[实用新型]一种用于超临界二氧化碳太阳能热发电的储热器

说明书

技术领域

本实用新型属于太阳能热利用技术领域，具体涉及一种用于超临界二氧化碳太阳能热发电的储热器。

背景技术

太阳能热发电将太阳能转化为电能，不需化石燃料，同时也不会对环境带来任何污染，对人类的持续发展有着重要意义。为了克服太阳能间歇性和不稳定性的缺点，采用高效的储热装置可保证太阳能电站能够全天连续稳定运行，从而提高发电效率，降低发电成本，因此储热器是太阳能热发电系统中的关键设备之一。目前国内外正在运行的太阳能发电厂，储热器采用的是显热储存方式，被研究过的储热工质有导热油、溶盐、液态金属、混凝土、陶瓷、水蒸汽等。如西班牙Gemasolar太阳能发电厂(19.9 MW)，热储存的储热工质是由40%硝酸钾和60%硝酸钠制成的混合熔盐。但显热储存的操作温度一般为290~565℃，且难以满足紧凑空间使用的要求。高温相变储热采用相变材料为储热工质，和显热储存方式相比，具有储能密度高，体积小，投资成本低等特点，研究表明匹配超临界蒸汽轮机的太阳能热发电系统中的储热器中，硝酸熔盐是最具竞争力的相变储热介质[文献1：郭茶秀等，直接产生蒸汽的相变储热系统及其相变储热介质的制备方法中国专利，CN102777871B]。为了进一步提高太阳能热电站的发电容量和发电效率，降低发电成本，近年来超临界二氧化碳太阳能热发电系统作为下一代太阳能热利用技术得到了国内外学者的广泛研究。美国SunShot计划研究表明[文献2：SunShot计划支持超临界二氧化碳循环光热发电技术研发, http://www.cspplaza.com/article -4841-1.html,2015]，采用超临界CO₂太阳能热发电系统动力循环热效率可达50%，远高于目前基于朗肯蒸汽循环的太阳能热发电系统35%的动力循环热效率。因此，超临界CO₂太阳能热发电系统具有巨大的应用潜力。

为了使超临界CO₂太阳能热发电系统循环热效率达50%，作为循环工质超临界CO₂的透平进口工作温度应为600-700℃。所以，随着工质温度的提高，其高温相变储热装置中不能再采用硝酸熔盐体系（最高使用温度不超过650℃），而是需要寻找熔点700℃以上、性能优良的熔盐。因为熔盐价格便宜，相变潜热比较大，具备良好的热稳定性，可以根据需要制备成不同熔点的共晶盐，所以很适合作为高温相变储热材料，缺点是有的熔盐高温腐蚀性非常强；另外熔盐的导热系数低，导致相变储热系统储/释热速率很低，大大降低了储热装置中传热流体与相变材料之间的换热效率。

文献3 [朱教群等，一种高温用熔盐陶瓷复合蓄热体及其制备方法，中国专利CN105349112A，2016] 公布了一种用于高温700-850℃的熔盐复合蓄热体：所用的相变材料为NaCl或KCl熔盐，熔盐表面包覆一层无机包覆层以解决氯盐对不锈钢设备的高温腐蚀性问题。尽管这两种氯盐的熔点合适，但氯盐高温下有较高的蒸汽压，会导致无机包覆层在高低温交变工况下的稳定性变差，所以长期使用熔盐易泄露，腐蚀设备。

针对相变材料熔盐导热系数低的问题，主要通过添加高传导率的材料到熔盐中，如增加翅片、纳米粒子或将相变材料吸附到多孔基质中以强化相变储热性能。如文献3 [朱教群等，一种高温用熔盐陶瓷复合蓄热体及其制备方法，中国专利CN105349112A，2016] 是在高温熔盐NaCl或KCl中添加碳化硅、膨胀石墨或石墨烯以增加导热性能，但NaCl或KCl高温易挥发,多次储放热循环后易发生开裂和渗盐，大大限制了其在工业中的应用；文献4 [W. Zhao et al.，Phase change material with graphite foam for applications in high-temperature latent heat storage systems of concentrated solar power plants. Renewable Energy 69 (2014) 134-146] 数值模拟研究表明高温熔盐MgCl₂吸附在石墨泡沫中的传热性能会大大提高，但由于实际MgCl₂在石墨泡沫中浸渗率不高，采用MgCl₂/石墨泡沫为储热介质的储热器储能密度较低，且熔盐MgCl₂常温易吸潮，脱水处理导致工序复杂。