美國Verdicorp推低成本膠囊式相變儲熱系統
發布者：CSPPLAZA | 來源：CSPPLAZA光熱發電網 | 0評論 | 13278查看 | 2015-02-06 17:37:00
CSPPLAZA光熱發電網報道：光熱發電因伴有儲熱系統而具備了可持續穩定與可調度供電的核心競爭優勢，美國能源部SunShot計劃提出到2020年實現6美分/kWh的光熱發電成本目標，其中對儲熱系統設定的目標為15美元/kWhth。而目前的實際成本仍遠遠高出這一目標值，如何更快地降低儲熱系統的成本是光熱發電行業須著力突破的關鍵一環。
除了目前常見的熔鹽儲熱技術，更多新型的低成本儲熱系統方案被提出并開始逐步推向實驗和示范驗證。美國佛羅里達大學研發的膠囊式相變儲熱系統就是一種獨特的新型儲熱解決方案。據稱，采用該技術可以大大削減儲熱成本。CSPPLAZA記者為此采訪了Verdicorp中國區代表北京百富麗科技有限公司總經理佟光華。
佟光華表示，該儲熱技術采用膠囊式包裝熔鹽以實現相變儲熱。之所以采用這種膠囊結構，是為了解決傳統熔鹽儲熱系統投資成本高及有腐蝕性的問題。首先，熔鹽的優勢是價格低廉，來源普遍，物理化學性質穩定，導熱系數與載熱容量高。但是考慮到熔鹽儲熱系統的熱損失和熔鹽的腐蝕性問題，必須對熔鹽管道做好保溫，以避免熔鹽凝固，同時目前采用的雙罐系統也使得熔鹽儲熱系統的投資較為高昂。儲熱系統的投資是光熱發電站僅次于光場的第二大類別。削減熔鹽儲熱系統高昂的投資成本，可大幅降低光熱發電的度電成本。
相變熔鹽是一種具有特殊感光性和可快速充放熱的具有特殊導熱性的高溫材料，由多種不同的熔鹽以一定比例配比而成，具體可根據實際的運行溫度需要選擇材料配比。將這種相變材料封裝于小型的膠囊狀球體中，可有效解決相變材料對儲熱箱體的腐蝕問題，并可采用價格更為低廉的單罐設計。
對于該儲熱球的制造和封裝工序，研究人員首先采用液壓機將這種粉狀相變蓄熱材料壓縮，然后用一種低成本、可硬化并具有高滲透率的聚合物涂布將壓縮后的相變材料包裹起來，再通過加熱工序，使相變材料膨脹，聚合物涂布膨脹將空氣逼出材料球內，形成真空。再通過放熱過程，相變材料在球體內由外向內冷卻成為固態，因空氣在加熱過程中被逼出，中心部位形成真空狀態，然后采用電鍍或高溫燒結技術將包裹起來的相變儲熱球封裝一層金屬外殼或者陶瓷外殼。（見圖1）
圖1：金屬外殼相變蓄熱球制造過程
而之所以將儲熱球進行真空處理，是因為儲熱球在使用過程中，相變材料在球體內部會因融化而膨脹，造成內部壓力升高，可能會對球體造成損壞，真空處理后球體內部就預留了一部分空間，可保證相變材料在充放熱過程中不會對球體外殼造成損壞。
無數個儲熱球次序排列在集裝箱式的儲熱箱體中，就形成了一種獨特的集裝箱式相變儲熱系統。目前，儲熱球的排列方式有內置式和相變瀑流式兩種，可根據項目場地的大小選擇不同的排列方式，兩種儲熱箱在制作費用方面會有所差異。（見圖2）
圖2：模塊化相變蓄熱球儲熱系統的兩種排列結構
采用陶瓷外殼和金屬外殼的兩種儲熱球使用的熔鹽成份和配制比例都不相同，這使得它們可以應用于不同的領域。金屬外殼相變儲熱球可以應用于中溫領域，運行溫度為0℃～400℃；高溫(400~1000℃)應用領域則必須采用陶瓷外殼，陶瓷外殼的燒結也是一個技術難點，陶瓷通常有毛孔，必須在遠遠超過相變材質熔點1200~1600℃的溫度燒結，佛羅里達大學通過與日本京瓷的合作克服了陶瓷外殼的生產技術問題。
根據佛羅里達大學的試驗數據和與常規儲熱系統對比證明，這種相變型儲熱系統具有以下幾方面優勢。第一，陶瓷外殼的相變儲熱球儲熱系統運行溫度范圍在400~1000℃之間，遠高于目前常用的熔鹽儲熱系統最高550℃的工作溫度，可以有效提高光熱電站的發電效率；第二，該儲熱系統采用單罐設計，大幅降低儲熱儲罐的投資。另外也可以采用集裝箱式組裝結構，安裝靈活，適合分布式與地面面積有限的項目。第三，該儲熱系統采用模塊化設計，可根據用戶需要滿足不同領域的儲熱應用，既可應用于分布式儲熱領域，也可以用于大規模光熱電站；第四，相對目前市場上的儲熱系統在經濟性方面有了很大提高，有較強的市場競爭力。
目前這種金屬外殼的相變儲熱球在300~400℃的溫度范圍已完成2200次充放熱循環老化測試（折合系統實際運行7年），傳儲熱各項參數表現穩定。佟光華告訴CSPPLAZA記者，陶瓷外殼相變儲熱球在400~1000℃溫度范圍的老化測試目前正在進行中。根據整體測試結果評估，這種新型相變儲熱球儲熱系統的運行壽命可以達到25年以上。
佟光華重點強調了這種新型相變材料儲熱系統的經濟性，他估測該儲熱系統售價可達到200元/千瓦時熱以下，相比目前市場上熔鹽儲熱約300元~400元/千瓦時熱的市場價格大大降低，而且由于其模塊化、安裝靈活的特性，在光熱發電和各種工業熱利用領域都會有極強的適用性。
目前，Verdicorp公司計劃在澳大利亞昆士蘭利用豐富的太陽熱資源，推出34個分布式光熱發電站，采用新的相變技術作為電站24小時發電的儲能系統,取代目前昂貴的柴油發電站。在國內，已經開始與西北客戶規劃使用這套蓄熱系統作為分布式光熱發電與供暖裝置的儲能系統。
佟光華同時表示，Verdicorp公司已經取得美國佛羅里達大學專利技術授權，同時也在申請相關制造技術的專利。目前Verdicorp正在中國市場尋找合作伙伴開拓相變熔鹽蓄熱市場，有意向的光熱行業企業或投資體可與其聯系洽談多方面合作，共同推進這種新型相變儲熱系統的商業化應用。
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