4月25日，在由国家太阳能光热产业技术创新战略联盟、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会与爱能森控股有限公司联合主办的“光热发电与电网调峰” 技术专场上，华北电力大学教授徐超针对太阳能热发电低成本储热技术之单罐斜温层储热技术进行了介绍，现将部分发言内容整理如下：
储热是太阳能热发电中核心的优势，目前太阳能热发电涉及的储热，主要是基于熔盐的双罐储热系统，但它的成本相对来说还是比较高的。如今，太阳能热发电电站商业化就面临着在比较短的时间内大幅降低成本的问题。储热在太阳能热发电总的成本大概占15%左右，为了大幅度降低太阳能热发电的成本，我们也需要降低储热的成本。
目前储电非常火，但是它的主要瓶颈是成本还是太高。各种不同的电化学储电技术，它们的成本相对来说都是比较高的，而我们储热如果和储电相比的话，它的成本只有大概四分之一左右。比如我们目前太阳能热发电用的熔盐双罐储热，它的成本只有80到200美元/千瓦时。正因为储热的成本低，而且有核心竞争优势，才使太阳能热发电在我们国内得到了比较快的发展。加上储热以后，它可以给太阳能热发电带来三个优点，第一是稳定系统运行，提高发电效率。二是提高可调度性，延长发电时间。三是低成本的储热也有助于降低整体太阳能热发电的成本。基于以上优势，太阳能热发电可以成为基荷电力，而且它的推广同时可以提高电网容纳风电、光伏等新能源电力的能力。
目前我国首批20个太阳能热发电示范项目中，广泛使用的是双罐熔盐储热系统，在槽式热发电系统是多是间接储热，在塔式电站中一般是直接储热，这个储热技术是相对来说比较成熟的。当然目前也面临着一些工程的问题，比如美国的一些以熔融盐作为传热和储热介质的热发电站在实际运行中也出现了一些安全问题。
总体来说，熔盐双罐储热是唯一得到大规模应用的储热技术，它的优势非常明显，由于把高温罐和低温罐分开放置，系统在放热的时候可以提供恒定温度的热源，部分充放热运行的时候性能优越。但是双罐熔融盐储热需要大量的熔融盐，这就导致成本比较高。所以很多科研院所和太阳能热发电企业都在研发新型的储热技术来代替这个双罐储热，来降低成本。
目前新型的储热技术种类也比较多，我总结了一下，主要有两种技术受到了比较多的关注。第一种就是单罐斜温层储热，实际上它在美国的电站中已经有过示范应用，但是后来由于一些原因，没有推广开来。由于我们储热成本的压力，目前单罐斜温层储热研究非常火，主要目的是希望能够开发一种低成本的储热技术。还有一种储热技术就是使用高温混凝土、陶瓷等固体材料的间接储热。
这里我想简单给大家介绍一下什么是单罐斜温层储热，以及它的主要的技术特点、发展方向，以及存在的主要问题。
单罐斜温层储热系统的结构比较简单，它只需要一个储热罐，同时里面可以填充低成本的沙石等储热材料，代替大部分熔盐。大约70%的空间可以被低成本的石块占据，所以可以大幅度的降低我们对于熔盐的使用量，它的储热成本和双罐相比有望下降35%。
斜温层储热在充放热过程中也实现了多尺度的传热过程，而多尺度的传热规律对系统动态特性和效率特性都有比较重要的影响。
斜温层储热和双罐储热相比有一个典型的特点，它在运行的时候，高温低温流体中间是有一个温度梯度的区域，我们把它称为斜温层区域。随着系统运行，斜温层区域在上下移动的过程中也会不断扩张，这个扩张带来的结果，就是它的充放热速率，以及熔盐的出口温度会变化，需要设定截止运行温度。由于截止温度的存在，连续的充放热以后，放热的截止时刻以及充热的截止时刻，它的罐内并不是完全的充满，或者完全放空的状态，可以看出最里面的两条曲线，一个是放热截止一个是充热截止，它里面的温度是存在着高温区和低温区的，所以它是一个部分充放热，这样的话就会导致理论上的储热容量并不能百分之百得到利用，我们可以定义成有效利用率，这个有效利用率我们研究发现，它和系统运行的截止温度有非常重要的关系。简单来说有效利用率和截止温度的关系可以用幂函数来表示。所以，当设计这种系统的时候，必须要考虑实际设计的储热容量应该有多少，它是要大于理论容量的，而这个需要根据有效利用率的变化，以及它的规律来进行分析，设计实际容量需要多少。
前面讲到的斜温层放热过程中后期出口温度会下降，如果我们在罐体的顶部加一层相变颗粒球，这样的话在放热过程中可以看出，在放热后期有一个等温的过程，使它的放热时间得到有效的延长。而通过顶部加入相变层以后，对于整个系统的有效利用率也能有一定程度的改善。
目前，关于高温相变颗粒在太阳能热发电系统中的应用研究也越来越多，因为石块的储热密度比较低，如果用相变材料可以使用比较小的罐体来实现储热的目的，同时也有助于降低储热成本，所以说全部使用相变颗粒来堆积的单罐储热系统也是一个研究方向。
我们针对于单罐斜温层循环充放热过程中斜温层扩张导致效率下降的问题，也提出了单罐双罐复合的储热技术。整个储热基于一个大的单罐来保证低成本，同时又集成了两个小的罐子作为双罐储热，这个时候双罐储热主要作为缓冲用，在太阳能波动比较大的时候，不需要用单罐系统进行响应，可以用双罐进行响应，从而可以避免对于单罐储热系统的频繁操作。另一方面，熔盐泵就不需要放在大的单罐系统里面，可以放在小的双罐，它对熔盐泵的液下深度的要求会降低，也可以进一步的降低系统成本。
总体来说，关于单罐储热系统，国内以及国际上都有不同程度的一些中试研发，还需要克服一系列的问题。这里面存在两个主要问题：一、单罐储热系统因为它既有高温段也有低温段，而且需要不停的运动，这个时候对于热循环下罐体的应力破坏，要好好的考虑，因为这个系统缺乏大规模的示范，在应用方面还有待进一步实验验证。二、在开发单罐储热技术以及新型单罐储热技术的过程中还会面临其他问题，比如填充颗粒的稳定性，与换热流体的相容性，以及使用高温相变颗粒时候它的封装方法及封装工艺。因为斜温层会持续扩张，如果可能的话还需要开发斜温层的主动控制技术。此外，与太阳能热发电，或者与整个能源互联网互联的时候，由于它本身的特点，我们还需要研究这种动态集成的性能以及调控方法。
所以，我认为在储热这一领域，科研院所以及企业还需要去持续的投入，尽快的开发低成本的储热技术。国外的很多大公司都在持续的研究一些新的储热技术，这一点国内相比来说还是要弱一点。所以我希望不管科研院所还是企业，都能够对于低成本储热有持续的关注和投入，而不是只关注于双罐储热技术。
（董清风 报道）
