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储热技术应用现状与发展趋势

作者:岳芬 来源:CNESA 发布时间:2020-05-09 浏览:
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储热技术是以储热材料为媒介将太阳能光热、地热、工业余热、低品位废热等热能储存起来,在需要的时候释放,力图解决由于时间、空间或强度上的热能供给与需求间不匹配所带来的问题,最大限度地提高整个系统的能源利用率而逐渐发展起来的一种技术。目前,主要有三种储热方式,包括显热储热、潜热储热(也称为相变储热)和热化学反应储热。

储热技术特性对比

显热储热、相变储热和热化学反应储热,这三种储热形式各具特点。

表1:三类蓄热系统特点比较

与其他两种储热形式相比,显热储热的技术最成熟。同时,显热储热运行方式简单、成本低廉、使用寿命长、热传导率高、但其储热量小且放热时不恒温,限制了其未来的应用前景。

相比于显热储热技术,相变储热具有单位体积储热密度大的优点,且在相变温度范围内具有较大能量的吸收和释放,存储和释放温度范围窄,有利于充热放热过程的温度稳定。但其储热介质一般有过冷、相分离和导热系数较小、易老化等缺点。

热化学反应储热的储能密度比显热储热和相变储热都高,但应用技术和工艺太复杂,存在许多不确定性,如反应条件苛刻,不易实现、储能体系寿命短、储能材料对设备的腐蚀性大、一次性投资大及效率低等,如能很好地解决这几方面的问题,则其应用前景广阔。

从三种储热形式的特点来看,各有利弊,目前许多研究都是针对这三种储热形式的不足进行研发与攻关。

储热技术成本与经济性  

通常,一个储热系统的成本包括蓄热材料,蓄放热设备以及运营成本等各项成本,对储热系统的经济性评估主要取决于特定的应用和运行需求,包括储放热次数和频率。

显热技术:以熔融盐储热系统为例,其成本包括熔融盐材料本身的价格,还要包括各主要部件,施工等费用,根据单价和总价的一般规律,随着储热系统容量的增加,尽管整体系统的造价很高,但是单位成本却在显著下降,倾向于稳定在31$/kWht,对比其他储能技术来说,显热储热系统的单位成本相对较低。

相变储热技术:综合国内主要相变储热设备生产厂商的成本数据,目前相变储热项目初投资成本为350~400元/kWh,装置本体的成本为220~250元/kWh,其中相变换热器和相变材料合计约占储热装置总成本的80%,是影响储热装置成本的关键因素。

热化学储热技术:目前尚处于实验室研究阶段,在实际应用中还存在着许多技术问题,另外热化学储热系统的一次性投资大及系统整体的效率偏低。

总体来看,三种蓄热技术形式中,显热储热的成本最低,这主要是由于显热蓄热材料,如水,砂石、混凝土或熔盐等成本较低,盛放这些储热介质的罐以及相关蓄放热设备的结构也较为简单。但蓄热材料的容器需要有效的热绝缘,这对储热系统来说可能会增加不少的成本投资。相变储热和热化学反应储热的系统成本要显著高于显热储热,且由于相变储热和热化学反应储热需要强化热传导技术与相应的设备使系统效率、蓄能容量等性能达到一定的标准,因此,除材料之外系统其它设备成本也相对较高。

储热技术应用现状  

显热储热技术目前主要应用领域包含工业窑炉和电采暖、居民采暖、光热发电等领域中。目前显热技术规模化应用主要集中在光热电站中。2009年3月,西班牙Andasol槽式光热发电成为全球首个成功运行的,配置熔盐储热系统的商业化CSP电站。伴随熔盐储热技术的日渐成熟,越来越多的CSP电站开始使用熔盐技术。中国熔融盐储热尚处于开发初期阶段,截止到2019年底,熔融盐储热累计运行装机规模为420MW,同比增长91.4%。

潜热储热技术主要用于清洁供暖、电力调峰、余热利用和太阳能低温光热利用等领域。近年来,随着清洁采暖、电力系统调峰等的需要,潜热储热技术越来越多的开始应用在发电侧和用户端。典型案例包括:采用江苏金合固体相变蓄热材料技术的中广核阿勒泰市风电清洁供暖示范项目;采用复合二元盐相变材料的内蒙古丰泰热电厂相变储热供暖调峰项目;采用北京华厚能源相变储能材料的北软双新科创园储能供暖项目等。

热化学储热技术目前尚处于小试研究阶段,在实际应用中还存在着许多技术问题,因此项目案例较少。

储热技术发展趋势  

当前仅有显热储热的应用较为成熟,但是相变储热和热化学储热具有诸多优势,后两种储热方式将是未来重点研究的方向。中高温相变储热材料储热密度大,有利于设备的紧凑和微型化,但是相变材料的腐蚀性、与结构材料的兼容性、稳定性、循环使用寿命等问题都需要进一步的研究,其商业化道路需要探索。热化学储热适用的温度范围比较宽,储热密度大,理论上可以适用在中高温储热领域。但热化学储热技术工艺复杂,迄今为止,其技术成熟性尚低,需对反应速率和传热系统等关键技术进行优化设计与控制,并对其进行大量的研究投入。

关键字:储热技术

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