下一代太陽(yáng)能光熱電站中熔融氯鹽技術(shù)研發(fā)進(jìn)展丨Engineering
本文選自中國(guó)工程院院刊《Engineering》2021年第3期，原文出自：Progress in Research and Development of Molten Chloride Salt Technology for Next Generation Concentrated Solar Power Plants
引言
結(jié)合熱能儲(chǔ)存（TES，以下簡(jiǎn)稱(chēng)儲(chǔ)熱）的太陽(yáng)能光熱發(fā)電（concentrated solar power, CSP）技術(shù)是未來(lái)可再生能源系統(tǒng)中最具應(yīng)用前景的發(fā)電技術(shù)之一，其可高效利用資源豐富但具間歇性的太陽(yáng)能，為人們提供穩(wěn)定可調(diào)度且低成本的電力。為了大幅度降低現(xiàn)有商業(yè)光熱電站的平準(zhǔn)化發(fā)電成本（levelized cost of electricity, LCOE），人們正在開(kāi)發(fā)具有更高運(yùn)行溫度和發(fā)電效率的新一代CSP技術(shù)。與目前商業(yè)熔融硝酸鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)相比，下一代CSP電站中的儲(chǔ)熱系統(tǒng)通過(guò)使用新型儲(chǔ)熱材料可在更高的溫度（> 565 ℃）下運(yùn)行。在本研究中，德國(guó)航空航天中心的丁文進(jìn)等研究人員首先介紹了下一代CSP技術(shù)及其儲(chǔ)熱技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展，之后重點(diǎn)介紹了基于熔融氯鹽（如MgCl2/NaCl/KCl混合鹽）的先進(jìn)儲(chǔ)熱技術(shù)。MgCl2/NaCl/KCl具有與商業(yè)熔融硝酸鹽相似的熱物性、更高的熱穩(wěn)定性（> 800 ℃）和更低的材料成本（< 0.35 USD?kg–1）。在本研究中，研究人員還綜述了熔融氯鹽儲(chǔ)熱技術(shù)中混合氯鹽的選擇與優(yōu)化、儲(chǔ)熱相關(guān)物性的測(cè)定，以及系統(tǒng)中使用的結(jié)構(gòu)材料（如合金）的熔鹽腐蝕控制等方面的最新研究進(jìn)展。
前言
具有結(jié)合熱能儲(chǔ)存（TES）的太陽(yáng)能光熱發(fā)電（CSP）技術(shù)是未來(lái)可再生能源系統(tǒng)中最具應(yīng)用前景的發(fā)電技術(shù)之一，其可高效利用資源豐富但具間歇性的太陽(yáng)能，為人們提供穩(wěn)定可調(diào)度且低成本的電力。根據(jù)國(guó)際知名可再生能源政策研究機(jī)構(gòu)REN21（Renewable Energy Policy Network for the 21st Century）的研究報(bào)告，2018年全球有超過(guò)550 MW的新建CSP電站開(kāi)始投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，并且大多數(shù)都配備了熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)；2008—2018年，全球CSP裝機(jī)容量從0.5 GW快速增長(zhǎng)到5.5 GW。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年運(yùn)營(yíng)中的CSP電站（裝機(jī)容量約5.8 GW）主要分布在西班牙、美國(guó)、摩洛哥王國(guó)和南非共和國(guó)等國(guó)家和地區(qū)，而建造中的CSP電站（約2.2 GW）主要分布在中東和北非地區(qū)（MENA）以及中國(guó)。此外，歐洲、智利共和國(guó)、南非共和國(guó)和澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)還在設(shè)計(jì)建造裝機(jī)容量超過(guò)1.5 GW的CSP電站。
如圖1所示，根據(jù)不同聚光方式，CSP技術(shù)主要分為菲涅爾式、塔式、蝶式和槽式四類(lèi)。其中，菲涅爾式和槽式CSP屬于線(xiàn)性聚焦系統(tǒng)，而塔式和蝶式屬于點(diǎn)聚焦系統(tǒng)。與線(xiàn)性聚焦系統(tǒng)相比，點(diǎn)聚焦CSP系統(tǒng)由于具有更高的聚光率，因此可產(chǎn)生更高溫度的太陽(yáng)熱和實(shí)現(xiàn)更高的熱電轉(zhuǎn)化效率以及更低的電力成本。目前運(yùn)營(yíng)中的大多數(shù)CSP電站采用低建造和低維護(hù)成本的成熟槽式技術(shù)，而大多數(shù)在建的CSP電站則基于更先進(jìn)的塔式技術(shù)。
圖1. CSP技術(shù)的主要分類(lèi)（從左到右）：菲涅爾式、塔式、蝶式和槽式。
圖2為目前最先進(jìn)也最具代表性的第二代CSP電站，即配備熔融硝酸鹽直接儲(chǔ)熱系統(tǒng)（direct TES system）的商業(yè)化塔式電站。此電站主要由4個(gè)部分組成：定日鏡、吸收塔、熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)和動(dòng)力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。
圖2. 目前技術(shù)最先進(jìn)的第二代熔鹽塔式CSP電站，其直接儲(chǔ)熱系統(tǒng)中熔融硝酸鹽可同時(shí)作為T(mén)ES/導(dǎo)熱流體（HTF）材料使用。
圖3為位于西班牙的50 MW Andasol 3號(hào)CSP電站中的雙罐式熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，其使用了約28 500 t的太陽(yáng)鹽，儲(chǔ)存的熱量最多可供電站滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電約7.5 h。
圖3. 西班牙50 MW Andasol 3號(hào)CSP電站中的雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)。
圖4為美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory, NREL）提出的基于新型熔鹽儲(chǔ)熱材料的下一代CSP技術(shù)概念圖。在下一代熔鹽儲(chǔ)熱CSP電站中，熔鹽儲(chǔ)熱/導(dǎo)熱系統(tǒng)（運(yùn)行溫度為520~720 ℃）與超臨界二氧化碳（sCO2）布雷頓動(dòng)力循環(huán)（運(yùn)行溫度為500~700 ℃）相結(jié)合。與熱電轉(zhuǎn)化效率約為40%的傳統(tǒng)蒸汽動(dòng)力循環(huán)相比，sCO2布雷頓動(dòng)力循環(huán)具有超過(guò)50%的熱電轉(zhuǎn)化效率和更低的資本支出，其在下一代CSP電站和其他熱電站（如核電站）中具有巨大的應(yīng)用潛力。
新一代CSP技術(shù)
為了開(kāi)發(fā)具有更高發(fā)電效率和更低發(fā)電成本的下一代CSP技術(shù)，在近10多年中，包括美國(guó)、澳大利亞、歐洲和亞洲在內(nèi)的國(guó)家和地區(qū)都已經(jīng)提出了不同的研發(fā)方案或啟動(dòng)了相關(guān)的研發(fā)項(xiàng)目。
例如，在2011年啟動(dòng)的“SunShot Initiative”框架內(nèi)，美國(guó)能源部（DOE）于2018年開(kāi)始資助與Gen3 CSP研究計(jì)劃相關(guān)的研究課題。澳大利亞于2012年啟動(dòng)了ASTRI研究計(jì)劃，目的是改進(jìn)當(dāng)前商業(yè)CSP技術(shù)和開(kāi)發(fā)新一代CSP技術(shù)。自2004年以來(lái)，歐盟（EU）通過(guò)“第六框架”（FP6）、“第七框架”（FP7）和“地平線(xiàn)2020”（H2020）等歐盟項(xiàng)目資助了包含下一代CSP技術(shù)在內(nèi)的多個(gè)CSP研發(fā)項(xiàng)目。歐盟還資助了“歐洲研究區(qū)太陽(yáng)能設(shè)施”（Solar Facilities for the European Research Area, SFERA）I?III期和“歐洲聚光型太陽(yáng)能熱利用技術(shù)科技聯(lián)盟”（STAGE-STE）等項(xiàng)目，以促進(jìn)歐盟內(nèi)各國(guó)科研機(jī)構(gòu)的聯(lián)合協(xié)作，推進(jìn)CSP技術(shù)的發(fā)展。還有，中國(guó)等國(guó)家也對(duì)下一代CSP技術(shù)開(kāi)展了一些前期研究，例如，中國(guó)一些科研機(jī)構(gòu)從2011年開(kāi)始研究采用熔融氯鹽和碳酸鹽的下一代熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)。2020年，中國(guó)科技部（MOST）還通過(guò)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃啟動(dòng)了“超臨界CO2太陽(yáng)能熱發(fā)電”研究項(xiàng)目。
2.1
美國(guó)
2011年，美國(guó)能源部發(fā)起了為期10年的“SunShot Initiative”，提供大量經(jīng)費(fèi)支持太陽(yáng)能技術(shù)（即光熱和光伏技術(shù)）的研發(fā)，以降低太陽(yáng)能的發(fā)電成本，使其與常規(guī)電站和其他可再生能源技術(shù)相比也具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。如圖5所示，2017年，美國(guó)能源部宣布已成功地將儲(chǔ)能12 h以上的基本負(fù)荷CSP的LCOE降到0.10 USD?kW–1?h–1，與2010年不具備儲(chǔ)能功能的CSP相比，降低了50%以上。
圖5. DOE資助的“SunShot Initiative”中CSP技術(shù)進(jìn)展和2030年目標(biāo)。
2.2
澳大利亞
作為擁有全球最佳太陽(yáng)能資源的國(guó)家之一，近年來(lái)澳大利亞投入了大量資金和精力來(lái)開(kāi)發(fā)具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的太陽(yáng)能技術(shù)。如圖6所示，在ARENA的資助下，位于新南威爾士州的Vast Solar CSP測(cè)試站（儲(chǔ)熱量為6 MW，儲(chǔ)電量為1 MW）于2014年開(kāi)始建設(shè)。據(jù)報(bào)道，2019年科研人員成功以液態(tài)鈉金屬作為導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，其最高運(yùn)行溫度可高于800 ℃。
圖6. 位于澳大利亞新南威爾士州的Vast Solar CSP試驗(yàn)電站，使用液態(tài)鈉金屬作為導(dǎo)熱介質(zhì)，試驗(yàn)電站設(shè)計(jì)儲(chǔ)電量和儲(chǔ)熱量分別為1 MW和6 MW。
2.3 歐洲 歐洲在研發(fā)CSP技術(shù)方面有悠久的歷史，并取得了許多成果。據(jù)2019年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，西班牙是擁有世界上最大CSP裝機(jī)容量的國(guó)家（> 2.3 GW）。自2004年以來(lái)，歐盟通過(guò)FP7和H2020計(jì)劃支持了包括下一代CSP技術(shù)在內(nèi)的技術(shù)研發(fā)。德國(guó)宇航中心（German Aerospace Center, DLR）科研人員已經(jīng)在一個(gè)CSP中試裝置（Juelich Solar Tower）中測(cè)試了固體顆粒儲(chǔ)熱技術(shù)和先進(jìn)顆粒接收器，他們利用該技術(shù)在900 ℃以上的高溫下實(shí)現(xiàn)了高效的儲(chǔ)放熱能（圖7）。
圖7. DLR的CSP中試裝置。（a）Juelich Solar Tower；（b）測(cè)試中的顆粒接收器CentRec。
2.4 亞洲 在亞洲（如中國(guó)和印度）有許多CSP電站正在運(yùn)行、建設(shè)或開(kāi)發(fā)。2016年，中國(guó)宣布了首批獲得國(guó)家補(bǔ)貼的20個(gè)CSP示范項(xiàng)目（共1.35 GW），其中包括浙江中控太陽(yáng)能德令哈50 MW塔式熔鹽光熱發(fā)電項(xiàng)目（Zhejiang SUPCON SOLAR Delingha 50 MW molten salt tower project）和北京首航節(jié)能敦煌100 MW塔式熔鹽光熱發(fā)電項(xiàng)目（Beijing Shouhang IHW Dunhuang 100MW molten salt tower project）。2019年，全球大多數(shù)的新CSP電站（> 1.1 GW）在中國(guó)開(kāi)始建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年約有550 MW的新CSP電站投入商用運(yùn)營(yíng)，其中，通過(guò)開(kāi)始運(yùn)行的中控太陽(yáng)能德令哈50 MW和首航節(jié)能敦煌100 MW塔式熔鹽光熱電站，貢獻(xiàn)了約200 MW電力。 在印度，太陽(yáng)能技術(shù)的研發(fā)主要由印度國(guó)家太陽(yáng)能研究所（National Institute of Solar Energy, NISE）負(fù)責(zé)。據(jù)介紹，與光伏技術(shù)相比，印度目前在CSP技術(shù)的研發(fā)方面面臨著各種挑戰(zhàn)，如缺乏有經(jīng)驗(yàn)的勞動(dòng)力以及本土制造業(yè)不足等。因此，盡管印度的法向直接日射輻照度（direct normal irradiance, DNI）較高，用于開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能的面積也較大，但印度對(duì)下一代CSP技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展卻很緩慢。 而日本和韓國(guó)等其他亞洲國(guó)家的DNI較小，用于開(kāi)發(fā)CSP的地面空間也較小，因此，與下一代CSP技術(shù)相比，它們更偏好研發(fā)可在海外（如澳大利亞）生產(chǎn)氫氣的太陽(yáng)能技術(shù)。產(chǎn)生的氫氣可以通過(guò)存儲(chǔ)和運(yùn)輸，在國(guó)內(nèi)用于發(fā)電、供熱或合成化學(xué)物質(zhì)。例如，日本建立了一個(gè)聚光測(cè)試裝置，測(cè)試了使用二氧化鈰的兩步式水分解工藝（800~1400 ℃），用于太陽(yáng)熱生產(chǎn)氫氣。 2.5 小結(jié) 據(jù)上所述，可用于下一代CSP電站的儲(chǔ)熱/導(dǎo)熱技術(shù)（溫度高于565 ℃）主要包括以下幾種： ? 以新型熔鹽作為儲(chǔ)熱/導(dǎo)熱材料，如熔融碳酸鹽和氯鹽，由于低廉的成本目前主要將后者作為研究對(duì)象； ? 以固體顆粒作為儲(chǔ)熱/導(dǎo)熱材料，該技術(shù)已在美國(guó)、歐洲和中國(guó)進(jìn)行了一些示范； ? 利用氣體（如氦氣）進(jìn)行導(dǎo)熱，使用其他材料（如固體材料，PCM）間接儲(chǔ)熱，科研人員計(jì)劃在美國(guó)、歐洲和中國(guó)進(jìn)行示范； ? 將液態(tài)金屬作為導(dǎo)熱材料，使用其他材料（如液態(tài)金屬本身、固體材料或PCM）間接儲(chǔ)熱，在澳大利亞和歐洲對(duì)該技術(shù)進(jìn)行示范。
下一代CSP電站中的熔融氯鹽技術(shù)
熔融氯鹽具有熱穩(wěn)定性高且成本低的優(yōu)勢(shì)，是下一代熔鹽技術(shù)中最有發(fā)展?jié)摿Φ膬?chǔ)熱/導(dǎo)熱材料之一。與碳酸鹽混合鹽（如Li2CO3/Na2CO3/K2CO3，1.3~2.5 USD?kg–1）和硝酸鹽混合鹽（如太陽(yáng)鹽，0.5~0.8 USD?kg–1）相比，氯鹽混合鹽（如MgCl2/KCl/NaCl，低于0.35 USD?kg–1）具有較高的熱穩(wěn)定性（> 800 ℃）和合適的熱物理性質(zhì)，同時(shí)價(jià)格也低很多。然而，與商業(yè)熔融硝酸鹽技術(shù)不同，熔融氯鹽技術(shù)面臨著另一項(xiàng)主要挑戰(zhàn)，即在高溫下對(duì)金屬結(jié)構(gòu)材料有強(qiáng)烈的腐蝕性。因此高效且價(jià)格合理的腐蝕控制技術(shù)對(duì)于熔融氯鹽技術(shù)至關(guān)重要。 文章重點(diǎn)綜述了熔融氯鹽儲(chǔ)熱技術(shù)中混合氯鹽的選擇與優(yōu)化、儲(chǔ)熱相關(guān)物性的測(cè)定，以及系統(tǒng)中使用的結(jié)構(gòu)材料（如合金）的熔鹽腐蝕控制等方面的最新研究進(jìn)展。熔融氯鹽儲(chǔ)熱/導(dǎo)熱技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展總結(jié)如下： （1）MgCl2/KCl/NaCl已被確定為最有發(fā)展前景的熔融氯鹽儲(chǔ)熱/導(dǎo)熱材料； （2）熔融氯鹽的物性參數(shù)對(duì)熔融氯鹽技術(shù)的工程設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其重要物性的測(cè)量方法和推薦值（即最低熔點(diǎn)、蒸氣壓、比熱容、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度和腐蝕性等）還需進(jìn)一步確認(rèn)； （3）結(jié)構(gòu)材料（如合金）在熔融氯鹽中的腐蝕機(jī)理已被廣泛研究，基于腐蝕機(jī)理，科研人員也找到了一些有發(fā)展前景的腐蝕控制方法。 研究建議 在回顧和總結(jié)最新研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，本研究也給出一些未來(lái)研究建議，以促進(jìn)熔融氯鹽儲(chǔ)熱/導(dǎo)熱技術(shù)的成熟和實(shí)現(xiàn)其在下一代CSP電站中的應(yīng)用： （1）研究如何合理整合鹽純化和減緩腐蝕的方法，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的控制熔融氯鹽腐蝕性的技術(shù)； （2）研究經(jīng)濟(jì)有效的腐蝕控制方法及系統(tǒng)； （3）考慮耐久性以及熔融氯鹽的腐蝕性，確定值得在實(shí)驗(yàn)室水平試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)材料； （4）開(kāi)發(fā)熔鹽回路中所需的所有關(guān)鍵部件，如熔融氯鹽儲(chǔ)罐、熱交換器、管道、泵和閥門(mén)，并在高溫下進(jìn)行熔融氯鹽回路試點(diǎn)示范； （5）確定整個(gè)技術(shù)放大策略，包括考慮實(shí)際應(yīng)用中所需的材料和工藝。