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美研发高导热石墨泡沫 储热能力可达常规熔盐系统20倍以上

2016-09-18 11:37
小伊琳
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  目前,光热电站所配置的储热系统使用的还是一些低能量密度和低热导率的物质,要想满足电厂的储热需求,往往需要大量储热材料,成本较高。为解决此问题,科研人员设计了一种更廉价的储热系统,该系统不仅占用空间显著减小,而且储热能力比常规储热系统要高20倍以上。

  目前,来自美国阿贡国家实验室的机械工程师于文华正在测试一个新的储热系统模型,该系统的储热效率据称可以达到常规潜热储热系统的20倍以上。据悉,测试结果证实了新系统的储热能力以及在光热发电或者其他潜在应用领域所能实现的储热效率。

  光热利用受限于多云或夜间等不利天气条件,因而储热对于太阳能的充分利用来说显得至关重要。在过去的几年中,光热电站已经开始使用储存的热能来驱动蒸汽轮机,在夜晚和用电高峰期进行发电。

  目前的储热系统所使用的储热物质,每公斤只能存储很少的热量。因此必须花费更大的成本来采购这些储热物质才能达到光热电站的储热要求。

  阿贡研发团队获得了来自美国能源局SunShot计划的研发资金,正在建设高效潜热储热系统(LHTES)的示范项目并进行进一步的研究测试。SunShot计划由美国国家资金支持,争取在2020年之前使太阳能在同其他电力生产方式竞争时具有价格优势。

  阿贡研发小组的储热系统采用了相变介质,介质熔化时会储存热量,凝固时会释放热量,类似于电池的充放电过程。

  事实上,氯化钠等廉价的熔盐可以用做相变物质,但因为其较低的热导率,它们在现行储热系统中的使用也受到了一些限制。

  然而,阿贡LHTES系统通过将熔盐与一种高导热率的石墨泡沫结合,显著提升了这些熔盐的热导率。这种结合减少了储热物质的整体需求量,进而降低了建设储热系统的成本,同时还使热能的转换更加高效,能够满足供应系统8到12小时的能量储存需要,正好可以满足一个光热电站一整晚的热量储存需要。

  阿贡热机械技术小组的负责人Dileep Singh说:“相变物质通常都有较低的热导率,因此很难满足储热的要求。然而,具有高导热率特性的石墨泡沫正好满足了导热率上的需求。所以我们想,为什么不将相变物质与石墨泡沫相结合呢?”

  有透气性的石墨泡沫将熔盐集中在气孔中,加速了熔盐的熔化和凝固。该小组还证明了随时间推进这种快速的相变过程能够一直维持。在对混合物的最初模型进行成功测试后,研究小组现在准备将示范模型扩大50倍。

  虽然这种示范性的模型系统仍然小于商用电厂的规模,但在今年秋天该系统会进行进一步测试,并有可能扩大其应用,比如为小型电网提供后备电源,或者用来储存其他发电厂产生的余热。这个初步的系统也将进一步改进3-D热模型技术,来更好的评估系统性能,并且有利于规划更大规模的储热系统。

  阿贡机械工程师于文华表示:“我们正在寻求建设更大规模的电厂系统,今年我们正在建设的这种示范性系统正好可以作为组成这个更大规模系统中的一个小模块。其实大规模的系统正是由许多的小模块合理地组织在一起构成的。

  全尺寸大小的系统设计预计可以满足目前电厂的储热需求。目前的电厂使用氯化镁作为储热介质,在450-600摄氏度(850-1100华氏度)下驱动蒸汽轮机发电的。当更先进的超临界二氧化碳汽轮机上线后,该系统还可以使用氯化钠作为储热介质。这种超临界二氧化碳汽轮机比蒸汽轮机更有效率,但要在更高的700摄氏度(1300华氏度)下运行。

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