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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(rong)貴介紹，雙(shuang)碳戰略(lve)下，大規模長(chang)(chang)(chang)時(shi)間儲能(neng)(neng)技術是(shi)實現電網深調峰、頂(ding)尖峰的重要手(shou)段(duan)，也(ye)是(shi)可再生能(neng)(neng)源大規模應用的關鍵。近(jin)年來，儲能(neng)(neng)裝(zhuang)機(ji)呈大幅增長(chang)(chang)(chang)趨勢，高(gao)溫(wen)熱儲能(neng)(neng)、壓縮空(kong)氣(qi)等新型長(chang)(chang)(chang)時(shi)儲能(neng)(neng)技術具有廣(guang)闊的發展前景，正在快速增長(chang)(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

楊榮貴表示，高(gao)溫熱(re)(re)儲(chu)能(neng)(neng)可(ke)以實現大規(gui)模儲(chu)能(neng)(neng)，有功率高(gao)(GW)與儲(chu)能(neng)(neng)時(shi)間長(chang)（＞4小(xiao)時(shi)）的特點；高(gao)溫熱(re)(re)儲(chu)能(neng)(neng)不受地(di)理與環境(jing)因(yin)素(su)限(xian)制，相比其他長(chang)時(shi)儲(chu)能(neng)(neng)技術有靈活性和適(shi)用性優勢。

2、成本優勢

另外，高溫(wen)熱儲(chu)能具(ju)備投資(zi)成(cheng)本(ben)(ben)低(di)、度電(dian)成(cheng)本(ben)(ben)低(di)（光熱等熱發(fa)電(dian)系統中）的優勢，其成(cheng)本(ben)(ben)遠(yuan)低(di)于電(dian)池等其他儲(chu)能技術(shu)。

3、規模化應用

楊(yang)榮貴展示了高溫熱儲能(neng)在(zai)光熱電站、壓(ya)縮空氣儲能(neng)電站、火(huo)電站三個(ge)領(ling)域的應用規模(mo)以(yi)及基本參(can)數(shu)情況。

▌熱儲能技術分類

楊榮貴展示了不同(tong)種類儲熱材料的(de)(de)應用(yong)溫區以及潛在(zai)的(de)(de)應用(yong)場景(jing)，并表(biao)示任(ren)何一個技術(shu)只有在(zai)適(shi)配的(de)(de)應用(yong)場景(jing)才能(neng)發揮最(zui)好(hao)的(de)(de)作用(yong)。

1、液體顯熱儲能技術

楊榮貴表示，液體顯熱儲(chu)能技術主要(yao)有流(liu)動循環儲(chu)熱系(xi)統和靜態/模(mo)塊化(hua)儲(chu)熱系(xi)統，其(qi)主要(yao)傳熱機(ji)制、優劣勢如下圖所示。

2、固體顯熱儲能技術

固(gu)體顯(xian)熱(re)(re)儲(chu)能技(ji)術主(zhu)要有流化床(chuang)儲(chu)熱(re)(re)系(xi)統、移(yi)動床(chuang)儲(chu)熱(re)(re)系(xi)統、固(gu)定床(chuang)儲(chu)熱(re)(re)系(xi)統，其主(zhu)要傳熱(re)(re)機(ji)制(zhi)、優劣勢如下圖所示(shi)。

3、潛熱儲能技術

潛(qian)熱儲能(neng)技術主要有膠囊(nang)儲熱系(xi)統、管殼式儲熱系(xi)統，其(qi)主要傳熱機制、優劣勢如下圖所(suo)示。

4、熱化學儲能技術

熱化學(xue)儲(chu)能技術主要有固(gu)-氣(qi)(qi)儲(chu)熱系統、液-氣(qi)(qi)儲(chu)熱系統，其主要傳熱機(ji)制、優劣勢如下圖所示。

▌熱傳導與對流傳熱速率對比

楊榮貴表示，傳(chuan)熱機制是決定熱儲能(neng)系(xi)統儲放熱性能(neng)的關(guan)鍵(jian)，真正(zheng)把(ba)技術變為(wei)現實，傳(chuan)熱速率問題尤(you)為(wei)重要(yao)。

假設存(cun)在同(tong)樣幾何尺寸(cun)和初始溫度的(de)固體、靜態液體和流動液體熔鹽(yan)作(zuo)為儲熱(re)介質，三種介質熱(re)物(wu)性(xing)均選用太陽(yang)鹽(yan)的(de)物(wu)性(xing)，設置介質表面溫度突然(ran)升高300℃，通過(guo)數值模擬(ni)方法求解加(jia)熱(re)不同(tong)時間(jian)后三種介質的(de)溫度分布如下。

結果顯(xian)示流動液(ye)體(ti)熔鹽平均溫(wen)度(du)上升(sheng)最快，靜(jing)態液(ye)體(ti)次之，固體(ti)溫(wen)度(du)上升(sheng)最慢(man)；傳熱(re)速率由高(gao)至低(di)依(yi)次為：強迫對流、自然對流、固體(ti)熱(re)傳導(dao)。

另外，對比不同(tong)介(jie)質的傳熱速率：選用相同(tong)假設，考慮不銹鋼(gang)介(jie)質熱傳導（高熱導率固體，k≈20W/m?K）與水泥介(jie)質熱傳導（中(zhong)等熱導率固體，k≈2W/m?K）與此前三種情形進行比較(jiao)，得出結論(lun)如(ru)下：

流(liu)(liu)動液體(ti)熔鹽強(qiang)迫對流(liu)(liu)傳熱速率高(gao)于不銹鋼(gang)介質(zhi)；

靜態液體熔鹽自(zi)然對流(liu)(liu)的傳(chuan)熱(re)(re)速(su)率前期(qi)略慢于(yu)水泥介(jie)質，而之后(hou)由于(yu)對流(liu)(liu)行為使得璧(bi)面處的流(liu)(liu)體與固體溫差保持一定(ding)數值(zhi)，因此(ci)熔鹽自(zi)然對流(liu)(liu)傳(chuan)熱(re)(re)速(su)率在加(jia)熱(re)(re)后(hou)期(qi)將高于(yu)水泥介(jie)質；

固體(ti)熔鹽熱傳導速率較慢，因(yin)為其熱導率較低，約k≈0.5W/m?K，但該(gai)數(shu)值(zhi)仍等于或(huo)略高于多數(shu)相變儲(chu)熱材料(liao)的(de)熱導率。

▌液體顯熱儲能技術

低(di)熔點、高熱(re)穩定性、流動(dong)性好（低(di)粘度）、高熱(re)導率、高比熱(re)容、低(di)腐蝕速率、低(di)成本是液體顯(xian)熱(re)儲熱(re)介質的關(guan)鍵性能(neng)指標。

楊榮貴表示，熔(rong)鹽的眾多物性中(zhong)，熱導率的測(ce)(ce)量較(jiao)為復雜，此(ci)前不同文獻中(zhong)的數據偏差較(jiao)大；當前楊榮貴及(ji)(ji)其團隊研究提(ti)出(chu)了(le)一個改進的激(ji)光閃光測(ce)(ce)量方法以提(ti)升熔(rong)鹽在(zai)液態時的熱導率測(ce)(ce)量精度，優化了(le)相(xiang)關液體容(rong)器設計，最小化相(xiang)關測(ce)(ce)量誤差以及(ji)(ji)熱場中(zhong)的不理想因素（存在(zai)對流、側(ce)壁導熱等）。

楊榮貴及其團隊近期在研究顯熱(re)儲(chu)熱(re)技術，他(ta)報告了團隊在熔(rong)鹽和單質硫兩種儲(chu)熱(re)介質的(de)研究進展與思(si)考。

三、熔融鹽熱儲能技術

楊榮貴表示(shi)，硝(xiao)酸基熔(rong)鹽(yan)具有粘度低、腐(fu)蝕速率不(bu)高(gao)、成本(ben)相對(dui)較低的優勢(shi)，但(dan)其高(gao)溫易分解，儲(chu)熱溫度上(shang)限無法(fa)滿足超臨界火(huo)電機組的要求；氯(lv)基熔(rong)鹽(yan)高(gao)溫不(bu)分解，但(dan)熔(rong)點高(gao)（低熔(rong)點配方(fang)蒸(zheng)氣壓高(gao)）且高(gao)溫腐(fu)蝕性極強。

▌高溫熔鹽研究現狀的問題與挑戰

楊榮貴(gui)就高溫熔鹽(yan)的(de)研究現狀提出問題：“為什么太陽鹽(yan)的(de)工作溫度上限(xian)是(shi)565℃，而(er)Hitec鹽(yan)是(shi)450℃？”

他表示，硝基(ji)熔(rong)鹽在(zai)高溫下的穩(wen)定性，主要與以(yi)下三個(ge)反應相關(guan)：

(1)硝酸根(gen)(MNO3)與亞硝酸根(gen)(MNO2)的(de)相(xiang)互轉化（可逆(ni)反(fan)應）；

(2)生成氧化(hua)物的反應（M2O）（可(ke)逆反應）；

(3)生成氮氣的反應（不可逆反應）。

楊榮貴(gui)表示，抑制(zhi)上述不可逆反應至關重(zhong)要。

當溫(wen)度(du)(du)高(gao)于(yu)450℃時，太陽鹽隨著溫(wen)度(du)(du)升(sheng)高(gao)重(zhong)量減小，而Hitec鹽重(zhong)量先增加(jia)再減小，如下圖所示(shi)。

溫(wen)度高于450℃時(shi)，太陽鹽(yan)（60NaNO3-40KNO3）開始分解，最開始的反(fan)應如下(xia)，推(tui)測在565℃，會生(sheng)成一小部分亞硝酸鹽(yan)。

相(xiang)反(fan)，Hitec鹽(yan)中含有大(da)量的亞硝酸根，在(zai)(zai)空氣氣氛中一開始會先被氧化(hua)，產(chan)生(sheng)增(zeng)重現象。因(yin)此，Hitec鹽(yan)更適合在(zai)(zai)氮氣保護氣氛下使用。

溫度高(gao)(gao)于565℃時(shi),推測兩(liang)種鹽會(hui)首(shou)先由(you)于反應平衡(heng)達到(dao)接近的(de)組分,或者(zhe)說NO3-/NO2-近似(si)相等。更高(gao)(gao)溫度下(xia)（620-680℃）會(hui)生成氧(yang)化物和氮氣(qi)，均產生快速(su)失(shi)重(zhong)的(de)現(xian)象。

另外，楊榮貴就高溫熔鹽(yan)的研究現狀提(ti)出挑戰：“如(ru)何控制硝基熔鹽(yan)的穩定性？”

楊榮貴表示，除從(cong)機理上(shang)進一步(bu)研究硝(xiao)基熔鹽的三個反應(ying)之(zhi)外(wai)，還需(xu)要更先進的測試(shi)方(fang)法(fa)，比如，服(fu)役(yi)工況下的測試(shi)（靜態(tai)、動態(tai)）、反應(ying)物的在線檢測方(fang)法(fa)（氣(qi)-液-固產物）；另(ling)外(wai)，需(xu)要通過配方(fang)設計(ji)（陽離子、陰離子）、氣(qi)氛控制(zhi)（氧分壓）等方(fang)法(fa)控制(zhi)硝(xiao)基熔鹽穩定(ding)性。

▌熔鹽電加熱器

楊(yang)榮貴表示，熔(rong)鹽儲熱(re)(re)與(yu)新(xin)型電(dian)力系統深度耦合需要(yao)提升電(dian)加(jia)熱(re)(re)器電(dian)壓等(deng)級與(yu)功率(lv)水平。傳(chuan)統電(dian)阻式加(jia)熱(re)(re)器是目前廣泛采用的電(dian)加(jia)熱(re)(re)器，但(dan)存在電(dian)壓等(deng)級低和成本高(gao)的問題；傳(chuan)統感應式電(dian)加(jia)熱(re)(re)器則效率(lv)較低；傳(chuan)統電(dian)極式加(jia)熱(re)(re)主要(yao)用于鹽浴(yu)爐(lu)，電(dian)壓等(deng)級也較低。新(xin)型高(gao)電(dian)壓、高(gao)功率(lv)熔(rong)鹽電(dian)加(jia)熱(re)(re)器的研究近(jin)些年十分(fen)活躍。

楊(yang)榮(rong)貴及其(qi)團(tuan)隊(dui)提出一(yi)種電(dian)極式熔鹽(yan)電(dian)加(jia)熱(re)的(de)原理與設計方法，搭建熔鹽(yan)電(dian)極式加(jia)熱(re)試驗系(xi)統，初步驗證電(dian)極式加(jia)熱(re)原理可行性以及理論預測結果的(de)有效性。

在熔鹽流量0.05 m/s-0.21 m/s，電(dian)壓(ya)從200V-600V的范(fan)圍內測(ce)試(shi)了電(dian)極式(shi)加熱器，測(ce)試(shi)結果符合理(li)論計算。

▌熔鹽-蒸汽換熱器技術

楊榮貴表(biao)示，熔鹽-蒸汽(qi)換(huan)熱(re)(re)器是(shi)基于熱(re)(re)儲(chu)能的(de)火電(dian)廠改造以及調峰電(dian)廠的(de)核心裝備。蒸汽(qi)尤其是(shi)超臨(lin)界蒸汽(qi)在臨(lin)界點(dian)附近具(ju)有劇烈的(de)物性參數變化，造成換(huan)熱(re)(re)器出現“夾點(dian)”，傳統換(huan)熱(re)(re)器設計方法在該情形下具(ju)有較大誤差，需要開(kai)發準(zhun)確的(de)換(huan)熱(re)(re)器設計模型。

▌CFD仿真模型搭建

經(jing)過實(shi)驗(yan)驗(yan)證的CFD模(mo)型可(ke)以準確(que)模(mo)擬(ni)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)(qi)中(zhong)兩(liang)側流(liu)體的溫度(du)場(chang)、速度(du)場(chang)與(yu)壓力場(chang)，目前已對管殼式換(huan)(huan)熱(re)器(qi)(qi)以及繞管式換(huan)(huan)熱(re)器(qi)(qi)中(zhong)的核心(xin)區域完成模(mo)型建設與(yu)驗(yan)證工作(zuo)。不過，大規模(mo)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)(qi)的CFD仿真具有龐大的計算(suan)量(liang)，無法完成換(huan)(huan)熱(re)器(qi)(qi)多參數優化等工作(zuo)。

▌分布式參數模型構建

另外，楊(yang)榮貴及其團隊(dui)通過將求解域離(li)散成(cheng)多個能量(liang)平(ping)衡的(de)(de)計(ji)算(suan)單(dan)元(yuan)來求解溫(wen)度(du)分布，較CFD模型(xing)提升計(ji)算(suan)速度(du)超過100倍。離(li)散單(dan)元(yuan)尺度(du)由當前(qian)溫(wen)度(du)下(xia)工質的(de)(de)熱物性梯度(du)決(jue)定，同(tong)時(shi)保(bao)證計(ji)算(suan)效(xiao)率(lv)與準(zhun)確度(du)。當前(qian)模型(xing)與25組實驗數(shu)據吻(wen)合較好(hao)，平(ping)均誤差維(wei)持(chi)在±3%以內，且較此(ci)前(qian)發表的(de)(de)分布式(shi)參(can)數(shu)模型(xing)具有更(geng)高(gao)的(de)(de)計(ji)算(suan)效(xiao)率(lv)與精度(du)。

四、單質硫熱儲能技術

楊(yang)榮貴展示了團隊在新型高溫熱儲能介質-單質硫(liu)的一(yi)些工作。

楊榮(rong)貴表(biao)示，硫(liu)(liu)元素(su)在(zai)地球上(shang)的(de)儲量(liang)大，目前的(de)工業單(dan)質(zhi)(zhi)硫(liu)(liu)生產成本極低(di)(di)，約1000元/噸，只有商用(yong)硝酸(suan)基熔(rong)融(rong)鹽(yan)(yan)（太陽(yang)(yang)鹽(yan)(yan)）的(de)1/5。除(chu)此之外，單(dan)質(zhi)(zhi)硫(liu)(liu)具有良(liang)好的(de)高溫穩(wen)定(ding)性，不存在(zai)高溫分解(jie)問題(ti)。同(tong)時，單(dan)質(zhi)(zhi)硫(liu)(liu)的(de)熔(rong)點低(di)(di)（約114℃），比商用(yong)硝酸(suan)基熔(rong)鹽(yan)(yan)（太陽(yang)(yang)鹽(yan)(yan)）低(di)(di)100℃左右。

他還指出，單質(zhi)硫儲熱也(ye)有(you)一(yi)些瓶頸(jing)問題：首先，單質(zhi)硫的高(gao)溫(wen)腐(fu)蝕(shi)性較(jiao)強，對不銹鋼材料的年腐(fu)蝕(shi)速(su)率(lv)高(gao)于硝酸基熔鹽；其次，液態單質(zhi)硫粘度偏高(gao)，工業純硫的峰(feng)值粘度大于100mPa·s，限制了其流動與(yu)傳熱。

為此(ci)，楊榮貴及其(qi)團隊對(dui)單質(zhi)硫的(de)腐(fu)(fu)蝕與(yu)抗腐(fu)(fu)蝕機(ji)理進行了一些研究。他們發現，封閉條件下(xia)400℃單質(zhi)硫對(dui)SS316不(bu)銹鋼(gang)材料(liao)的(de)腐(fu)(fu)蝕速率超過100μm/年，不(bu)過腐(fu)(fu)蝕產(chan)物相(xiang)對(dui)均勻，產(chan)物內側的(de)致(zhi)密硫化鉻層(ceng)有一定的(de)抗腐(fu)(fu)蝕保護(hu)作用。

對(dui)此，他們(men)進一步探究合(he)金中元素比例變化(hua)對(dui)于致密腐(fu)蝕產(chan)物鈍化(hua)效果的影響，并篩選得到(dao)適(shi)用單(dan)質(zhi)硫(liu)儲熱系統的高溫耐蝕合(he)金。

另(ling)外，此前關于單(dan)(dan)質硫(liu)(liu)粘度(du)(du)調控(kong)機(ji)理的(de)研究(jiu)表明(ming)：單(dan)(dan)質硫(liu)(liu)分子(zi)在(zai)160-250℃左右的(de)聚合行為(wei)導致其粘度(du)(du)急速(su)上(shang)升，但長(chang)鏈(lian)硫(liu)(liu)會在(zai)溫(wen)度(du)(du)進(jin)一步升高或(huo)存(cun)在(zai)雜質等條件下發(fa)生解聚，從(cong)而降低粘度(du)(du)。目前楊榮貴(gui)及(ji)其團隊(dui)正在(zai)研究(jiu)少量摻雜對單(dan)(dan)質硫(liu)(liu)長(chang)鏈(lian)分子(zi)產生解聚作(zuo)用(yong)機(ji)制，以此開發(fa)單(dan)(dan)質硫(liu)(liu)粘度(du)(du)調控(kong)技術與低粘度(du)(du)摻雜硫(liu)(liu)儲熱材料體系。

楊榮貴表示(shi)，此前做過35kWh單質(zhi)硫(liu)儲(chu)熱(re)-太陽能(neng)集熱(re)示(shi)范系(xi)統，綜合性能(neng)不錯。他坦言，單質(zhi)硫(liu)熱(re)儲(chu)能(neng)技術具備較好的發展前景，希望行業內共(gong)同努(nu)力。

最后，楊榮(rong)貴(gui)表(biao)示，高溫熱儲能(neng)技術發電側和用電側均(jun)有應用。未來，基于高溫熱儲能(neng)的大(da)規模儲能(neng)系統有望成為新型電力系統的能(neng)源調度(du)核心。