(wen)題。因此，為了實現(xian)這些PCM材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)商業應用(yong)，科(ke)研人員(yuan)正在(zai)(zai)研究(jiu)如何(he)有效(xiao)且經濟地減輕腐蝕(shi)。

圖7位于澳大利亞新南威爾士州的Vast Solar CSP試驗電站，使用液態鈉金屬作為導熱介質，試驗電站設計儲電量和儲熱量分別為1 MW和6 MW

（三）歐洲

歐洲在(zai)研發(fa)CSP技(ji)術方(fang)面(mian)有悠久的(de)(de)(de)歷史，并取得了許多成果(guo)。據(ju)2019年的(de)(de)(de)統計(ji)數(shu)據(ju)，西班(ban)牙是擁有世界(jie)上(shang)最大(da)CSP裝機容量(liang)的(de)(de)(de)國(guo)家（>2.3 GW）。自2004年以(yi)來，歐盟通過FP7和H2020計(ji)劃(hua)支持(chi)(chi)了包括(kuo)下一代CSP技(ji)術在(zai)內的(de)(de)(de)技(ji)術研發(fa)。歐洲的(de)(de)(de)一些(xie)CSP研究機構，如(ru)西班(ban)牙能源、環境與(yu)技(ji)術研究中(zhong)心（Spanish Research Center for Energy,Environment and Technology,CIEMAT）、德國(guo)宇航中(zhong)心（German Aerospace Center,DLR）、瑞士保羅謝(xie)勒(le)研究所（Paul Scherrer Institute,PSI）、瑞士蘇黎世聯邦理工學院（Swiss Federal Institute of Technology in Zurich,ETH Zurich）、意(yi)大(da)利國(guo)家新技(ji)術、能源和可(ke)持(chi)(chi)續經濟發(fa)展局(ju)（Italian National Agency for New Technologies,Energy and Sustainable Economic Development,ENEA）、法(fa)國(guo)國(guo)家科學研究中(zhong)心（French National Center for Scientific Research,CNRS）等機構參與(yu)了這些(xie)計(ji)劃(hua)，在(zai)SFERA I–III期項(xiang)目(mu)以(yi)及STAGE-STE項(xiang)目(mu)中(zhong)可(ke)以(yi)找到(dao)關于參與(yu)機構的(de)(de)(de)更(geng)完整信息。

歐(ou)(ou)(ou)(ou)洲(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)CSP研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)基礎設(she)施、策略(lve)、資金(jin)計(ji)劃和路(lu)線圖主要由歐(ou)(ou)(ou)(ou)洲(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)儲(chu)(chu)(chu)能(neng)(neng)(neng)協會(hui)（European Association for Storage of Energy,EASE）、歐(ou)(ou)(ou)(ou)洲(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)能(neng)(neng)(neng)源研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)聯(lian)盟（European Energy Research Alliance,EERA）、歐(ou)(ou)(ou)(ou)盟電網計(ji)劃（European Electricity Grid Initiative,EEGI）、用(yong)(yong)于(yu)(yu)聚光式太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)發電的(de)歐(ou)(ou)(ou)(ou)洲(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)基礎設(she)施（European Solar Research Infrastructure for Concentrated Solar Power,EU-SOLARIS）、歐(ou)(ou)(ou)(ou)洲(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)區域(yu)網絡(luo)（European Research Area Network,ERA-Net）以(yi)及(ji)其他一(yi)(yi)些(xie)(xie)歐(ou)(ou)(ou)(ou)洲(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)和國(guo)家級協會(hui)，如德國(guo)太(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)熱(re)發電協會(hui)（German Association for Concentrated Solar Power,DCSP）管理(li)。與美國(guo)的(de)Gen3 CSP計(ji)劃相比，歐(ou)(ou)(ou)(ou)洲(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)的(de)研(yan)發采用(yong)(yong)了(le)(le)更寬(kuan)泛的(de)開發路(lu)線，其中(zhong)也涉及(ji)Gen3 CSP中(zhong)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)的(de)技(ji)術(shu)。例如，科(ke)(ke)研(yan)人員已(yi)(yi)建(jian)立了(le)(le)商業Fe-Cr-Ni合金(jin)在(zai)熔(rong)融氯鹽中(zhong)的(de)主要腐蝕機(ji)理(li)，并確(que)定一(yi)(yi)些(xie)(xie)緩蝕方法在(zai)實驗室(shi)試(shi)驗中(zhong)能(neng)(neng)(neng)表(biao)現(xian)出很(hen)好的(de)腐蝕控制效(xiao)果。同(tong)時，一(yi)(yi)些(xie)(xie)用(yong)(yong)于(yu)(yu)真實情(qing)況下測(ce)(ce)試(shi)新技(ji)術(shu)和部件的(de)CSP中(zhong)試(shi)裝置已(yi)(yi)經(jing)或正(zheng)在(zai)被建(jian)造。DLR科(ke)(ke)研(yan)人員已(yi)(yi)經(jing)在(zai)一(yi)(yi)個CSP中(zhong)試(shi)裝置（Juelich Solar Tower）中(zhong)測(ce)(ce)試(shi)了(le)(le)固(gu)體顆粒儲(chu)(chu)(chu)熱(re)技(ji)術(shu)和先進(jin)顆粒接收器，他們(men)利用(yong)(yong)該技(ji)術(shu)在(zai)900℃以(yi)上的(de)高溫(wen)(wen)下實現(xian)了(le)(le)高效(xiao)的(de)儲(chu)(chu)(chu)放熱(re)能(neng)(neng)(neng)（圖8）。在(zai)卡爾斯魯厄(e)理(li)工學(xue)院(yuan)（Karlsruhe Institute of Technology,KIT）的(de)一(yi)(yi)個CSP中(zhong)試(shi)裝置內，科(ke)(ke)研(yan)人員對用(yong)(yong)作高溫(wen)(wen)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)/導熱(re)材料(liao)的(de)液體金(jin)屬進(jin)行了(le)(le)測(ce)(ce)試(shi)。在(zai)西班牙，Abengoa在(zai)Avanza-2中(zhong)試(shi)裝置中(zhong)，在(zai)高達700℃的(de)溫(wen)(wen)度下對三(san)元共晶Li2CO3-Na2CO3-K2CO3熔(rong)融碳酸鹽儲(chu)(chu)(chu)熱(re)/導熱(re)技(ji)術(shu)進(jin)行了(le)(le)噸(dun)級測(ce)(ce)試(shi)。除了(le)(le)這些(xie)(xie)工作之外，還有許多研(yan)發項目正(zheng)在(zai)歐(ou)(ou)(ou)(ou)洲(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)進(jin)行，并獲得了(le)(le)歐(ou)(ou)(ou)(ou)盟和一(yi)(yi)些(xie)(xie)歐(ou)(ou)(ou)(ou)洲(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)國(guo)家的(de)資助，限于(yu)(yu)篇幅在(zai)此不做一(yi)(yi)一(yi)(yi)討論。

圖8 DLR的CSP中(zhong)(zhong)試裝置(zhi)。（左）Juelich Solar Tower；（右）測試中(zhong)(zhong)的顆粒接收器CentRec

（四）亞洲

在亞洲（如中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)和(he)印度）有許多(duo)CSP電(dian)站(zhan)正在運(yun)行(xing)、建設或開發(fa)。2016年(nian)，中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)宣布了(le)首批獲得國(guo)(guo)家補貼的20個(ge)CSP示范項(xiang)目（共1.35 GW），其(qi)中(zhong)(zhong)包括浙江中(zhong)(zhong)控(kong)太陽能德(de)(de)令哈(ha)50 MW塔式熔(rong)(rong)鹽光(guang)熱發(fa)電(dian)項(xiang)目（Zhejiang SUPCON SOLAR Delingha 50 MW molten salt tower project）和(he)北(bei)京首航節能敦(dun)煌(huang)100 MW塔式熔(rong)(rong)鹽光(guang)熱發(fa)電(dian)項(xiang)目（Beijing Shouhang IHW Dunhuang 100MW molten salt tower project）。2019年(nian)，全球大(da)多(duo)數的新CSP電(dian)站(zhan)（>1.1 GW）在中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)處于建設中(zhong)(zhong)。據統計，2018年(nian)約(yue)有550 MW的新CSP電(dian)站(zhan)投入商用(yong)運(yun)營，其(qi)中(zhong)(zhong)，中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)通過(guo)開始運(yun)行(xing)的中(zhong)(zhong)控(kong)太陽能德(de)(de)令哈(ha)50 MW和(he)首航節能敦(dun)煌(huang)100 MW塔式熔(rong)(rong)鹽光(guang)熱電(dian)站(zhan)，貢獻了(le)約(yue)200 MW電(dian)力(li)。

隨著亞洲（主(zhu)要(yao)(yao)是(shi)中(zhong)國）CSP行業的(de)(de)快速(su)發(fa)展(zhan)，新(xin)CSP技(ji)術(shu)(shu)正在被開(kai)發(fa)，如固體顆粒儲(chu)熱(re)(re)(re)/導(dao)熱(re)(re)(re)技(ji)術(shu)(shu)、熔鹽(yan)儲(chu)熱(re)(re)(re)/導(dao)熱(re)(re)(re)技(ji)術(shu)(shu)、氣體導(dao)熱(re)(re)(re)并使用其(qi)他(ta)(ta)材(cai)料(liao)儲(chu)熱(re)(re)(re)的(de)(de)技(ji)術(shu)(shu)、sCO2動(dong)力(li)循(xun)環(huan)技(ji)術(shu)(shu)和(he)太(tai)(tai)陽(yang)能碟式(shi)斯特(te)林技(ji)術(shu)(shu)。最近，中(zhong)國科學(xue)院電(dian)工研(yan)(yan)究(jiu)所(suo)（IEE-CAS）與(yu)(yu)西安(an)交通大學(xue)（XJTU）、浙江大學(xue)（ZJU）、清華大學(xue)（THU）和(he)中(zhong)國科學(xue)院上海(hai)應(ying)用物理研(yan)(yan)究(jiu)所(suo)（SINAP-CAS）以及(ji)其(qi)他(ta)(ta)幾個機構(gou)在中(zhong)國科技(ji)部國家重點研(yan)(yan)發(fa)計(ji)劃的(de)(de)資助(zhu)下，啟動(dong)了一項(xiang)(xiang)名為“超臨界CO2太(tai)(tai)陽(yang)能熱(re)(re)(re)發(fa)電(dian)關鍵(jian)基礎問題研(yan)(yan)究(jiu)”的(de)(de)項(xiang)(xiang)目，其(qi)主(zhu)要(yao)(yao)研(yan)(yan)究(jiu)內容(rong)包(bao)括CSP高溫子系(xi)統的(de)(de)設計(ji)方法(fa)、高溫接收器的(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)、新(xin)儲(chu)熱(re)(re)(re)材(cai)料(liao)和(he)系(xi)統的(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)、sCO2太(tai)(tai)陽(yang)能熱(re)(re)(re)發(fa)電(dian)示范平(ping)臺(tai)的(de)(de)構(gou)建(jian)，以及(ji)與(yu)(yu)材(cai)料(liao)、部件(jian)和(he)中(zhong)試裝置相關的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)課題。此外，2018年，首航高科能源技(ji)術(shu)(shu)股(gu)份有(you)限公司開(kai)始(shi)與(yu)(yu)法(fa)國電(dian)力(li)公司（EDF）合(he)作(zuo)進行sCO2 CSP的(de)(de)示范項(xiang)(xiang)目，準備將(jiang)其(qi)10 MW CSP示范電(dian)站(zhan)改造為sCO2動(dong)力(li)循(xun)環(huan)CSP電(dian)站(zhan)。

在印(yin)度(du)，太(tai)陽能(neng)技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)(fa)主(zhu)要(yao)由(you)印(yin)度(du)國(guo)家(jia)(jia)太(tai)陽能(neng)研(yan)(yan)究所（National Institute of Solar Energy,NISE）負(fu)責。據介紹，與光伏技(ji)(ji)術(shu)相比，印(yin)度(du)目前在CSP技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)(fa)方面面臨著(zhu)各種(zhong)挑(tiao)戰，如缺(que)乏有經驗的(de)(de)(de)(de)(de)勞動力以及本(ben)土制造業不足等。因此(ci)，盡管(guan)印(yin)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)法(fa)向(xiang)直接日射輻照度(du)（direct normal irradiance,DNI）較(jiao)(jiao)(jiao)高，用(yong)于(yu)開發(fa)(fa)太(tai)陽能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)面積也較(jiao)(jiao)(jiao)大，但印(yin)度(du)對下一代(dai)(dai)CSP技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)發(fa)(fa)進展卻很(hen)緩慢。而日本(ben)和(he)韓(han)國(guo)等其他亞洲國(guo)家(jia)(jia)的(de)(de)(de)(de)(de)DNI較(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)，用(yong)于(yu)開發(fa)(fa)CSP的(de)(de)(de)(de)(de)地面空間(jian)也較(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)，因此(ci)，與下一代(dai)(dai)CSP技(ji)(ji)術(shu)相比，它(ta)們更偏好(hao)研(yan)(yan)發(fa)(fa)可在海外（如澳大利亞）生產(chan)氫氣的(de)(de)(de)(de)(de)太(tai)陽能(neng)技(ji)(ji)術(shu)。產(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)氫氣可以通(tong)過存儲(chu)和(he)運輸，在國(guo)內用(yong)于(yu)發(fa)(fa)電、供(gong)熱(re)或(huo)合成(cheng)化學(xue)物質(zhi)。例如，日本(ben)建立了一個聚光測試(shi)裝置，測試(shi)了使(shi)用(yong)二(er)氧(yang)化鈰的(de)(de)(de)(de)(de)兩步(bu)式(shi)水(shui)分(fen)解(jie)工藝（800~1400℃），用(yong)于(yu)太(tai)陽熱(re)生產(chan)氫氣。

（五）總結

在過去的(de)(de)(de)10年（2010—2020年）中(zhong)(zhong)，在各國和(he)各地區研究計劃的(de)(de)(de)推動(dong)下(xia)，高溫儲熱(re)(re)/導熱(re)(re)和(he)sCO2布雷頓動(dong)力(li)循環等下(xia)一(yi)(yi)代CSP關鍵(jian)(jian)技(ji)(ji)術(shu)研發取得了(le)顯著進展(zhan)。這些技(ji)(ji)術(shu)在美國、澳(ao)大利亞、歐洲或亞洲的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)試(shi)裝(zhuang)(zhuang)置中(zhong)(zhong)完成了(le)測試(shi)。美國已(yi)(yi)開(kai)始準備建(jian)(jian)立中(zhong)(zhong)試(shi)裝(zhuang)(zhuang)置，在日照CSP條件下(xia)測試(shi)熔融氯(lv)鹽儲熱(re)(re)/導熱(re)(re)、固體顆粒(li)和(he)sCO2布雷頓等技(ji)(ji)術(shu)，而(er)澳(ao)大利亞已(yi)(yi)在中(zhong)(zhong)試(shi)裝(zhuang)(zhuang)置中(zhong)(zhong)成功演示了(le)用(yong)于CSP的(de)(de)(de)液態金屬導熱(re)(re)技(ji)(ji)術(shu)。歐洲的(de)(de)(de)一(yi)(yi)些研究機(ji)構和(he)能(neng)源公司正(zheng)在演示用(yong)于CSP的(de)(de)(de)熔融碳(tan)酸鹽、固體顆粒(li)和(he)液態金屬技(ji)(ji)術(shu)。2018年，中(zhong)(zhong)國開(kai)始建(jian)(jian)設接近商業規模的(de)(de)(de)sCO2 CSP示范(fan)電站，并測試(shi)sCO2 CSP的(de)(de)(de)關鍵(jian)(jian)技(ji)(ji)術(shu)。

?以(yi)新型熔(rong)鹽(yan)作(zuo)為儲熱(re)/導熱(re)材料，如熔(rong)融(rong)碳酸(suan)鹽(yan)和(he)氯鹽(yan)，由于低廉的(de)成本目前主要將后者作(zuo)為研究對象；

?以(yi)固體顆粒作為儲(chu)熱/導熱材料，該技術已在美國(guo)、歐洲和(he)中國(guo)進行了一些示范(fan)；

?利(li)用氣體（如(ru)氦氣）進行(xing)導(dao)熱，使用其他(ta)材料(liao)（如(ru)固體材料(liao)，PCM）間(jian)接儲熱，科研(yan)人(ren)員(yuan)計(ji)劃在(zai)美國(guo)、歐洲和中(zhong)國(guo)進行(xing)示范；

?將液(ye)態金屬作(zuo)為導熱材料，使用其他材料（如液(ye)態金屬本(ben)身、固體材料或PCM）間(jian)接(jie)儲熱，在澳大利亞和歐(ou)洲對該(gai)技術進行示范。

表(biao)1匯總和比(bi)(bi)較了這(zhe)些儲(chu)熱(re)(re)/導(dao)熱(re)(re)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)優(you)勢、面臨的(de)(de)主要(yao)挑戰和測(ce)(ce)試技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)可用(yong)的(de)(de)試驗(yan)裝置。其中(zhong)，熔(rong)融(rong)氯鹽具有合適(shi)的(de)(de)熔(rong)點和很好的(de)(de)熱(re)(re)性(xing)能（蒸氣壓低(di)、熱(re)(re)穩定性(xing)高），以(yi)及低(di)廉的(de)(de)材料價格。此外，由于與(yu)(yu)商業熔(rong)融(rong)硝酸鹽技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)相似(si)，目前最(zui)(zui)先進的(de)(de)塔式CSP電站(zhan)的(de)(de)設計經驗(yan)也適(shi)用(yong)于使用(yong)新(xin)型熔(rong)融(rong)氯鹽的(de)(de)下一代CSP電站(zhan)。與(yu)(yu)熔(rong)鹽技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)相比(bi)(bi)，顆粒(li)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)最(zui)(zui)高使用(yong)溫度可達(da)1000℃，而無(wu)機鹽基(ji)PCM技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)具有更(geng)高的(de)(de)儲(chu)熱(re)(re)密度。在(zai)導(dao)熱(re)(re)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)中(zhong)，液態金屬技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)導(dao)熱(re)(re)系數比(bi)(bi)其他技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)高很多。但(dan)是，這(zhe)些新(xin)型儲(chu)熱(re)(re)/導(dao)熱(re)(re)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)面臨著一些技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)挑戰，如控制高溫下熔(rong)鹽對結構材料的(de)(de)腐蝕(shi)、提(ti)高固(gu)體顆粒(li)和PCM材料的(de)(de)傳熱(re)(re)性(xing)能的(de)(de)循環穩定性(xing)，以(yi)及降低(di)液態金屬技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)材料、運行(xing)和維修成本(ben)。綜上所述(shu)，我們需要(yao)更(geng)多的(de)(de)測(ce)(ce)試和示范裝置進行(xing)實際光照環境(jing)下的(de)(de)測(ce)(ce)試，來驗(yan)證這(zhe)些新(xin)型儲(chu)熱(re)(re)/導(dao)熱(re)(re)技(ji)(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)實用(yong)性(xing)和經濟性(xing)。

表1下一代CSP技術(shu)中的儲熱(re)(re)/導熱(re)(re)技術(shu)比較

三、下一代CSP電站中的熔融氯鹽技術

熔(rong)(rong)(rong)融氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)具有(you)熱(re)穩定性(xing)高(gao)且成本低的(de)(de)(de)(de)優勢，是下一代(dai)熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)技術(shu)中最有(you)發展潛(qian)力的(de)(de)(de)(de)儲(chu)熱(re)/導(dao)熱(re)材(cai)料(liao)之(zhi)一。如(ru)(ru)表2所示，與碳酸鹽(yan)(yan)混(hun)(hun)合鹽(yan)(yan)（如(ru)(ru)Li2CO3/Na2CO3/K2CO3，1.3~2.5 USD?kg–1）和硝(xiao)酸鹽(yan)(yan)混(hun)(hun)合鹽(yan)(yan)（如(ru)(ru)太陽鹽(yan)(yan)，0.5~0.8 USD?kg–1）相比(bi)，氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)混(hun)(hun)合鹽(yan)(yan)（如(ru)(ru)MgCl2/KCl/NaCl，低于0.35 USD?kg–1）具有(you)較高(gao)的(de)(de)(de)(de)熱(re)穩定性(xing)（>800℃）和合適(shi)的(de)(de)(de)(de)熱(re)物(wu)理性(xing)質，同時價格也(ye)低很多(duo)。然而，與商(shang)業熔(rong)(rong)(rong)融硝(xiao)酸鹽(yan)(yan)技術(shu)不(bu)同，熔(rong)(rong)(rong)融氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)技術(shu)面臨著另一項主(zhu)要挑(tiao)戰，即在(zai)高(gao)溫下對(dui)金屬(shu)結構材(cai)料(liao)有(you)強烈(lie)的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)性(xing)。因此高(gao)效且價格合理的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)控制技術(shu)對(dui)于熔(rong)(rong)(rong)融氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)技術(shu)至關重要。目前已有(you)許多(duo)有(you)關熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)作為儲(chu)熱(re)/導(dao)熱(re)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)研究進(jin)展的(de)(de)(de)(de)文章，以下各小節將重點(dian)介紹熔(rong)(rong)(rong)融氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)技術(shu)的(de)(de)(de)(de)最新研發進(jin)展，尤(you)其在(zai)腐(fu)(fu)蝕(shi)控制方面。

表(biao)2 CSP技術(shu)中用作儲熱/導熱材料的(de)熔鹽的(de)性質和價(jia)格對(dui)比(bi)

（一(yi)）氯鹽的選擇和(he)優化

一些(xie)研(yan)究小組通過(guo)查閱文獻和(he)(he)實驗測(ce)試，對(dui)(dui)下一代熔(rong)(rong)融氯(lv)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)儲(chu)熱/導(dao)(dao)(dao)熱技(ji)術中的(de)混(hun)(hun)合鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)進行了選擇和(he)(he)優化。如果主要考慮(lv)材料熱物性(xing)和(he)(he)成本，那么以(yi)(yi)下氯(lv)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)比較(jiao)適(shi)合用于(yu)(yu)混(hun)(hun)合鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)：LiCl、NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、BaCl2、ZnCl2以(yi)(yi)及AlCl3。氯(lv)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)混(hun)(hun)合鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)的(de)熔(rong)(rong)點(dian)通常低于(yu)(yu)單鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)，所以(yi)(yi)是(shi)更好的(de)儲(chu)熱/導(dao)(dao)(dao)熱材料。對(dui)(dui)較(jiao)低溫度的(de)儲(chu)熱/導(dao)(dao)(dao)熱而(er)(er)言(yan)，AlCl3和(he)(he)ZnCl2的(de)混(hun)(hun)合鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)因(yin)為具有較(jiao)低的(de)熔(rong)(rong)點(dian)而(er)(er)更有吸(xi)引力。但是(shi)，這些(xie)混(hun)(hun)合鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)因(yin)為具有較(jiao)高(gao)(gao)的(de)蒸(zheng)(zheng)氣(qi)壓，所以(yi)(yi)在(zai)較(jiao)高(gao)(gao)溫度下通常不予(yu)考慮(lv)使用。例如，在(zai)前面提到的(de)Gen3 CSP中的(de)sCO2布(bu)雷頓循環的(de)運行溫度（T>720℃）下，ZnCl2具有很高(gao)(gao)的(de)蒸(zheng)(zheng)氣(qi)壓，在(zai)720℃時接近1 bar（1 bar=1×105 Pa），而(er)(er)MgCl2等(deng)其他氯(lv)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)的(de)蒸(zheng)(zheng)氣(qi)壓較(jiao)低，在(zai)800℃時低于(yu)(yu)0.01 bar。低蒸(zheng)(zheng)汽壓對(dui)(dui)于(yu)(yu)儲(chu)熱/導(dao)(dao)(dao)熱技(ji)術應用而(er)(er)言(yan)是(shi)主要優勢(shi)，原(yuan)因(yin)是(shi)在(zai)儲(chu)熱和(he)(he)導(dao)(dao)(dao)熱系統中，熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)的(de)蒸(zheng)(zheng)發和(he)(he)冷(leng)凝等(deng)問題(ti)將大大減少，而(er)(er)且(qie)不需要壓力儲(chu)罐(guan)，可(ke)減少設(she)備成本。與含(han)Li2CO3的(de)碳酸鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)混(hun)(hun)合鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)相似，含(han)LiCl的(de)混(hun)(hun)合氯(lv)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)的(de)熔(rong)(rong)點(dian)低，但成本較(jiao)高(gao)(gao)。因(yin)此，不建議將含(han)ZnCl2和(he)(he)LiCl的(de)氯(lv)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)混(hun)(hun)合鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)用于(yu)(yu)運行溫度較(jiao)高(gao)(gao)的(de)先進熔(rong)(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)技(ji)術。

由NaCl、KCl、CaCl2和(he)MgCl2混(hun)(hun)(hun)合(he)而(er)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)氯鹽(yan)(yan)混(hun)(hun)(hun)合(he)鹽(yan)(yan)具有良好的(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)能。與(yu)其他氯鹽(yan)(yan)相比，堿金屬(shu)氯鹽(yan)(yan)（如(ru)KCl和(he)NaCl）具有較高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)容，在(zai)高(gao)溫下蒸氣(qi)壓較低(di)(di)，其吸濕性(xing)弱（意味著加熱(re)過(guo)程中由結晶(jing)水產生的(de)(de)(de)(de)(de)腐蝕性(xing)雜質(zhi)少），而(er)且(qie)價(jia)格低(di)(di)廉，但缺(que)點(dian)是(shi)熔(rong)點(dian)高(gao)（>750℃）。通過(guo)與(yu)堿土金屬(shu)氯鹽(yan)(yan)（如(ru)MgCl2、CaCl2）混(hun)(hun)(hun)合(he)，可(ke)(ke)以(yi)顯著降低(di)(di)單一(yi)(yi)堿金屬(shu)氯鹽(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)(de)熔(rong)點(dian)。在(zai)NaCl、KCl、CaCl2和(he)MgCl2所形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)(de)二(er)元(yuan)混(hun)(hun)(hun)合(he)鹽(yan)(yan)中，熔(rong)點(dian)最(zui)低(di)(di)的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)KCl-MgCl2。這種混(hun)(hun)(hun)合(he)鹽(yan)(yan)熔(rong)點(dian)為(wei)426℃，高(gao)溫下的(de)(de)(de)(de)(de)蒸氣(qi)壓低(di)(di)，而(er)且(qie)材料成(cheng)本也(ye)較低(di)(di)。我們還可(ke)(ke)以(yi)向該二(er)元(yuan)混(hun)(hun)(hun)合(he)鹽(yan)(yan)中添加價(jia)格較低(di)(di)的(de)(de)(de)(de)(de)NaCl，進一(yi)(yi)步降低(di)(di)熔(rong)點(dian)和(he)成(cheng)本，同時提高(gao)熱(re)容（表(biao)2）。圖(tu)9顯示(shi)(shi)，通過(guo)使用(yong)商業軟件FactSage?建模，并用(yong)差示(shi)(shi)掃描量(liang)熱(re)法（DSC）測量(liang)，可(ke)(ke)知共晶(jing)三(san)元(yuan)混(hun)(hun)(hun)合(he)鹽(yan)(yan)MgCl2/KCl/NaCl的(de)(de)(de)(de)(de)熔(rong)點(dian)約(yue)為(wei)383℃，共晶(jing)成(cheng)分的(de)(de)(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)分數(shu)為(wei)55%/20.5%/24.5%。經過(guo)比較，MgCl2/KCl/NaCl被國(guo)際上主要的(de)(de)(de)(de)(de)熔(rong)鹽(yan)(yan)技術科研團隊認為(wei)是(shi)最(zui)有應用(yong)前(qian)景的(de)(de)(de)(de)(de)下一(yi)(yi)代熔(rong)鹽(yan)(yan)儲熱(re)材料。

圖9利用FactSageTM模擬所得的MgCl2/KCl/NaCl混(hun)合鹽(yan)的相圖，其中共晶成分的質量分數為55%/20.5%/24.5%，其經(jing)差示掃描量熱(re)法（DSC）確認。轉載自(zi)參(can)考(kao)文獻，已獲Elsevier Ltd.許(xu)可，?2018

（二）熔融氯鹽重(zhong)要(yao)物性的確定(ding)

熔(rong)融(rong)(rong)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)的(de)(de)(de)物性(xing)，包括最低熔(rong)點(dian)、蒸氣(qi)壓(ya)(ya)、比熱(re)容、密(mi)度(du)、導熱(re)系(xi)數、黏(nian)度(du)和雜質(zhi)濃度(du)（與鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)的(de)(de)(de)腐蝕(shi)性(xing)相關(guan)），對(dui)于(yu)熔(rong)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)儲(chu)熱(re)/導熱(re)系(xi)統(tong)中腐蝕(shi)控(kong)制(zhi)系(xi)統(tong)和關(guan)鍵(jian)部件的(de)(de)(de)設計至關(guan)重要。關(guan)鍵(jian)部件包括熔(rong)融(rong)(rong)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)儲(chu)罐(guan)、管(guan)道、吸收器(qi)、泵、閥(fa)和熱(re)交換器(qi)等(deng)。在(zai)一(yi)些(xie)研究(jiu)項(xiang)目中，如(ru)SFERA II，科研人員已經確(que)定了上(shang)述(shu)熔(rong)融(rong)(rong)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)特性(xing)的(de)(de)(de)測(ce)(ce)試(shi)程序和數據分(fen)析(xi)標(biao)準(zhun)。表(biao)3總(zong)結(jie)了熔(rong)融(rong)(rong)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)性(xing)能的(de)(de)(de)測(ce)(ce)試(shi)程序和測(ce)(ce)量(liang)方法。這(zhe)些(xie)大多(duo)數可用的(de)(de)(de)熔(rong)融(rong)(rong)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)性(xing)能測(ce)(ce)試(shi)程序和方法都(dou)是基于(yu)商業熔(rong)融(rong)(rong)硝酸鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)，而且需要注意各(ge)種測(ce)(ce)量(liang)方法之(zhi)間存在(zai)測(ce)(ce)量(liang)不一(yi)致的(de)(de)(de)問題。所以，這(zhe)些(xie)物性(xing)測(ce)(ce)試(shi)方法并(bing)非全部適用于(yu)熔(rong)融(rong)(rong)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)，如(ru)最高運行(xing)溫度(du)的(de)(de)(de)確(que)定方法。對(dui)于(yu)熔(rong)融(rong)(rong)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)，最高運行(xing)溫度(du)的(de)(de)(de)確(que)定不僅應該(gai)和熔(rong)融(rong)(rong)硝酸鹽(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)一(yi)樣考(kao)慮(lv)其熱(re)穩定性(xing)，還應考(kao)慮(lv)高溫下的(de)(de)(de)腐蝕(shi)性(xing)和蒸氣(qi)壓(ya)(ya)問題。

INL的(de)研(yan)究報告綜述了(le)MgCl2/KCl混(hun)合鹽(yan)的(de)比熱容、密度(du)(du)、導熱系數和(he)黏(nian)度(du)(du)等(deng)物(wu)性數據。此外，NREL和(he)ANU使用(yong)FactSageTM建模和(he)DSC測(ce)(ce)試確(que)定了(le)MgCl2/KCl/NaCl的(de)最(zui)低(di)熔點和(he)組分。Wang等(deng)通過自制裝置和(he)Brookfield黏(nian)度(du)(du)計分別研(yan)究了(le)共晶NaCl/KCl/ZnCl2混(hun)合鹽(yan)的(de)蒸氣壓和(he)黏(nian)度(du)(du)。Li等(deng)通過將計算結果與(yu)實驗數據進行比較，推導得到(dao)一(yi)系列(lie)公式，用(yong)于(yu)預測(ce)(ce)含NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2和(he)ZnCl2的(de)混(hun)合鹽(yan)的(de)熱物(wu)性，包(bao)括熱容量、密度(du)(du)、導熱系數和(he)黏(nian)度(du)(du)等(deng)。但是，目前針對(dui)(dui)熔融氯鹽(yan)物(wu)性的(de)相關(guan)研(yan)究仍然有限(xian)，尤其是針對(dui)(dui)最(zui)有發展前景的(de)MgCl2/KCl/NaCl混(hun)合鹽(yan)，為了(le)實現商業(ye)應(ying)用(yong)還需要科研(yan)人員(yuan)進行大量研(yan)究測(ce)(ce)試。

表3對于(yu)設計儲(chu)熱(re)(re)/導熱(re)(re)系統(tong)至關重要的熔鹽(yan)物性的測量以及熱(re)(re)力(li)學模擬方(fang)法

（三(san)）熔融(rong)氯(lv)鹽對(dui)結構材料的腐蝕及其控制方(fang)法研究

1.熔融氯鹽(yan)對結構材(cai)料的腐蝕機理研究

熔(rong)融氯(lv)鹽(yan)對結(jie)構(gou)(gou)材料(liao)(liao)的(de)(de)強腐(fu)(fu)蝕(shi)性是阻(zu)礙(ai)其(qi)商業應用(yong)的(de)(de)主要問(wen)題。近(jin)年來(lai)，結(jie)構(gou)(gou)材料(liao)(liao)（主要是商用(yong)金屬合金）在高溫下（>600℃）在熔(rong)融氯(lv)鹽(yan)中(zhong)的(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)已得到廣泛(fan)研究。最(zui)近(jin)科研人員發表(biao)了一些相關(guan)的(de)(de)綜述論文(wen)。我(wo)們近(jin)幾(ji)年發表(biao)的(de)(de)關(guan)于熔(rong)融氯(lv)鹽(yan)中(zhong)合金材料(liao)(liao)的(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)機理和控制方法的(de)(de)綜述，全面介紹了熔(rong)融氯(lv)鹽(yan)的(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)。

從理(li)(li)論上講，純氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)（如(ru)MgCl2/NaCl/KCl混合(he)(he)鹽(yan)(yan)(yan)）本(ben)身不會氧(yang)化(hua)商業Cr-Fe-Ni合(he)(he)金(jin)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)金(jin)屬元(yuan)(yuan)素(su)，原因是(shi)(shi)MgCl2、NaCl和KCl比FeCl2、CrCl2和NiCl2的(de)(de)(de)(de)熱(re)力學性能更(geng)穩定(ding)。合(he)(he)金(jin)的(de)(de)(de)(de)嚴重(zhong)腐(fu)(fu)蝕(shi)主(zhu)要是(shi)(shi)由熔融(rong)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)性雜(za)質(zhi)(zhi)（如(ru)水解產物）引(yin)起的(de)(de)(de)(de)，它(ta)們(men)會氧(yang)化(hua)Cr元(yuan)(yuan)素(su)形成Cr氧(yang)化(hua)物。與接觸空氣或氧(yang)化(hua)性的(de)(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)氣體(ti)不同，Cr氧(yang)化(hua)物在(zai)與熔融(rong)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)氯(lv)(lv)離子(zi)反應后可溶解在(zai)熔融(rong)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)中(zhong)(zhong)，因此無(wu)法在(zai)商用Cr-Fe-Ni合(he)(he)金(jin)上形成穩定(ding)的(de)(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)物保護層。研究表明(ming)，如(ru)果(guo)熔融(rong)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)中(zhong)(zhong)含(han)(han)有雜(za)質(zhi)(zhi)，則(ze)在(zai)高(gao)溫(wen)下通常(chang)具(ju)(ju)有很強的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)性。舉例說，在(zai)700℃下，如(ru)果(guo)結(jie)構合(he)(he)金(jin)與未(wei)純化(hua)的(de)(de)(de)(de)MgCl2/NaCl/KCl混合(he)(he)鹽(yan)(yan)(yan)接觸，甚(shen)至昂貴的(de)(de)(de)(de)強抗腐(fu)(fu)蝕(shi)性鎳基合(he)(he)金(jin)（如(ru)Hastelloy C-276）也無(wu)法滿(man)足商業應用要求的(de)(de)(de)(de)30年使(shi)用壽命（即腐(fu)(fu)蝕(shi)速(su)率應低于10μm?a–1）。使(shi)用掃描電子(zi)顯微鏡（SEM）和能量色散X射線（EDX）對Cr-Fe-Ni合(he)(he)金(jin)腐(fu)(fu)蝕(shi)樣品進行顯微組織分析發現，在(zai)腐(fu)(fu)蝕(shi)過(guo)程(cheng)中(zhong)(zhong)，Cr比Fe和Ni先被(bei)氧(yang)化(hua)溶解，從而形成具(ju)(ju)有多孔結(jie)構的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)層。科研人員(yuan)普遍認為，金(jin)屬結(jie)構材料在(zai)高(gao)溫(wen)下與熔融(rong)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)接觸后的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)，是(shi)(shi)由熔融(rong)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)性雜(za)質(zhi)(zhi)（如(ru)MgOHCl）和氣體(ti)（如(ru)HCl）引(yin)起的(de)(de)(de)(de)。如(ru)圖10所示(shi)，在(zai)先前(qian)的(de)(de)(de)(de)工作中(zhong)(zhong)，我們(men)提出了商用Cr-Fe-Ni合(he)(he)金(jin)在(zai)熔融(rong)MgCl2/NaCl/KCl中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)雜(za)質(zhi)(zhi)驅動的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)機理(li)(li)。含(han)(han)有強吸濕性MgCl2的(de)(de)(de)(de)氯(lv)(lv)鹽(yan)(yan)(yan)混合(he)(he)鹽(yan)(yan)(yan)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要腐(fu)(fu)蝕(shi)性雜(za)質(zhi)(zhi)是(shi)(shi)脫(tuo)水過(guo)程(cheng)[式（2）]中(zhong)(zhong)產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)水解產物MgOHCl，水解反應如(ru)式（3）和式（4）所示(shi)：

MgCl2?2H2O→MgCl2?H2O+H2O（2）

MgCl2?H2O→MgOHCl+HCl（3）

MgCl2?2H2O→MgOHCl+HCl+H2O（4）

大(da)量的MgOHCl以(yi)MgOH+和(he)Cl–離子的形式存在于熔融氯鹽(yan)中。當溫度高于550℃時，MgOH+會分解為MgO和(he)強腐(fu)蝕性的H+離子，從而與(yu)商用Cr-Fe-Ni合金中較(jiao)活潑的Cr和(he)Si元素發生(sheng)反應。

除金屬合金外，科研人員還(huan)對(dui)陶瓷結構(gou)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)腐(fu)蝕行(xing)為進(jin)行(xing)了研究，如高(gao)溫(wen)（>600℃）下(xia)熔(rong)(rong)融KCl/NaCl中(zhong)的(de)(de)(de)Al2O3和(he)SiC材(cai)(cai)料(liao)(liao)，以及熔(rong)(rong)融MgCl2/NaCl/KCl中(zhong)碳纖維(wei)增(zeng)強的(de)(de)(de)碳化硅復合材(cai)(cai)料(liao)(liao)（C/C-SiC）。C/C-SiC在熔(rong)(rong)融氯(lv)鹽中(zhong)的(de)(de)(de)浸(jin)漬試驗表明，其具有優異(yi)的(de)(de)(de)耐腐(fu)蝕性、高(gao)溫(wen)下(xia)優良的(de)(de)(de)機械性能和(he)高(gao)斷裂韌(ren)性。這種材(cai)(cai)料(liao)(liao)可用(yong)作熔(rong)(rong)融氯(lv)鹽技(ji)術中(zhong)關鍵(jian)部件（如熔(rong)(rong)鹽泵和(he)熔(rong)(rong)鹽閥）的(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)結構(gou)材(cai)(cai)料(liao)(liao)。

圖10在惰性氣氛下，Cr-Fe-Ni合金在熔融MgCl2/KCl/NaCl中的雜質腐蝕機理。轉載自參考文獻，已獲得Elsevier B.V.許可，?2018

2.熔融氯鹽的純化方(fang)法

（1）熱純化方法

已有科(ke)(ke)研人員對采(cai)用(yong)加(jia)(jia)熱(re)(re)(re)法(fa)降(jiang)低(di)含有強吸濕(shi)性氯鹽的(de)(de)熔(rong)融氯鹽腐(fu)蝕性進(jin)行了(le)研究。例(li)如，通(tong)過(guo)控(kong)制溫(wen)(wen)(wen)(wen)度逐步(bu)加(jia)(jia)熱(re)(re)(re)混(hun)合(he)(he)鹽抑制前(qian)面提到的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)解(jie)副反(fan)應(ying)，從而減少腐(fu)蝕性雜(za)質(zhi)。根據MgCl2水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)合(he)(he)物(wu)的(de)(de)H2O和HCl的(de)(de)蒸氣(qi)壓圖（圖11），Kipouros和Sadoway使用(yong)多(duo)步(bu)加(jia)(jia)熱(re)(re)(re)法(fa)來(lai)純化MgCl2的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)合(he)(he)物(wu)。通(tong)過(guo)逐步(bu)升高(gao)鹽溫(wen)(wen)(wen)(wen)，將室溫(wen)(wen)(wen)(wen)下的(de)(de)MgCl2水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)合(he)(he)物(wu)MgCl2·6H2O依(yi)次脫(tuo)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)，在(zai)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度為T1~T3時依(yi)次脫(tuo)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)為MgCl2·4H2O、MgCl2·2H2O和MgCl2·H2O。科(ke)(ke)研人員可將鹽溫(wen)(wen)(wen)(wen)控(kong)制在(zai)T3和T4（MgCl2·H2O的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)解(jie)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度）之(zhi)間，使更多(duo)的(de)(de)MgCl2·H2O脫(tuo)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)形(xing)成(cheng)無(wu)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)MgCl2，且不形(xing)成(cheng)或只形(xing)成(cheng)少量的(de)(de)MgOHCl。近期，Vidal和Klammer研究了(le)這樣的(de)(de)熱(re)(re)(re)純化過(guo)程(cheng)。我(wo)們課(ke)題組使用(yong)DSC、熱(re)(re)(re)重分析(xi)-結合(he)(he)質(zhi)譜（TG-MS）和EDX分析(xi)方(fang)法(fa)，以(yi)及在(zai)線監測生(sheng)成(cheng)的(de)(de)HCl氣(qi)體(ti)，對含有水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)合(he)(he)MgCl2（MgCl2·6H2O）的(de)(de)MgCl2/NaCl/KCl混(hun)合(he)(he)鹽（摩爾分數分別(bie)為60%/20%/20%）的(de)(de)熱(re)(re)(re)純化方(fang)法(fa)進(jin)行了(le)研究。我(wo)們還測試了(le)另一種鹽脫(tuo)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)方(fang)法(fa)，即在(zai)加(jia)(jia)熱(re)(re)(re)至熔(rong)點之(zhi)前(qian)，在(zai)低(di)于(yu)熔(rong)點的(de)(de)350℃下通(tong)過(guo)使用(yong)惰性氣(qi)體(ti)吹掃固(gu)體(ti)鹽，以(yi)減少水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)解(jie)副反(fan)應(ying)和鹽中MgOHCl等腐(fu)蝕性雜(za)質(zhi)的(de)(de)濃(nong)度。

圖11基于MgCl2水合物的H2O和HCl的蒸氣壓圖，通過逐步加熱對鹽進行純化。1 atm=101 325 Pa。轉載自參考文獻，已經Elsevier Science Ltd.許可，?2001

然而，根據圖11中(zhong)的(de)(de)(de)(de)蒸氣(qi)(qi)壓(ya)圖，通(tong)過逐步(bu)加(jia)熱的(de)(de)(de)(de)方(fang)法不(bu)可能完全避(bi)免式（3）和(he)式（4）中(zhong)的(de)(de)(de)(de)水解反應。經過上(shang)述逐步(bu)加(jia)熱的(de)(de)(de)(de)純化(hua)后，鹽中(zhong)仍殘留少量氫氧(yang)化(hua)物(wu)雜(za)質(zhi)（質(zhi)量分數通(tong)常(chang)為0.1%~1%），這(zhe)些(xie)雜(za)質(zhi)可導致(zhi)金(jin)屬(shu)(shu)結構材料(liao)的(de)(de)(de)(de)嚴(yan)重腐蝕。MgOHCl以MgOH+和(he)Cl–的(de)(de)(de)(de)形式溶于(yu)熔融氯鹽中(zhong)。在(zai)(zai)溫(wen)度(du)高于(yu)555℃下(xia)，MgOH+進一(yi)(yi)步(bu)分解為MgO和(he)腐蝕性(xing)H+。在(zai)(zai)惰性(xing)氣(qi)(qi)氛下(xia)，可溶性(xing)金(jin)屬(shu)(shu)羥基離子被認為是熔融氯鹽中(zhong)最關鍵的(de)(de)(de)(de)腐蝕性(xing)雜(za)質(zhi)。低濃度(du)的(de)(de)(de)(de)腐蝕性(xing)雜(za)質(zhi)用熱純化(hua)方(fang)法不(bu)容(rong)易被去除，建議(yi)通(tong)過如(ru)化(hua)學或電(dian)化(hua)學純化(hua)方(fang)法，進一(yi)(yi)步(bu)降低其濃度(du)，以減緩結構材料(liao)的(de)(de)(de)(de)腐蝕速率。

（2）化學純化方法

已有(you)科研人(ren)員使用化(hua)學方法來(lai)純(chun)化(hua)熔(rong)融(rong)(rong)氯(lv)鹽(yan)(yan)(yan)，如在(zai)(zai)含LiCl的(de)(de)(de)(de)熔(rong)融(rong)(rong)氯(lv)鹽(yan)(yan)(yan)中(zhong)添(tian)(tian)(tian)加(jia)(jia)Li金屬(shu)或在(zai)(zai)含MgCl2的(de)(de)(de)(de)熔(rong)融(rong)(rong)氯(lv)鹽(yan)(yan)(yan)中(zhong)添(tian)(tian)(tian)加(jia)(jia)Mg金屬(shu)作為緩蝕(shi)(shi)(shi)劑。結果表(biao)明，在(zai)(zai)熔(rong)鹽(yan)(yan)(yan)靜態或熱虹(hong)吸動態試驗條件下，商用Cr-FeNi合(he)(he)金的(de)(de)(de)(de)腐蝕(shi)(shi)(shi)速(su)率顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)（圖(tu)12）。我(wo)們(men)課題組將三種商用Cr-Fe-Ni高溫合(he)(he)金（SS 310、Incoloy 800 H和(he)Hastelloy C-276）浸漬(zi)在(zai)(zai)MgCl2/NaCl/KCl（摩爾分數(shu)為60%/20%/20%）熔(rong)鹽(yan)(yan)(yan)中(zhong)，并添(tian)(tian)(tian)加(jia)(jia)質(zhi)量分數(shu)為1%的(de)(de)(de)(de)Mg金屬(shu)作為緩蝕(shi)(shi)(shi)劑，在(zai)(zai)惰(duo)性氣氛和(he)700℃的(de)(de)(de)(de)條件下進行了(le)500 h的(de)(de)(de)(de)試驗。與(yu)不添(tian)(tian)(tian)加(jia)(jia)Mg相比，添(tian)(tian)(tian)加(jia)(jia)Mg緩蝕(shi)(shi)(shi)劑可將合(he)(he)金的(de)(de)(de)(de)腐蝕(shi)(shi)(shi)速(su)率顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)70%以上(shang)，原(yuan)因是添(tian)(tian)(tian)加(jia)(jia)金屬(shu)Mg可降(jiang)低(di)腐蝕(shi)(shi)(shi)性雜質(zhi)MgOHCl的(de)(de)(de)(de)濃度，從(cong)而降(jiang)低(di)熔(rong)融(rong)(rong)氯(lv)鹽(yan)(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)氧化(hua)還原(yuan)電位(wei)（即腐蝕(shi)(shi)(shi)性）。最近，Choi等(deng)使用循環伏安法和(he)開路(lu)電位(wei)法等(deng)電化(hua)學方法深(shen)入研究(jiu)了(le)熔(rong)融(rong)(rong)氯(lv)鹽(yan)(yan)(yan)中(zhong)Mg金屬(shu)的(de)(de)(de)(de)緩蝕(shi)(shi)(shi)機理。Sun等(deng)使用電感耦合(he)(he)等(deng)離子體(ti)原(yuan)子發射光(guang)譜(pu)（ICP-AES）、拉曼光(guang)譜(pu)和(he)紅外(wai)光(guang)譜(pu)等(deng)分析方法，分析了(le)添(tian)(tian)(tian)加(jia)(jia)金屬(shu)Mg后MgCl2/NaCl/KCl熔(rong)融(rong)(rong)混(hun)合(he)(he)鹽(yan)(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)化(hua)學性質(zhi)。他們(men)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)結果也表(biao)明，添(tian)(tian)(tian)加(jia)(jia)Mg可以去除MgOHCl等(deng)腐蝕(shi)(shi)(shi)性雜質(zhi)，從(cong)而降(jiang)低(di)鹽(yan)(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)腐蝕(shi)(shi)(shi)性。

除了添加緩蝕劑，Kurley等使用多種碳氯化(hua)(hua)有機氣(qi)體(ti)及其混(hun)合氣(qi)體(ti)，通過碳氯化(hua)(hua)方(fang)法純化(hua)(hua)了KCl-MgCl2熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)。他們讓(rang)四(si)氯化(hua)(hua)碳氣(qi)體(ti)通過熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)，成(cheng)功地將(jiang)千克級熔(rong)(rong)(rong)鹽(yan)(yan)的(de)(de)雜(za)(za)質濃度純化(hua)(hua)到很低的(de)(de)水(shui)平（每千克鹽(yan)(yan)只(zhi)含42μmol MgO）。如(ru)(ru)圖(tu)13顯示，在這種被(bei)純化(hua)(hua)后(hou)的(de)(de)700℃熔(rong)(rong)(rong)融(rong)氯鹽(yan)(yan)中，不銹鋼(gang)SS 316L具有與鎳(nie)基(ji)哈(ha)氏合金Hastelloy N相近的(de)(de)低腐(fu)蝕速(su)率。兩種合金的(de)(de)腐(fu)蝕速(su)率均小于30μm?a–1（100 h浸漬試驗后(hou)合金質量變化(hua)(hua)低于0.2 mg?cm–2），接近30年(nian)使用壽命(ming)的(de)(de)要求。因(yin)此，此實驗驗證了熔(rong)(rong)(rong)融(rong)氯鹽(yan)(yan)中的(de)(de)腐(fu)蝕性雜(za)(za)質是(shi)腐(fu)蝕的(de)(de)主要原因(yin)。同時還表明，如(ru)(ru)果將(jiang)雜(za)(za)質的(de)(de)濃度控制在低水(shui)平，那么在下一代熔(rong)(rong)(rong)融(rong)氯鹽(yan)(yan)儲熱系統(tong)中也(ye)允許(xu)使用價格較低的(de)(de)結構材(cai)料(liao)（如(ru)(ru)不銹鋼(gang)），以(yi)增強(qiang)其成(cheng)本競(jing)爭力。

圖12在靜態和熱虹吸的腐蝕測試條件下，Haynes 230合金在有和沒有Mg緩蝕劑的850℃MgCl2-KCl熔鹽中的腐蝕速率比較

圖13在惰性氣氛及700℃下，隨著KCl-MgCl2鹽純度的提高，浸漬其中的SS 316L（a）和哈氏合金N（Hastelloy N）（b）的質量變化。轉載自參考文獻，已經Royal Society of Chemistry許可，?2019

（3）電化(hua)學(xue)純化(hua)方法

一些電化學方法也被科研人員用來純化熔融氯鹽(yan)。文獻(xian)[101–103]顯示可以(yi)通過使用惰性電極對熔融氯鹽(yan)進行預電解（PE），去除其(qi)中的大多數(shu)雜質。但(dan)是，使用惰性電極將發生(sheng)以(yi)下(xia)反應，并(bing)產生(sheng)Cl2等(deng)有毒氣體。

陰極（還原）：2MgOH++2e–=2MgO(s)+H2(g)（5）

陽極（氧化）：2Cl–=Cl2(g)+2e–（6）

總反應：2MgOH++2Cl–=Cl2(g)+2MgO(s)+H2(g)（7）

此外，陰極表面會(hui)被產(chan)生的電(dian)絕緣固體MgO鈍(dun)化。為避免Cl2等有(you)毒氣(qi)體的產(chan)生和電(dian)極的鈍(dun)化，我們課題組(zu)在電(dian)解中使用了(le)Mg陽極和脈沖(chong)電(dian)位(wei)對MgCl2/KCl/NaCl熔(rong)鹽進行純(chun)化，從(cong)而降低其腐蝕性，具體反(fan)應(ying)過程如(ru)下(xia)所示：

陰極（還(huan)原）：2MgOH++2e–=2MgO(s)+H2(g)（8）

陽極（氧(yang)化）：Mg(s)=Mg2++2e–（9）

總反應：2MgOH++Mg(s)=Mg2++2MgO(s)+H2(g)（10）

圖14是上(shang)(shang)述(shu)反應的(de)(de)示意圖，以及在Mg陽極電(dian)解(jie)(jie)中觀察到的(de)(de)現象。實驗結果表(biao)明，電(dian)解(jie)(jie)可(ke)有效去除腐(fu)蝕(shi)(shi)性雜(za)質MgOHCl。同時通(tong)過對浸入熔(rong)(rong)融氯鹽(yan)中的(de)(de)商用高溫合金（Incoloy 800 H）進(jin)行(xing)動電(dian)位(wei)極化(hua)(hua)法（PDP）測試腐(fu)蝕(shi)(shi)速(su)率(lv)，測試結果表(biao)明，由于(yu)鹽(yan)的(de)(de)純(chun)化(hua)(hua)，合金的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)速(su)率(lv)被(bei)降低80%以上(shang)(shang)。而且，電(dian)解(jie)(jie)過程中施加的(de)(de)脈沖電(dian)位(wei)可(ke)以抑(yi)制(zhi)因MgO析(xi)出導致(zhi)的(de)(de)陰極鈍化(hua)(hua)失(shi)活(huo)。所以，這種電(dian)化(hua)(hua)學鹽(yan)純(chun)化(hua)(hua)方法被(bei)認(ren)為有希望低成本(ben)控制(zhi)熔(rong)(rong)融氯鹽(yan)的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)性。

圖14在惰性氣氛下，使用Mg陽極對500℃下的KCl/MgCl2/NaCl熔鹽進行電化學鹽純化，圖中所示為假定發生的電解反應和實驗觀察到的現象。轉載自參考文獻，已經Elsevier B.V.許可，?2019

（4）腐蝕性雜質的測量和(he)監測方(fang)法

為了測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)/監測(ce)(ce)(ce)含(han)MgCl2的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熔(rong)融氯鹽中腐蝕(shi)性雜(za)質(zhi)(zhi)（如MgOHCl）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)濃(nong)度，已有科(ke)研(yan)(yan)人員提出了幾種方法(fa)(fa)(fa)(fa)，如酸(suan)堿(jian)滴定法(fa)(fa)(fa)(fa)和(he)(he)(he)循環(huan)伏(fu)安(an)法(fa)(fa)(fa)(fa)。Kurley等使用(yong)微(wei)量(liang)(liang)(liang)(liang)移液(ye)管和(he)(he)(he)商(shang)業pH電極(ji)，基(ji)于(yu)酸(suan)堿(jian)滴定法(fa)(fa)(fa)(fa)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)了KCl-MgCl2熔(rong)鹽中溶(rong)解的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氧化物雜(za)質(zhi)(zhi)濃(nong)度，測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)極(ji)限低于(yu)50μmol·kg–1，即MgOH+含(han)量(liang)(liang)(liang)(liang)為5 ppm。Skar和(he)(he)(he)我們(men)課題組的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)工作表明(ming)，循環(huan)伏(fu)安(an)法(fa)(fa)(fa)(fa)是(shi)一(yi)種有應用(yong)前景(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原位監測(ce)(ce)(ce)MgOH+雜(za)質(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)技(ji)術，其(qi)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)MgOH+含(han)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)極(ji)限可低于(yu)100 ppm。圖15顯示(shi)了帶有雜(za)質(zhi)(zhi)離子(zi)MgOH+的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)MgCl2/KCl/NaCl熔(rong)鹽的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)循環(huan)伏(fu)安(an)圖。循環(huan)伏(fu)安(an)法(fa)(fa)(fa)(fa)和(he)(he)(he)滴定法(fa)(fa)(fa)(fa)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)表明(ming)，反應B[MgOH++e–→MgO(s)+(1/2)H2(g)]的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電流密度峰值ip與(yu)(yu)熔(rong)融氯鹽中MgOH+的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)濃(nong)度成正比。除這些方法(fa)(fa)(fa)(fa)外(wai)，其(qi)他(ta)方法(fa)(fa)(fa)(fa)，如前面提到的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)拉曼光(guang)(guang)譜法(fa)(fa)(fa)(fa)和(he)(he)(he)紅外(wai)光(guang)(guang)譜法(fa)(fa)(fa)(fa)也可以被用(yong)于(yu)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)和(he)(he)(he)監測(ce)(ce)(ce)MgOH+雜(za)質(zhi)(zhi)。不同(tong)于(yu)化學(xue)事后(hou)分析（post analysis）方法(fa)(fa)(fa)(fa)，原位監測(ce)(ce)(ce)方法(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)優點(dian)是(shi)它(ta)可以被開發成熔(rong)融氯鹽雜(za)質(zhi)(zhi)在線監測(ce)(ce)(ce)技(ji)術，與(yu)(yu)上述鹽純(chun)化技(ji)術集成在一(yi)起形成熔(rong)融氯鹽腐蝕(shi)控(kong)制系統。

圖15含有MgOH+雜質離子的MgCl2/KCl/NaCl熔鹽的典型循環伏安圖。反應A：Mg2++2e–=Mg(s)；反應A′：Mg(s)=Mg2++2e–；反應B：MgOH++e–=MgO(s)+(1/2)H2(g)；反應C：Cl–=(1/2)Cl2(g)+e–。T=500℃；工作電極材料：鎢；掃描速率：200 mV·s–1。ip(B)：反應B的電流密度峰值。轉載自參考文獻，已經Elsevier Ltd.許可，?2017

3.其他緩蝕方法

除了鹽純化(hua)(hua)(hua)外，科研人員還提(ti)出(chu)了其他的(de)(de)緩蝕(shi)(shi)(shi)方(fang)(fang)法(fa)，比(bi)(bi)如(ru)(ru)(ru)通(tong)過改進(jin)和(he)(he)處理結構材(cai)料減少其腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)，如(ru)(ru)(ru)表(biao)面(mian)涂覆或(huo)(huo)生成Al2O3、釔穩定氧(yang)化(hua)(hua)(hua)鋯（yttriastabilized zirconia,YSZ）、鐵基(ji)(ji)或(huo)(huo)鎳基(ji)(ji)無(wu)定形涂層(ceng)(ceng)等(deng)(deng)保(bao)(bao)護(hu)(hu)層(ceng)(ceng)。實(shi)驗(yan)(yan)表(biao)明該方(fang)(fang)法(fa)具有(you)一定的(de)(de)發(fa)展前景。與鹽純化(hua)(hua)(hua)方(fang)(fang)法(fa)相比(bi)(bi)，合(he)金(jin)(jin)(jin)保(bao)(bao)護(hu)(hu)層(ceng)(ceng)可(ke)以同時減輕合(he)金(jin)(jin)(jin)在(zai)熔融(rong)氯(lv)鹽和(he)(he)保(bao)(bao)護(hu)(hu)氣體中的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)。Gomez-Vidal等(deng)(deng)在(zai)高溫（如(ru)(ru)(ru)1050℃）下(xia)(xia)預氧(yang)化(hua)(hua)(hua)含鋁(lv)合(he)金(jin)(jin)(jin)，從(cong)(cong)而(er)在(zai)合(he)金(jin)(jin)(jin)表(biao)面(mian)形成了致(zhi)密而(er)連續(xu)的(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)鋁(lv)保(bao)(bao)護(hu)(hu)層(ceng)(ceng)，腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)實(shi)驗(yan)(yan)表(biao)明可(ke)有(you)效(xiao)保(bao)(bao)護(hu)(hu)合(he)金(jin)(jin)(jin)免受熔融(rong)氯(lv)鹽的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)。此外，Raiman等(deng)(deng)通(tong)過實(shi)驗(yan)(yan)顯示，鐵基(ji)(ji)或(huo)(huo)鎳基(ji)(ji)無(wu)定形涂層(ceng)(ceng)可(ke)以改善結構合(he)金(jin)(jin)(jin)在(zai)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)性(xing)(xing)熔融(rong)氯(lv)鹽中的(de)(de)耐(nai)蝕(shi)(shi)(shi)性(xing)(xing)。我們課(ke)題組也(ye)進(jin)行了這方(fang)(fang)面(mian)的(de)(de)研究，與KIT合(he)作在(zai)高溫（800℃）下(xia)(xia)將Fe-Cr-Al模(mo)型合(he)金(jin)(jin)(jin)（鋁(lv)的(de)(de)質(zhi)量分數(shu)為8%）在(zai)空氣中進(jin)行預氧(yang)化(hua)(hua)(hua)，從(cong)(cong)而(er)在(zai)合(he)金(jin)(jin)(jin)表(biao)面(mian)形成一層(ceng)(ceng)致(zhi)密的(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)鋁(lv)保(bao)(bao)護(hu)(hu)層(ceng)(ceng)。如(ru)(ru)(ru)圖16所示，附著在(zai)合(he)金(jin)(jin)(jin)表(biao)面(mian)的(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)鋁(lv)保(bao)(bao)護(hu)(hu)層(ceng)(ceng)可(ke)以有(you)效(xiao)地抑制Cr和(he)(he)Fe的(de)(de)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)溶(rong)解以及腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)性(xing)(xing)雜質(zhi)滲透進(jin)合(he)金(jin)(jin)(jin)而(er)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)基(ji)(ji)體。

圖16在惰性氣氛下，經過700℃的MgCl2/KCl/NaCl熔鹽500 h的腐蝕后，預氧化后的Fe-Cr-Al模型合金（Al的質量分數為8%）橫截面的SEM圖和EDS映射。轉載自參考文獻，已經Elsevier B.V.許可，?2018

四、結論與展望

在(zai)(zai)過去(qu)10年(nian)（2010—2020年(nian)）中，在(zai)(zai)許多國家/地區，包括美國、澳大(da)利亞、歐洲和(he)(he)亞洲（主要是中國）的研(yan)(yan)(yan)究項(xiang)目支持(chi)下，使用新型儲熱(re)(re)/導熱(re)(re)材料的下一代CSP技(ji)術(shu)(shu)的研(yan)(yan)(yan)發(fa)(fa)取(qu)得了(le)重大(da)進展(zhan)(zhan)。科(ke)研(yan)(yan)(yan)人(ren)員研(yan)(yan)(yan)發(fa)(fa)適用于565℃以上的新性儲熱(re)(re)/導熱(re)(re)技(ji)術(shu)(shu)，并將它(ta)們和(he)(he)具有更(geng)高熱(re)(re)電轉換效率的動力(li)循環(huan)（如sCO2動力(li)循環(huan)）相結(jie)合。他們廣泛研(yan)(yan)(yan)究了(le)4種(zhong)有發(fa)(fa)展(zhan)(zhan)前景的技(ji)術(shu)(shu)路(lu)線(xian)(xian)，即固體(ti)顆粒、熔鹽、氣體(ti)和(he)(he)液態金屬技(ji)術(shu)(shu)路(lu)線(xian)(xian)。本文總結(jie)了(le)上述技(ji)術(shu)(shu)的最新研(yan)(yan)(yan)發(fa)(fa)進展(zhan)(zhan)和(he)(he)面臨的主要挑戰，此外，還對這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)(shu)的優缺點進行了(le)比較(jiao)和(he)(he)評論。

在這些(xie)候選(xuan)的(de)新型儲(chu)熱(re)/導(dao)熱(re)材料(liao)中(zhong)，熔(rong)融氯鹽由于(yu)優(you)良的(de)熱(re)性(xing)(xing)能和低廉的(de)材料(liao)價格被(bei)認(ren)為是下(xia)一代熔(rong)鹽技術中(zhong)最(zui)有(you)希望的(de)儲(chu)熱(re)/導(dao)熱(re)材料(liao)，其可在高(gao)達750℃的(de)溫度下(xia)使用。然而(er)，熔(rong)融氯鹽在高(gao)溫下(xia)對金屬(shu)結(jie)構材料(liao)具有(you)強(qiang)腐蝕性(xing)(xing)，因此科研人(ren)員需要解(jie)決這一挑戰，確(que)保(bao)儲(chu)熱(re)系(xi)統的(de)長壽命和可靠性(xing)(xing)。

熔融氯鹽儲熱/導熱技(ji)術的研(yan)發(fa)進展總(zong)結(jie)如下：

（1）MgCl2/KCl/NaCl已被(bei)確定為最(zui)有(you)發展前景的熔融氯鹽儲熱(re)/導熱(re)材料；

（2）熔融(rong)氯鹽的(de)物(wu)性(xing)參數(shu)(shu)對熔融(rong)氯鹽技術(shu)的(de)工程設計(ji)至關重要，其(qi)重要物(wu)性(xing)的(de)測(ce)量方法和推薦值（即(ji)最低熔點、蒸(zheng)氣壓、比熱容、密度、導熱系數(shu)(shu)、黏度和腐蝕性(xing)等）還(huan)需進一步確(que)認；

（3）結(jie)構材料（如合金）在熔融氯鹽中(zhong)的腐蝕機理已被廣泛研究，基(ji)于腐蝕機理，科研人(ren)員也找到了一些有發展前景的腐蝕控制方法。

在回顧和總結最新研究(jiu)進展的(de)(de)基(ji)礎上，本(ben)文也給出一些未來研究(jiu)建議，以促進熔(rong)融氯鹽儲熱(re)/導熱(re)技術的(de)(de)成熟和實現其在下一代CSP電站中的(de)(de)應用：

（1）研究如何(he)合理整合鹽(yan)(yan)純化和(he)減緩腐蝕(shi)的方法，開發經濟有效的控制熔融氯鹽(yan)(yan)腐蝕(shi)性的技(ji)術；

（2）研究經濟有效的腐蝕控制方法及系統；

（3）考慮耐久性以及熔融氯鹽的腐(fu)蝕性，確定值得在(zai)實驗室水平試驗的結構材料；

（4）開發熔(rong)鹽(yan)回(hui)路中所需的所有關鍵部件，如(ru)熔(rong)融氯(lv)鹽(yan)儲罐、熱交(jiao)換(huan)器、管道、泵和閥門，并在高(gao)溫下進行(xing)熔(rong)融氯(lv)鹽(yan)回(hui)路試點示范；

（5）確定整個技(ji)術放大策(ce)略，包(bao)括(kuo)考慮實際應(ying)用中所需的(de)材料和工(gong)藝。

注：本文內容呈現略有調整，若需可查看原文。

改編原文：