储热材料在聚光太阳能热发电中的研究进展
储热材料在聚光太阳能热发电中的研究进展／李石栋等
・５１
・
储热材料在聚光太阳能热发电中的研究进展’
李石栋，张仁元，李风，陈观生，刘效洲
（广东工业大学材料与能源学院，广州５１０００６）
摘要
储热系统是聚光太阳能热发电系统中的关键部分。介绍了熔盐、高温混凝土、金属合金等高温储热材料
的物理性能及其在聚光太阳能热发电中的应用进展，指出了各种储热材料的优缺点，从储热材料的热物理性能、热稳定性、传热关系式等方面展望了储热材料在聚光太阳能热发电系统的研究。
关键词
聚光太阳能热发电储热材料熔盐高温混凝土金属合金
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒ髑ｓｉｎ
Ｔｈｅ咖ａｌ
Ｓｔｏｒａｇｅ
ＭａｔｅｒｉａＩｓ
Ａｐｐｌｉｅｄｉｎ
ＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇＳｏｌａｒＰｏｗｅｒ
ＬＩＳｈｉｄｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＲｅｎｙｕａｎ，ＬＩＦＥＮＧ，ＣＨＥＮＧｕａｎｇｓｈｅｎｇ，ＬＩＵＸｉａｏｚｈｏｕ
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ｃｏｎｃｒｅｔｅ，
ｍｅｔａｌａｎｏｙｓ
０引言
２０世纪７０年代，石油危机引起了各国对太阳能利用的重视。自２０世纪８０年代以来，美国、法国、西班牙、以色列、
电站￡引。
由于储热材料可在电力调峰和工业及民用节能领域实
现能量在时间和空间上大容量转移的特性，正好能补偿太阳
能因阴雨多云等天气或晚上而出现的间歇性缺点，因此储热
澳大利亚等国相继建立起各种不同类型的试验示范装置和商业化聚光太阳能热发电站（（ｂｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ
ｓｏｌａｒｐｏｗｅｒ，
技术在太阳能热发电中起着十分重要的作用。研究储热材料，特别是高温储热材料，对提高太阳能热电发电效率、优化系统管道的设计和降低成本具有重要意义。
储热材料的腐蚀性、不稳定性等严重影响着其在ＣＳＰ系统的应用。国内外大量研究人员正在研究可应用于ＣＳＰ系统的高温储热材料，主要集中在高温储热材料的研制及其腐蚀性、稳定性、热物性能、系统设计等方面。目前，正在或探索中可以应用于ＣＳＰ系统的高温储热材料一般有熔盐、高温
混凝土、金属合金等。
（§Ｐ），促进了ＣＳＰ技术的发展和商业化进程。据不完全统
计，１９８１～１９９１年全世界共建成了５００ｋＷ以上的ＣＳＰ系统２０多座【１］。２０世纪９０年代ＣｓＰ的研究进入了相对的低谷。但自进入２ｌ世纪以来，由于能源的紧张，各国又进入研究ＣＳＰ系统的热潮。我国于２０世纪７０年代末开始太阳能热
发电的研究。天津建造了一套功率为１ｋＷ的塔式太阳能热
发电模拟实验装置。上海建造了一套功率为１ｋＷ的平板式低沸点工质太阳能热发电模拟实验装置，湖南湘潭电机厂与美国公司合作设计并研制出功率为５ｋＷ的盘式（蹀式）太阳
能热发电装置样机［２］。从２００４年到２００７年在张耀明院士主
本文介绍了各种ｃＳＰ系统，并综述了高温储热材料在
ＣＳＰ系统的应用情况。
持下，南京春辉科技实业有限公司、河海大学等开展了塔式
太阳能热发电系统的研究和开发，建成了国内首座塔式７０ｋＷ太阳能热发电系统，并通过了鉴定验收［３］。科技部“十一五”更大力支持我国的太阳能热发电的研究，中国科学院
１
聚光太阳能热发电（ＣｓＰ）系统简介
聚光太阳能热发电的基本原理是通过聚光装置产生高热密度的太阳能来加热热流体（空气、水、导热油、熔盐、金属Ｎａ等），再由热流体直接或间接地把热能输送到发电系统发
电工所制定了塔式太阳能热发电技术发展行动计划，在２０１０
年北京延庆将要建成一座１ＭＷ以水／水蒸气为工质的塔式＊国家高技术研究发展计划（２００７ＡＡ０５２４６０）
电，从而实现“光獭一电”的能量转化过程。ＣＳＰ系统一般由
５大部件组成，即聚光装置、吸收／接收器、传热／储热系统、发
李石栋：男，１９８３年生，博士生，主要研究方向为能源材料与能源技术Ｅ．ｍｉｌ：“ｓｈｉｄｏｎ９０７５９＠ｔｏ玑咖
万方数据
・５２・
材料导报：综述篇．．２０１０年１１月（上）第２４卷第１１期
电系统、控制系统。ＣＳＰ系统有多种分类形式。按聚焦方式来分。可分为点聚焦和线聚焦两种；按聚光装置和吸收／接收
器来分，可分为抛物槽式、碟式、塔式、菲涅耳式等。
２储热材料在ＣＳＰ中的应用
储热材料及储热系统在ＣＳＰ系统中起着很重要的作用。
研究稳定可靠和高效低成本的储热材料及储热系统一直是
该领域的研究方向和目标。从表１中可知，储热材料在ＣＳＰ系统中的应用有空气、水／水蒸气、油／岩石、金属Ｎａ、导热油、熔盐、陶瓷、混凝土。同时很多系统中，储热材料不单起
到储热的作用还充当热量输送和传递的介质——热流体
（ＨＴＦ）的作用。这里主要介绍正在或探索中可以应用于ＣｓＰ系统的３类高温储热材料：熔盐、高温混凝土、金属合
金。表２、表４和表５列出了一些储热材料的性能。储热系
统可以分为显式系统和潜热系统，也可以分为两储热罐直接
式、两储热罐间接式和单储热罐温跃层式、高温混凝土储热
等系统。
表ｌ塔式系统‘４一‘］
Ｔａｂｌｅ１
Ｐｏｗｅｒｔｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ［４－６】
２．１熔盐
热流体和储热材料的选择对电站的成本和效率有重要影响。导热油的使用温度不超过４００℃，而成本较熔盐贵。
熔盐的温度极限可以为４５０～６００℃，有利于提高发电效率和
降低成本。但熔盐的不足就是凝固点太高，一般在１３０～
２３０℃，见表２铲’８］，而导热油的凝固点大约为１３℃Ｌ８ｊ。目前商
业用的熔盐有ｓｏｌａｒｓａｌｔ（４０％）ＫＮ０３一（６０％）ＮａＮ０３）、Ｈｉｔｅｃ（４０％）ＮａＮ０２一（７％）ＮａＮ０３一（５３％）ＫＮ０３）和Ｈｉｔｅｃ
ＸＩ。（４８％）Ｃａ（Ｎ（）３）２一（４５％）ＫＮ（）３—７％ＮａＮ（）３）等，其中鼯
ｌａｒ
ｓａｌｔ的成本是这３种熔盐最低的，但凝固点最高。ｓｏｌａｒ
ｓａＩｔ与各合金的腐蚀速率见表３［９．１…。ｓｏｌａｒＴ、Ⅳｏ和ＳＯＩａｒ
Ｔｒｅｓ塔式电站利用ｓｏｌａｒＳａｌｔ作为储热材料。
熔盐的选取原则主要的有熔盐的凝固点要低、运动粘度
要合适、高温时（５００℃）化学性能稳定和与容器的腐蚀小、成
万方数据
本低。一般锂盐的成本最高，其次是钾盐，再到钠盐，最低的
是钙盐。
表２一些熔盐的凝固温度‘７朋
Ｔａｂｌｅ２
ＳｏｍｅｍｏｌｔｅｎｓａＩｔｓ，ｍｅｌｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［７．８］
凝固温度
成分／名称
℃
Ｈｌｔｅｃ
ＯＨｉｔｅｃＸＬ
Ｏ（６８ｗｔ％）ＫＮ（）３一（３２ｗｔ％）ＬｉＮ０３
３ｓｏｌａｒ
ｓａｌｔ［（４０ｗｔ％）ＫＮ０３一（６０科％）ＮａＮ０３）］
８（５４ｗｔ％）ＫＮ（）３一（４６ｗｔ％）ＮａＮ（）３
Ｏ（３０ｍｏｌ％）Ｃａ一（２１ｍｏｌ％）Ｎａ－（４９ｍｏｌ％）Ｋ—Ｎ（）３共晶
３（３０ｍｏｌ％）Ｌｉ＿（１８ｍｏｌ％）Ｎａ－（５２ｍｏｌ％）Ｋ・Ｎ０§共晶
０
（１１ｍｏｌ％）Ｃａ一（３１ｍｏｌ％）Ｉ。ｉ一（５８ｍｏｌ％）Ｋ—Ｎ（）３共晶
他Ｂ璩船毖坞挖ｎ７
表３
ｓｏｌａｒＳａＩｔ与各合金的腐蚀速率‘９－１０］
Ｔａｂｌｅ３
Ｃ０ｒｒｏｓｉｏｎｓｐｅｅｄｓｏｆｍｅｔａｌｓｕｎｄｅｒｓｏｌａｒｓａｌｔ【９’１０］
丁静等［１１１搭建了三元硝酸熔盐（５３％ＫＮ０３、４０％ＮａＮ０２、７％ＮａＮＱ）的热工测试平台（如图１‘所示）。该平
台包括盐泵、熔盐炉、温度控制系统、数值采集系统、阀门和管等。
Ｌｕ
Ｊｉａｎｆｅｎｇ等【１２Ｊ３］利用ＶＯＦ模型对熔盐在管道中的热
力和流动性能进行了模拟分析，并对熔盐在管道中的凝固和
熔化特性进行了研究。ＰｅｎｇＱｉａｎｇ等［１４］制备了三元硝酸熔盐并分析了其性能。吴玉庭等［１５］搭建了硝酸锂熔盐传热储
热实验平台（如图２所示）。整个系统包括熔盐循环和油冷
却循环，共４００ｋｇ硝酸锂熔盐。
叶猛等ｎ６１建立了ＬｉＮ０３熔盐系统并进行了熔盐换热性能实验，初步得到ＬｉＮ０３熔盐的平均对流换热系数为５５５０
储热材料在聚光太阳能热发电中的研究进展／李石栋等
～１１８００Ｗ／（ｍ２・Ｋ），努塞尔数为１５０～３２０。孙李平等Ｌ１７１介绍了测试熔盐粘度、导热系数、熔解热等热物理性参数的方
法，配置了３６种不同配比的氯化钠、氯化镁和氯化钾的混合
氯化熔盐，采用差示扫描量热仪（Ｉ）ＳＣ）测定了不同配比熔盐的熔点，进行优选，得出当氯化镁、氯化钠和氯化钾的质量比为２：７
ｔ
１时，蓄热的成本最低，并采用最小二乘法得到了
该混合盐在熔融状态下比热与温度的回归方程ｎ引。辛嘉余等Ｌｌ列计算了Ｎａ：Ｃ（Ｘ、Ｋ：Ｃ０３、Ｌｉ：Ｃ（）３及其混合熔盐的粘度。左远志等∞３提出了一种熔融盐斜温层混合蓄热单罐系统，并
进行了实验研究。ＺｈｅｎＹａｎｇ等ｆ２１］分析了斜温层熔盐的传热模型。Ｌｉｘｉｎ等［２习对１Ｍｗｅ的熔盐空腔接收器的稳态热力进行了设计。
流量计
熔盐炉
图ｌ三元硝酸熔盐的实验平台系统原理图Ⅲ］
Ｆｉ舀ｌ
Ｅｘｐｅｒｉｍ蛐ｔａＩ
ｉ璐ｔａＩＩａｔｉ咖辩ｈｅｍｔｉｃ
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ｓａＩｔ［“］
图２硝酸锂熔盐强制传热储热实验系统原理图‘。５］
Ｆｉ辱２
ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａＩ
ｓｙｓｔ蛐咖ｆｉｇｕｒａｔｉ帅ｓｄｈｄ啮ｔｉｃ
ｆｂｒ
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咖Ｉｖ即ｔｉ帆ｈ昀ｔ
ｔ甩陋ｆ盯ｗｉｔＩＩＬｉＮ０３ｍｏｌｔ蚰鞠Ｉｔ【１朝
２．２高温混凝土
国内外研究高温混凝土作为储热材料在ａ汴中应用的
单位有德国的ＤＬＲ、武汉理工大学和中国科学院电工所等。
高温混凝土储热系统的概念是１９８８～１９９２年被提出来的，
直到１９９４年德国ＤＬＲ在ＺｓＷ（Ｃｅｎｔｅｒｆｏｒｓｏｌａｒ
ｅｎｅｒｇｙ
ａｎｄ
ｈｙｄｒｏｇｅｎｒｅｓｅａｒｃｈ）才完成了２个小型实验系统的测试。１９９５～１９９８年ＤＬＲ没获得项目的支持，２００１～２００３年获得
ｗＥＳＰＥ项目的支持Ｌ２３Ｊ。２００３～２００４年完成第一代高温混
凝土储能系统的测试［２４］，２００８～２００９年完成了第二代高温
混凝土储能系统的测试口５。。表４为ＤＬＲ研究的高温混凝土
的性能。
万方数据
・
５３・
表４
Ｄｌ。Ｒ研制的高温混凝土与浇铸陶瓷性能‘２３１
ＴａｂＩｅ４
ｌＶＬａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｔｏｒａｇｅｍａｔｅｒｉａｌｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ
ａｔ
ＤＬＲ翟。
材料
浇铸陶瓷
高温混凝土
朱教群等乜６’２７３采用铝酸盐水泥作为胶凝材料，向其中添加热容大的天然玄武岩、工业废铜矿渣等作为集料以提高其
热容，添加热导率高的工业石墨粉以提高其热导热率，添加复合高效减水剂以降低用水量和提高其强度来制备可用于
太阳能热发电的高温储热混凝土。同时对其力学性能和热
学性能进行了分析。
。
２．３金属
１９８０年美国ＢｉｒｃｈｅｎａｌＩ等采用合金作为相变材料Ｌ捌，提出了３种典型状态平衡图及计算二元合金熔化熵和熔化潜
热的方法。Ａｌ—Ｓｉ合金相变储能材料有储能密度大、储热温度高、热稳定性好、导热系数好、相变时过冷度小、相偏析小、
性价比良好等特点。高温相变储能材料Ａｌ—Ｓｉ合金熔融潜热
大，固相导热系数呵达１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ），而熔盐一般导热系
数都较低。铝硅合金的一些热物理中七能可参考如下参数：熔点８５２Ｋ、熔融潜热５１５ｋＪ／妇、固相比热１．４９ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）、液
相导热系数７０Ｗ／（ｍ・．Ｋ）、固相导热系数１８０Ｗ／（ｍ・’Ｋ）、固
相密度２２５０ｋｇ／ｍ３（Ｓｉ的质量分数不Ｉ司，数值将不同）姑８‘。其
它一些金属合金的熔点和潜热可参见表５［２…。西班牙在１９８１年建立的Ｏ．５ＭＷ塔式太阳能热发电的试验装置中，利
用金属Ｎａ作为传热储热介质［ｓ］。张仁元等汹删对Ａｌ－ｓｉ相
变储能材料的储热性能及熔化传热的研究较多，建立了Ａｌ—
ｓｉ相变储能热风热水系统，并探索了Ａｌ—Ｓｉ相变储能在太阳能热发电中的应用。李石栋等ｆ３２］以水作为传热介质。建立亨
Ａｌ—ｓｉ合金相变储能装置，探索了Ａｌ—Ｓｉ合金在太阳能热发电中的研究，并对Ａｌ—Ｓｉ合金相变储能的传热性能进行了实验研究。陈德明等Ｌ３副提出了将铅一铋共晶合金用于太阳热发电高温传热工质的构想并分析计算了其热经济性等。陈枭
等ｕ“３５］对Ａｌ—Ｓｉ合金的盛装容器的相容性及防护涂层进行了
研究，对分别以石墨粉、ＴｉＢ２、有机硅树脂为主要成分的几种不同配方涂层的抗热震性能、力学性能、耐蚀性能及使用寿命进行了分析。程晓敏等Ｌ３６］对Ａｌ一７％Ｓｉ合金、Ａｌ一７％Ｓ“％Ｃｕ合金和Ａｌ一３３％Ｃｕ进行了Ｔ）：ｓＣ分析，其熔化潜热分别为
‘
３０５．５Ｊ／ｇ、２４５．１Ｊ／ｇ和２０２．７Ｊ／ｇ。
Ｒ．Ａｄｉｎｂｅｒ∥阳提出了新颖的回流传递储热（Ｒｅｆｌｕｘ
ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｓｔｏｒａｇｅ，ＲＨＴＳ）的概念，并搭建了ＲＨＴＳ实验
平台，获得了测试数据，同时利用ＲＨＴｓ概念设计分析了一
１２ＭＷ的太阳能热发电储能系统。图３为ＲＨＴＳ的工作原理示意图［３引，主要是利用Ｚｎ７０Ｓｎ３０合金固一液相变储热与联
・
５４
・
材料导报：综述篇
２０１０年１１月（上）第２４卷第１１期
苯／苯醚混合物的液一汽相变（蒸化冷凝）传热之间相互作用来实现产生３５０～４００℃的过热蒸汽。联苯／苯醚混合物热流体在储热罐上下２个换热器鄱Ｚｎ７０Ｓｎ３０合金之间传热。
表５一些金属合金的熔点及潜热‘∞】
Ｔａｂｌｅ７
５
Ｓｏｍｅｍｅｔａｌａｌｌｏｙｓｍｅｌｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄ
ｌａｔｅｎｔｈｅａｔ［２９］
—一蒸气
热流体冷凝储能材料通道热流体蒸发热流体液池
。（或合成油
太阳能蒸气
热流体）
图３
ＲＨ鸭原理示意图‘州
Ｆｉ舀３
ｓｃｈ蚰翰ｔｉｃ
ｄｉａ舯ｍ
ｏｆｔｈｅ
ＲＨＩｓ咖唧ｔ［，７１
３结语
ＣＳＰ系统可分为抛物槽式、碟式、塔式、菲涅耳式等，其中储热系统和储热材料是ＣＳＰ系统的关键。研究高效低成本和性能稳定的储热材料及其系统是储热工作的重心。导热油由于使用温度不超过４００℃，成本又相对较高，在ＣＳＰ系统中的应用将具有一定的局限性。高温混凝土的成本较
低，德国已完成高温混凝土储热系统的中试，但高温混凝土
是显式固体储热，其储热密度和导热系数较小，系统占地面积较大。熔盐的使用温度较导热油的高，有利于产生４００℃
以上的水蒸气，提高发电效率。目前已经在Ｓ０ｌａｒＴｗｏ、Ｓ０一
ＩａｒＴｒｅｓ等得到成功应用。因此，未来熔盐在ＣＳＰ系统中的
应用将占主导地位，同时探索其他方面的储热材料在ｃＳＰ的应用研究。但是目前应用于ＣＳＰ的熔盐也存在不少缺点，主要是凝固点高，容易凝固阻塞管道，维护成本较高。熔盐的腐蚀性和高温下的化学稳定性也是其应用于ＣＳＰ的限制因素。金属合金的储热有储能密度大、储热温度高、热稳定性
万方数据
好、导热系数好、相变时过冷度小、相偏析小、性价比良好等特点是比较有潜力的，但目前还没有大型的应用系统，只有小型的实验探索研究。各种储热材料具有各自的优缺点，根据不同的应用要求，选择不同的储热系统和储热方式。综上
所述，展望储热材料在ＣＳＰ的应用研究，可为如下３个方面：
（１）研究凝固点低、５００℃时化学性能长期稳定、低成本的熔盐；（２）研究整理一系列熔盐的热物理性能及其传热关系式，为其应用和设计提供参考；（３）展开探索其他储热材料如高
温混凝土和金属合金的研究。
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１６２８１４
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储热材料在聚光太阳能热发电中的研究进展／李石栋等
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（责任编辑林芳）
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《材料导报》特邀稿征稿
《材料导报》是以综述性、动态性为特色的综合性材料科技期刊，自１９８７年９月创刊以来。经过２０多年的发展，已成为国内材料界较有影响的期刊，深受广大读者喜爱。《材料导报》始终坚持综述性、导向性的办刊宗旨，并紧跟国内外材料发展趋势，及时调整报道方向，力争更快、更准确、更深入地反映材料科技发展动态和国家宏观政策；跟踪原创性国际科研新动向；评述材料研究进展及产业化进程；探讨传统材料产业改造中的问题；展示国家相关材料计划实施及研究开发新成果，以促进高新
技术新材料的发展及产业化，为我国材料科技的进步起引导作用。
《材料导报》２００９年由月刊改为半月刊，分为综述篇（上半月）和研究篇（下半月）。
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《材料导报》编辑部
万方数据
储热材料在聚光太阳能热发电中的研究进展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
李石栋， 张仁元， 李风， 陈观生， 刘效洲， LI Shidong， ZHANG Renyuan， LI FENG， CHEN Guangsheng， LIU Xiaozhou
广东工业大学材料与能源学院,广州,510006材料导报
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