太阳能热发电可与低成本大规模的高温储热技术结合,提供稳定的高品质电能,被认为是可再生能源发电中最有前途的发电方式之一,未来有可能成为主力能源。
太阳能热发电系统中可以采用的高温储热介质主要包括导热油、熔融盐、水蒸气、混凝土、陶瓷、耐火砖等。其中,混凝土储热因为储热材料成本低廉、体积热容量较高,热导率适中,化学性稳定等特点,受到了国内外的高度关注。
中国科学院电工研究所白凤武研究员对内埋金属管束式混凝土储热器进行了研究,建立了传热学方程,采用修正的集总参数法对储热器性能做了细致分析。
该内埋金属管束式混凝土储热器如下图所示,基本工作原理为:金属管内为传热流体通道,充热过程时高温的传热流体从管束中流过将热量传递给混凝土;放热过程低温的传热流体从管束中流过,被温度高的混凝土加热。
图:内埋金属管束式混凝土储热器概念图
通过研究发现,混凝土储热技术的传热机理带来了如下不足:1)放热过程的传热流体温度难以持续保持恒定,会随放热时间逐渐降低;2)存储的高温热能需要在混凝土中传递后方可被传热流体利用,导致能量品位的降低。
图:内埋金属管束式混凝土储热器
根据储热技术的原理,有研究提出了以显热储热容量利用因子对储热材料的利用程度进行评价,从而对不同储热技术进行比较。
储热容量利用因子表示的是储热系统实际利用的储热容量占可利用的最大储热容量的百分比。储热容量利用因子越高,储热系统中单位质量储热材料的实际储热量越大。前述的内埋金属管束式混凝土储热器,储热容量利用因子为33.4%;而相似技术参数的西班牙Andasol-1槽式光热电站双罐熔融盐储热系统的储热容量利用因子约为91.3%。
图:内埋金属管束式混凝土储热器充放热循环中的典型温度变化