石墨和陶瓷高溫儲(chǔ)熱技術(shù)的研發(fā)進(jìn)程

一系列的研發(fā)活動(dòng)看似正在逐步推進(jìn)石墨儲(chǔ)熱技術(shù)邁向商業(yè)化應(yīng)用的門檻，但目前還無法對此定論，光熱發(fā)電業(yè)界對石墨儲(chǔ)熱技術(shù)的研究和實(shí)踐還亟待加強(qiáng)。 Solastor公司的塔式石墨吸熱儲(chǔ)熱系統(tǒng) 　　如果你并非一直關(guān)注這種技術(shù)，你可能并不了解石墨儲(chǔ)熱。此前有一些關(guān)于此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)推動(dòng)，但一直以來，并未有公開的研究成果公布。 　　其中最有名的當(dāng)屬西班牙SENER公司在此方面取得的進(jìn)展，其得益于美國能源部Sunshot計(jì)劃的支持對石墨儲(chǔ)熱技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)。據(jù)公開信息顯示，SENER正在研究一種高效、經(jīng)濟(jì)的固體石墨儲(chǔ)熱解決方案。據(jù)Sunshot網(wǎng)站對該項(xiàng)目的介紹信息：如果該項(xiàng)研發(fā)取得成功，這種儲(chǔ)熱技術(shù)可在超過800攝氏度、甚至高達(dá)1650攝氏度的溫度下穩(wěn)定應(yīng)用，無寄生性能源消耗，預(yù)期壽命可達(dá)30年。但該網(wǎng)站也同時(shí)指出了該項(xiàng)目可能面對的挑戰(zhàn)，包括提高儲(chǔ)熱系統(tǒng)內(nèi)部的布局設(shè)計(jì)、減少管道需求，增加其經(jīng)濟(jì)性，提高導(dǎo)熱系數(shù)，降低石墨用量等。 　　澳大利亞的一家創(chuàng)新型分布式塔式熱發(fā)電技術(shù)公司Solastor公司（參考CSPPLAZA相關(guān)報(bào)道）是一家采用高純度石墨作為儲(chǔ)熱材料并在實(shí)踐中予以應(yīng)用的企業(yè)，其于2011年5月建成投運(yùn)的3MW的Lake Cargelligo示范電站即是這樣一個(gè)采用石墨作儲(chǔ)熱材料的塔式熱發(fā)電項(xiàng)目，其將熱量接收器和儲(chǔ)熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)集合為一個(gè)系統(tǒng)，雖然使系統(tǒng)設(shè)計(jì)和構(gòu)造趨于簡單化，但無法使單機(jī)做大規(guī)模。該公司稱這種系統(tǒng)為G1-SSR，Solastor稱這是一種簡單、強(qiáng)大的太陽能過熱和儲(chǔ)熱接收器。該公司總經(jīng)理Steve Hollis今年3月份還來到中國市場推廣這項(xiàng)技術(shù)，其聲稱這是可以幫助光熱發(fā)電實(shí)現(xiàn)24小時(shí)發(fā)電的儲(chǔ)熱技術(shù)。 　　石墨納米粒子 　　Solastor公司董事長Nick Bain也確信石墨是G1-SSR熱量接收器很好的材料選擇。但這個(gè)公司一般不公開討論這項(xiàng)技術(shù)，僅僅在一些商業(yè)活動(dòng)上會(huì)對其進(jìn)行一些介紹。 　　當(dāng)前的大規(guī)模光熱電站采用最多的儲(chǔ)熱介質(zhì)為硝酸鹽熔鹽，而純粹利用石墨儲(chǔ)熱的成本較高，那么，是否可以采用石墨納米粒子與現(xiàn)有熔鹽進(jìn)行混合以提高熔鹽的比熱？在美國能源部的資金扶持下，德克薩斯A&M大學(xué)對此進(jìn)行了研究。該研究團(tuán)隊(duì)的Debjyoti Banerjee博士稱，“將石墨納米粒子混合入熔鹽可以提高熔鹽的儲(chǔ)熱能力，除了石墨碳納米管，我們也在研究陶瓷納米粒子的可行性，這種材料在價(jià)格上更加低廉。利用陶瓷納米粒子，你可以使熔鹽獲得與采用石墨納米粒子相似的儲(chǔ)熱能力。添加這種粒子的濃度僅需在0.1%~1%之間。” 　　另外，Banerjee博士的團(tuán)隊(duì)還對氯化物鹽作為硝酸鹽的替代儲(chǔ)熱介質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示可以在1000攝氏度以上的工作溫度下工作，特別是在混合了陶瓷納米粒子后，效果更加顯著。 　　雖然目前的測試設(shè)備不能在如此高的溫度下工作，但A&M大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)能夠確定的是：氯化物鹽的特殊儲(chǔ)熱能力可以在混合陶瓷納米粒子后獲得極大的增強(qiáng)，其測試設(shè)備在高達(dá)700攝氏度的溫度下對其進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。 　　未來的設(shè)計(jì)路線 　　Banerjee博士說：“采用石墨納米粒子混合熔鹽是一項(xiàng)非常有前途的儲(chǔ)熱技術(shù)路線，其不僅僅可以用于傳統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電站，也可以用于更具前瞻性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中去。”但氯化物鹽的腐蝕性較強(qiáng)，因此要想應(yīng)用這種熔鹽就必須設(shè)計(jì)強(qiáng)抗腐蝕的管道系統(tǒng)和熔鹽罐子，同時(shí)還需要耐高溫。這一點(diǎn)對系統(tǒng)的壽命有重要影響。 　　如果需要1000攝氏度以上的儲(chǔ)熱溫度，項(xiàng)目開發(fā)商將很可能必須采用某種特殊類型的石墨材料，安裝防火管道和流體裝卸設(shè)備。這是唯一的可以保證其在如此高的溫度下運(yùn)行且具有抗腐蝕性能的方法。Banerjee說，“可考慮采用石墨材料制作管道系統(tǒng)，這是因?yàn)槭烊坏哪透邷貙傩浴?rdquo; 　　對于氯化物鹽本身，采用石墨納米粒子混合來增加其比熱也有一定的作用，但這種物質(zhì)相對陶瓷納米粒子來說更易受到氧化。但這并不意味著石墨納米粒子不能與熔鹽進(jìn)行混合。 　　以1%的混合比例計(jì)算，一個(gè)30000噸的儲(chǔ)熱罐需要的石墨納米粒子量為300噸，我們可以從成本、效益的角度綜合考量，是采用陶瓷納米粒子還是石墨納米粒子。 　　對石墨或陶瓷材料的儲(chǔ)熱性能的研究還在繼續(xù)，將其與目前常用的硝酸鈉/硝酸鉀熔鹽進(jìn)行混合儲(chǔ)熱也還需要進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，采用氯化物鹽代替硝酸類熔鹽與其進(jìn)行混合的儲(chǔ)熱研究更在初級階段，純粹地采用石墨或陶瓷材料進(jìn)行儲(chǔ)熱也面臨著不少的問題。在上述這些方面，我們需要更多的研發(fā)投入。