华北电力大学徐超: 储热目前商用化程度非常高、可用于电力调峰
发布者:yanjie | 来源:北极星储能网 | 0评论 | 2367查看 | 2019-08-09 10:30:51    

“储热在能源的生产和应用领域中会起到关键作用,所以储热目前也是储能领域研究的热点。储能的研究目标和其他的储能技术一样,也是提高储能密度、降低成本,对储热的研究方向我认为相变储热还有非常大的前景,是一个热点。利用储热,可能是十年、二十年以后有可能得到应用的技术,也是非常重要的方向。”


——华北电力大学能源动力与机械工程学院副院长徐超


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,会议为大力推广风能、太阳能、储能创新技术,推动风光互补、太阳能+储能、风光储技术以及智能微电网、能源互联网技术在综合能源服务领域的应用;搭建风能、太阳能与储能产业科学技术、创新应用的交流与合作平台,推进风电、太阳能发电无补贴平价上网项目技术发展,推动储能技术进步和创新。


主旨报告环节,华北电力大学能源动力与机械工程学院副院长徐超做了题为“基于熔融盐固液相变的高温储热技术研究”报告。


现在大家知道,我们的储能技术种类非常多,之前包括梅老师、丁主任介绍了两种不同的储能技术,而且其实除此之外还有一些其他的包括飞轮储能、热化学储能等等,接下来我的报告会介绍一种围绕储热技术来展开的。一般来说,我也参加过一些储能的会议,大部分围绕着电化学储能展开的。其实我们也知道,一旦电化学储能,像刚刚丁主任说的,如果锂电池这块有很大的突破,我估计材料技术就没有很大的发展前途了,包括储能,包括我们这边也在研究的太阳能发电,好在锂电还没有那么大的突破,我们目前还有空间,下面给大家介绍一下我们储能方面的一部分技术。


我汇报题目是“基于熔融盐固液相变的高温储热技术研究”。


报告分五部分:


背景大家都比较清楚,整个背景也是储能的需求背景,主要是基于我们新能源利用,还有一些工业等等余热利用过程中的间歇式、波动性的问题,而在这么多储能技术中储热是其中一种技术形式比较简单、成熟度比较高的技术,而且目前来说是商用化程度非常高的一种技术。总体来说,储能是克服间歇性、波动性的重要方式,它的研究对于太阳能的热发电、热利用、余热回收,以及解决目前弃风弃光等问题具有比较重要的意义。


下面我想再次强调一下太阳能热发电技术。太阳能热发电,大家都知道,在近几年,我们国内有比较大的发展,有两个电站已经实现了并网的运行,但是太阳能发电之所以比例比较高,发展总体来说发展比较慢,除了技术复杂度之外最主要的是成本比较高,不像光伏以及包括储能电池,在过去的十几年中成本下降非常快,但是热发电预期空间不是很厉害,导致未来的发电不会像光伏、风电那么大,但是基于目前储能技术情况来看,热发电还是有非常大的生存空间的,是因为它可以集中储热,集中储热之后有一些优势,可以使得它成为集合电力,和火电一样,同时它的推广可以提高电网容纳风电和光伏等新能源电力的能力。但是正如我刚才所说的,如果是化学或者电化学储能有非常大的突破,热发电也就没有时间升值空间了,因为它的成本可能会比较高,但是目前来说,基于它的技术特点,热发电可以作为一种,我本人认为是可以作为一种调峰电力来存在的,所以还是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。


现在的热发电应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,而且应用时间挺长。目前围绕储热来说有非常多的新型的储能技术来获得大家的关注。大家知道,从储热技术本身来说,储热可以分为显热储热、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。


这三种方式,其中基于相变的潜热储热储能密度更高一些,基于太阳能发电都集中在了熔融盐相变材料的储热上面。浅热储热的基本原理非常简单,就是利用工具一种相转变为另一种相的时候,发生相变潜储热。适用于储热的主要是固—液相变,固—液是主要的相变储热的技术形式。


固—液相变的储热材料很多,有非常多的材料,涵盖了从极低的温度到1000度以上的极高温度,材料有石蜡、非石蜡的材料,主要应用于100度以下的温度范围内,还有熔融盐,还有金属等无机相变材料,熔融盐和金属可以用在比较高的相变储热。还有一些材料是基于上述材料的复合。其中高温的储热技术领域,主要应用是熔融盐,当然还有一部分技术也得到了研究。我们后面介绍基于熔融盐的储热,主要是面对高温的应用领域。


围绕熔融盐的储热我们团队近几年开展了一些工作,下面我就从三个方面,一个是从熔融盐本身的固个—液相变机理进行了表述,还有一些研究成果给大家进行了分享。


熔融盐相变的演变规律,我们提的熔融盐,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,这个温区内是同时固体和液体共存的区域,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,我们试图去分析一下这个区域演变的一些机理。


我们初步的研究是基于二元盐就是硝酸锂和硝酸钾的混合盐进行研究。首先揭示它的机理的时候首先想揭示一下这个区域的演变规律和厚度是怎样的,因为之前关于熔融盐相变没有这方面的信息,所以我们初步设计了一个一维的实验,里面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网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。这个是融合过程中拍摄的相变,我们基于相界变的信息最后可以得到相界面的移动速度,可以发现它的移动速度是逐渐下降的,最后我们也可以得到整个在一维的熔化过程中,里面的温度深度,以及哪一部分到底是是这个区域的范围,最后确定出这个区域的宽度。最后基于不同的实验条件,我们可以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,就是毫米级别,当然这个是基于一维模拟初步的实验结果。


除此之外我们也研究了凝固过程,但是凝固过程由于实验设计问题,在我们的可观测界面这块,由于比较大的热损失,所以它没有实现一级的凝固过程,所以无法得到一维的凝固过程的演变。但是我们可以看到,确实这个区域温度变化是非常剧烈的,此外我们业基于一些显微镜的设施,来贯彻一些局部的融合过程中里面具体熔融盐的情况。


下一部分是相变颗粒熔化过程。我刚刚提到基于熔融盐的相变蓄热,其实它主要是和目前的双罐系统结构优非常大的区别,我们现在研究的是基于相变颗粒的是基于单罐系统,这个单罐系统是一个堆积长系统,而堆集的是球形的相比颗粒。总体来说基于这个系统,我们可以看出系统是一个单罐,工作过程中每个颗粒内部都会出现熔化和凝固过程,它的熔化和凝固过程它的系统会对于我们整个系统设计有非常大的影响,所以说我们就想首先去看一看里面到底是怎么熔化、凝固,另外想获得一种比较大的方法来预测整个系统的过程。


首先我们基于物理模型和数学模型对它进行了建模,建模以后可以对它进行模拟,左边这个图是我们考虑自然对流的时候获得的熔化过程的相界面的变化过程,可以看到固—液的相界面是非常复杂的,这是因为液体一旦熔化以后就出现自然对流,这个自流对流会对相界面有非常大的影响。如果我们忽略自然对流,就不能准确的预测出真实的程度。我们模拟整个系统的时候,单个罐子会填充可能成千上万甚至更多的颗粒,而我们要想预测的话不可能对每一个颗粒都进行建模,形成他真实的相界面情况,我们真实预测的时候需要用到一种简化的方式,比如我们用到一种等效的导热技术,预测的时候我们把每个刘不考虑自然对流,就是没有自然对流的凝固过程,只考虑导热,导热系数会考虑自然对流对它进行的影响。


所以说我们下一步目的就是来开发这个导热系统,我们也调研了目前文献中出现的导热技术,一个是没有针对球星颗粒开发的,有的是基于援助颗粒开发的。后续经过我们研究拟合了一个新的导热系数,这个和现有的相比误差有大幅度的降低,基于这个导热系数我们可以必须准确的预测熔融盐相变颗粒堆积的充放热性能。


第四部分,当相变颗粒堆集起来以后形成一个单管的堆积床以后,这个系统的系统性能是什么样的,我们要想用这个系统,不光是把它集成在中央能车发电中,我们必须要研究他的系统的洞开性。


这里面介绍几种不同的条件基本的性能特点,比如我们的罐体如果堆集是单一材料的相变颗粒,下面是采用石蜡做实验,来获得充放电过程中里面内部温度场的云图,下面输出模拟,我们发现刚才用单一相变温度的时候,就是在充放热过程中会存在维度变化比较剧烈的区域,这层会不断的扩张的。比如300度的温度差,如果使用单一的相变区域,不能满足大的温差,速率比较满,所有一般大的温差的时候不能用单一相变物流,如果供暖几十度的温差是没有问题的。


我们也分析了一下不同的充放电条件对于系统的影响,比如当使用颗粒堆集的话,我们的循环,当储热系统进行循环充放热的时候,我们不能保证每一次都完全的充热和放热,就存在一个截止温度的问题,对我们整个系统得用有效利用率有非常大的关系,下面公式是给出了系统的有效利用率和截止观点的重性。主要是用显热来堆集,下面可以用其他来堆集,是不是可以比如延长高温区的放电设计,对他进行了模拟。因为单一相变不能满足要求,它的规律是什么样的,我们研究了三种级联或者五种级联,不同的温度系统它的循环充放热的基本性能规律,发现其实循环若干次以后,基本可以达到可重复的状态。


以上就是我们这个团队基于熔融盐、相变储热开展的一部分工作。


总之,我认为储热在能源的生产和应用领域中会起到关键作用,所以储热目前也是储能领域研究的热点,包括梅生伟教授刚刚讲压缩空气储能,其中储热也是重要的点,另外的压缩空气储能技术,就是陈研究所做的超级压缩储能,其中就是基于蓄冷的基础。储能的研究目标和其他的储能技术一样,也是提高储能密度、降低成本,对储热的研究方向我认为相变储热还有非常大的前景,是一个热点。热利用储热,可能是十年、二十年以后有可能得到应用的技术,也是非常重要的方向。未来的研究观念,这些都是共性的东西,比如材料性能的突破,也包括需要持续的推进创新,从新材料、新结构、新系统上进行创新。


以上是关于我们这方面的汇报,最后我想给大家简单介绍一下我们团队的情况。这是我们团队的成员,有涉及到传热的、涉及到材料化学领域的专业。


关于储能,以上介绍只是介绍了基于熔融盐的相变储热,其实我们还开展了一些蓄冷包括高温复合相变材料的,包括显热储热等等,不同的技术工作。系统方面,涉及到性能分析及结构优化,单元方面,涉及到强化热换与结构设计,材料方面,涉及到材料改行和储能机理优化等等,这是关于储能方面的一些工作。


以上是我的汇报。谢谢大家。

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