————专访上海交通大学工程热物理研究所所长赵长颖教授
据研究表明，一座带有储热系统的太阳能热发电站，年利用率可以从无储热的25%提高到65%；利用长时间储热系统，太阳能热发电可以在未来满足基础负荷电力市场的需求。
众所周知，储热系统是太阳能热发电技术中的一个关键要素，它可以克服太阳能的非连续性,从而实现连续稳定的发电，并起到调峰作用。那储热系统类型有哪些？关键技术是什么？未来需要攻关和创新的方向在哪里？在首届中国太阳能热发电大会期间，联盟记者采访了“首届中国太阳能热发电大户” 、“先进流体与储热技术研究”科技报告专场主席——上海交通大学工程热物理研究所所长赵长颖教授。
图：赵长颖教授
赵长颖教授简介：上海交通大学讲席教授，工程热物理研究所所长。近些年来对多孔介质传热、微纳尺度热辐射特性、高效储热技术等领域进行了细致深入的研究，取得了一些重要学术成果。共发表论文100余篇，论文被SCI他引1500余次。1篇论文入选2012中国百篇最具影响国际学术论文，1篇论文获美国ASME主办的第四届国际微纳尺度传热大会最佳论文奖 （Best Paper Award），入选中国高被引学者（Elsevier,2014）。
记者：储热系统是太阳能热发电技术的一个关键要素，为什么储热系统对太阳能热发电具有重要意义？
赵长颖：我们知道，太阳能热发电有三大系统：聚光集热系统（其中包括定日镜、吸热器等）、储热系统和发电系统。与其它发电技术的最主要区别就是前两大系统。太阳能热发电站有储热，这是它不可或缺的显著特点。储热系统就像一个“二传手”，它若出现问题，整个系统运行的连续性就被割断，所以，它是太阳能热发电站的核心系统之一。正是有了储热，太阳能热发电站可以弥补太阳能非连续造成的波动特性，提高电网消纳波动电源的能力，有利于稳定电力系统的运行，更容易被电网所接受，从而进行连续稳定的发电和调峰，能够保证电力输出更加平稳、可靠。
此外，从成本造价来说，储热系统投资较大，约占整个系统投资的五分之一左右。储热系统作为太阳能热发电核心的部分，需要提升、改进的空间也更大。因为它需要维持太阳能热发电站的连续、高效运行，所以，它需要更多的创新和研究。
记者：储热系统在太阳能热发电站中至关重要，那么，储热分为哪些类别，所使用的关键材料有哪些？
赵长颖：实际上，储热（类型）有很多，大体上可以分为显热储热、潜热储热和热化学储热。
现在广泛应用于太阳能热发电站的主要是显热储热。显热储热的优点是技术比较成熟，在美国、西班牙已经建成的太阳能热发电站中都是应用显热储热，我国已建成的北京延庆八达岭塔式太阳能热发电实验电站和中控德令哈塔式电站也都使用了显热储热技术。
潜热储热，也叫相变储热。例如利用熔融盐凝固/熔化过程中液-固/固-液相变时吸收/放出的热量特点进行储热的方式。如硝酸钠，熔点大约是在306℃，当温度升高达到306℃时由固态变成液态，这个过程中吸收很多热量，用于改变物质的状态，这就是潜热。状态变了，但温度未变，所以叫相变储热。一般来说，潜热储热总是伴随着显热储热,利用了一部分显热，也就是显热加潜热的复合储热。熔化前和熔化后是显热储热，中间那一段是潜热储热。相变点不同，可供选用材料也不同：低温段，有机材料如石蜡, 无机材料有很多结晶水合盐类；中高温段，如有硝酸盐类、氯化盐类、混合盐类等；高温段有氟化盐类，如氟化钾、氟化钠。根据不同的温度段，选择不同的材料达到所需要的应用目的。
热化学储热是利用化学反应的反应热的形式来进行储热，具有储能密度高，可长期储存等优点。用于储热的化学反应必须满足：反应可逆性好，无副反应；反应迅速；反应生成物易分离且能稳定贮存；反应物和生成物无毒、无腐蚀、无可燃性；反应热大，反应物价格低等条件。应用于化学反应储热的材料体系目前包括氨的分解反应、碳酸盐化合物的分解反应、金属氢化物的分解反应、无机氢氧化物的热分解反应等几种。
记者：储热系统是太阳能热发电站的关键之一，那在储热系统中的关键技术又有哪些？
赵长颖：在显热储热方面，主要还是储热介质的熔点、比热等。例如，目前对显热储热介质熔融盐的需求很大，但其储热密度较小；如何提高它的CP（比热容）同时降低熔点是比较关键的技术。在此领域研究突出的有北京工业大学、中山大学等。
在相变储热方面，现在还没有大规模商业化运营，规模偏小，仍需要一段时间的实验室中试阶段。相变储热存在传热好坏的问题、固液体积变化的问题，包括孔隙的形成，性能问题，过冷度的问题、腐蚀性等都需要解决。
在热化学储热方面，相比前两种储热，它储存在化学键里，储热密度更大、不需要保温，可以实现长期、季节性的储热。例如，夏季炎热，用氢氧化镁吸热变成氧化镁和水然后储存。冬天，可以把水和氧化镁混合，释放大量热量。像烧煤的感觉，但是，和煤相比没有二氧化碳和污染物产生，只有水蒸汽，所以非常清洁。它单位体积的储热量是相变储热的近5倍，而相变储热是显热储热的近2倍(取决于温差)。热化学储热技术成熟的话，可以使太阳能热发电站中储热体的体积大幅减小，造价会降低很多。但是，现在我国的热化学储热技术还不成熟。
记者：您提到，在我国相变储热和热化学储热技术都还未成熟，那与国际相比，我们的储热技术发展程度如何？
赵长颖：整体来讲，与国际相比我们还是存在一定的差距，因为太阳能热发电站在美国、西班牙等国家建的比较多，运营好。所以，他们的研究比较早，起步早，应用多。比较特殊的是德国，德国由于太阳辐照的原因，没有商业化运行的太阳能热发电站，但德国具有领先的储热技术。
值得一提的是，我国的熔融盐储热技术相对成熟，已经跨入世界第一梯队。北京工业大学马重芳教授和中山大学丁静教授带领的团队的很多数据被国外引用，已经达到国际领先水平。但整体来说，在相变和热化学储热技术上我们与国际还存在一定的差距。我国已经在加大在这方面的研究力度，走出自己独特的道路，赶超世界。
目前显热熔融盐储热已经广泛应用于商业化的太阳能热发电站中。但假设三种技术都成熟的话，热化学储热成本最低，其次是相变储热，再次就是显热储热。而我国这三种技术在成熟度上恰恰相反，显热储热最成熟，相变其次，热化学储热正在实验室研究。
记者：有些技术我们与国际存在差距，那您认为我们应该在哪些方面做技术创新与攻关，赶超世界？
赵长颖：潜热和热化学储热我们与先进国家存在差距，还不成熟。所以，以后还是要多往潜热和热化学这个方向迈进，未来需要不断去做创新和技术攻关。潜热和热化学的储热密度明显大于显热储热，如果这两个技术解决了，太阳能热发电站中整个储热系统的体积变小，造价变低，而且在其它领域也能得到更多的应用。
具体在哪些领域创新就是技术细节问题。在相变储热中，采用哪种相变材料，甚至哪种复合的相变材料既能解决传热性能，又能解决储热性能？如何提高有效性、循环稳定性等方面都需要新的攻关、突破。热化学储热方面，在稳定的一些化学反应和物质中，是否还有更合适的其它化学材料？尤其在它的可逆行、稳定性、包括反应百分比都需要进一步提高。如：现在化学反应比例只有60%-70%， 30%-40%都没有反应。怎样使颗粒与水蒸气更全面的接触，不同的流动方式、布置方式使其反应更充分完全等等。
记者：在太阳能热发电储热技术上可能我们还有很长的创新之路、研究之路要走，上海交大主要研究方向是什么？您认为储热技术的发展前景和趋势是什么？
赵长颖：上海交大主要开展相变储热和热化学储热的研究。我们做熔融盐配比也是为应用在相变和热化学储热中。
近些年来，上海交大研究了低成本的硝酸混合盐等相变材料，包括硝酸钠、硝酸钙混合盐类。我们在实验室建了一个梯级储热系统：第一梯级优化结构温度在310℃左右；第二梯级熔点温度大约在220℃左右；第三级熔点温度大约在100℃左右。我们制备了硝酸钠、硝酸钙混合熔盐，也制备了很多的微米、纳米胶囊。在热化学储热上，上海交大是国内开展研究较早的一批,我们设计和搭建了两个独立的热化学储热实验系统。未来，我们也希望通过改变不同的参数，提高循环稳定性，做不同压力下运营状况的系统测试。当然，我们也开展了一系列的模拟，包括加入金属泡沫改善传热速率、温度分布等进行新的测试和计算。
关于储热技术的发展前景和趋势，我认为各个不同的阶段，不同的应用背景需要不同的储热材料，不能说哪种储热技术是最好的。因为有些方面，使用哪种储热都无可替代。热化学储热虽然储热密度大，但并不是每个地方都合适使用，因为热化学需要一个反应釜和不同的压力控制，系统较复杂。因此，在一些简单的储热方式上，你用热化学储热技术反而成本可能更高，并不一定合适。所以说，不同的场合下，应更有效地选择不同的储热方式。例如，在大温区，用显热储热也不失为一种好的方式。在温差不大的情况下，热化学和相变储热更合适。总体讲，从单位体积的储热密度、储热量来说，我觉得相变和热化学是未来储热的一种模式可能更为合适。但是，目前相对于显热来说，另外两种储热技术在我国不够成熟，需要不断努力和创新。
