8月7日，由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”在北京召开。华北电力大学能源动力与机械工程学院副院长徐超博士做了题为“基于熔融盐固液相变的高温储热技术研究”的主旨报告。经本人同意，对徐博士报告相关内容进行整理，以供参考。
一、背景介绍
储能的需求主要是基于新能源利用，包括太阳能热利用（热发电、工业用热）、冶金等行业间歇式余热利用、间歇性/波动性的可再生能源发电并网等。而储能技术中，储热是其中一种比较简单、成熟度比较高，而且目前来说商用化程度非常高的一种技术形式。总体来说，储热是克服能源系统间歇性、波动性问题的重要解决方式，其研究对于太阳能热发电/利用、余热回收、解决“弃风弃光”等具有重要意义。
在太阳能热发电系统中，储热技术的应用可以：1、稳定系统运行、提高发电效率；2、提高可调度性、延长发电时间；3、降低电站发电成本。太阳能热发电因此可以成为基荷电力，其推广可提高电网容纳风电、光伏等新能源电力能力。基于目前太阳能热发电的技术特点，我本人认为太阳能热发电是可以作为一种调峰电力存在，有比较大的发展前景；主要原因是，储热技术相对来说比较成熟。
现在的太阳能热发电用储热技术主要是基于熔融盐的技术，这种技术成熟度比较高，国际上已经有非常大容量的应用，而且应用时间非常长。
储热技术分很多种，包括显热储热、潜热储热、热化学储热。显热储热储热密度比较低，电化学储热密度比较高，但是成熟度、技术方面都还需要长时间的摸索。潜热储热，比如石蜡相变储热关注度也比较高，其中基于相变的潜热储热储能密度更高一些。
潜热储热的基本原理非常简单，就是利用工质从一种相转变为另一种相的过程中产生的相变潜热来储存/释放热能。适用于储热的主要是固-液相变，固-液是主要的相变储热技术形式。气体会产生超高压力，受限于高压容器, 且放热过程中温度不稳定。
固-液相变的储热材料很多，涵盖了从极低的温度到1000℃以上的极高温度。材料有石蜡、非石蜡，主要应用于100℃以下的温度范围内；熔融盐、金属等无机相变材料可以用于比较高的相变储热。还有一些材料是基于上述材料的复合，混合相变材料。其中熔融盐已经广泛应用于高温储热技术领域。
围绕熔融盐的储热，我们团队近几年开展了一些工作，从熔盐本身，到单元，到系统都进行了相关研究。
二、熔融盐相变糊状区演变规律
熔融盐的相变温度并不是固定的温度，而是温区，在这个温区内发生相变的时候，这个温区内是固体和液体共存的区域，称为糊状区，即相变过程中固液共存的区域。
在固-液相变过程中，在这个区域内相变的机理会影响到固-液相变的性能，因此我们搭建了测试平台，试图去分析这个区域演变的一些机理。我们初步的研究是基于硝酸锂和硝酸钾的混合二元盐，设计了一个一维的实验，非常薄的熔融盐沿着单方向进行熔化，通过可视化以及我们的热电偶分布捕捉里面的温度变化信息，从而反推出这个区域的信息。下面是融合过程中拍摄的相界面。
我们得到了相界面的移动速率，发现它的移动速度是逐渐下降的，同时我们也得到了在整个一维的熔化过程中，里面的温度分布，以及哪一部分属于这个区域的范围，最后确定出这个区域的宽度。最后基于不同的实验条件，我们获得熔化过程中相界面的位置以及熔化过程中这个区域的宽度，这个区域的宽度大概是几毫米。
除此之外，我们也研究了凝固过程。但是由于实验设计问题，由于比较大的热损失，它没有实现一维的凝固过程，所以无法得到一维的凝固过程的演变。凝固过程中并未观测到明显的相界面。糊状区内温度变化明显。
三、相变颗粒堆积床储热系统性能研究
在太阳能热发电系统中多采用熔融盐双罐系统结构，我们现在研究的是基于相变颗粒的单罐系统。当相变颗粒堆集起来以后形成一个单罐的堆积床，不论将其应用在太阳能热发电系统或是太阳能热利用系统中，我们都必须要研究系统的动态特性。
通过单一相变温度实验发现：1、斜温层持续扩张，储/释热前期功率稳定；2、为保证有效放热，PCM相变温度需高于有效利用温度，导致充热时换热温差小，充热速度慢。所以，一般大的温差时候不能用单一相变温度，如果是供暖几十度的温差没有问题。
我们也分析了不同的充放热条件对于系统的影响。比如当使用颗粒堆集的话，当储热系统进行循环充放热的时候，不能保证每一次都能进行完全的充热和放热，会存在一个截断温度的问题，这与整个系统的有效利用率有非常大的关系。
图：固体颗粒-相变颗粒堆积床储热系统
研究发现:
1、对于循环过程，存储的热能能够基本完全得到有效利用，但是储热系统的容量利用率较低。
2、在罐体顶部堆积少量相变颗粒，可以有助于稳定出口温度，适当提高储热系统的容量利用率。
3、储热系统储/释热效率、容量利用率随截断温度有大幅变化。
图：相变颗粒堆积床储热系统-级联相变温度
因为单一相变不能满足要求，我们也研究了相变颗粒堆积床储热系统的级联相变温度，包括三种级联或者五种级联，试图发现不同的温度系统中的循环充放热基本性能规律。
研究发现：
1、多级联系统储/释热过程存在多个等温变化区，传热更复杂。
2、相变颗粒堆积床必须具有级联相变温度才能保证高效储/释热。
3、储/释热循环若干次后，达到可重复状态。
四、总结
储热将在越来越多的能源生产与应用领域起到关键作用。储热目前也是储能领域研究的热点，包括梅生伟教授研究的压缩空气储能，其中储热也是重要的点，陈海生老师研究的超级压缩空气储能技术，堆积床储冷系统也是非常关键的技术。
储热技术研发目标和其他的储能技术一样，也是提高储能密度、降低成本。未来研发重点方向包括PCM储热、单罐、热化学储热等。未来研究的关键在于寻求材料性能突破，包括稳定性、物性调控（如低熔点熔盐、导热系数）、封装材料的相容性；进行科技创新，包括新材料、新结构、新系统。我认为相变储热还有非常大的前景，是一个热点。
