石墨和陶瓷高溫儲熱技術的研發(fā)進程

一系列的研發(fā)活動看似正在逐步推進石墨儲熱技術邁向商業(yè)化應用的門檻，但目前還無法對此定論，光熱發(fā)電業(yè)界對石墨儲熱技術的研究和實踐還亟待加強。 Solastor公司的塔式石墨吸熱儲熱系統(tǒng) 　　如果你并非一直關注這種技術，你可能并不了解石墨儲熱。此前有一些關于此項技術的研發(fā)推動，但一直以來，并未有公開的研究成果公布。 　　其中最有名的當屬西班牙SENER公司在此方面取得的進展，其得益于美國能源部Sunshot計劃的支持對石墨儲熱技術進行了研發(fā)。據(jù)公開信息顯示，SENER正在研究一種高效、經(jīng)濟的固體石墨儲熱解決方案。據(jù)Sunshot網(wǎng)站對該項目的介紹信息：如果該項研發(fā)取得成功，這種儲熱技術可在超過800攝氏度、甚至高達1650攝氏度的溫度下穩(wěn)定應用，無寄生性能源消耗，預期壽命可達30年。但該網(wǎng)站也同時指出了該項目可能面對的挑戰(zhàn)，包括提高儲熱系統(tǒng)內(nèi)部的布局設計、減少管道需求，增加其經(jīng)濟性，提高導熱系數(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)電技術公司Solastor公司（參考CSPPLAZA相關報道）是一家采用高純度石墨作為儲熱材料并在實踐中予以應用的企業(yè)，其于2011年5月建成投運的3MW的Lake Cargelligo示范電站即是這樣一個采用石墨作儲熱材料的塔式熱發(fā)電項目，其將熱量接收器和儲熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)集合為一個系統(tǒng)，雖然使系統(tǒng)設計和構造趨于簡單化，但無法使單機做大規(guī)模。該公司稱這種系統(tǒng)為G1-SSR，Solastor稱這是一種簡單、強大的太陽能過熱和儲熱接收器。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技術，其聲稱這是可以幫助光熱發(fā)電實現(xiàn)24小時發(fā)電的儲熱技術。 　　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。但這個公司一般不公開討論這項技術，僅僅在一些商業(yè)活動上會對其進行一些介紹。 　　當前的大規(guī)模光熱電站采用最多的儲熱介質(zhì)為硝酸鹽熔鹽，而純粹利用石墨儲熱的成本較高，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大學對此進行了研究。該研究團隊的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博士的團隊還對氯化物鹽作為硝酸鹽的替代儲熱介質(zhì)進行了研究。結果顯示可以在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。 　　雖然目前的測試設備不能在如此高的溫度下工作，但A&M大學的研究團隊能夠確定的是：氯化物鹽的特殊儲熱能力可以在混合陶瓷納米粒子后獲得極大的增強，其測試設備在高達700攝氏度的溫度下對其進行了測試和驗證。 　　未來的設計路線 　　Banerjee博士說：“采用石墨納米粒子混合熔鹽是一項非常有前途的儲熱技術路線，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)新設計中去。”但氯化物鹽的腐蝕性較強，因此要想應用這種熔鹽就必須設計強抗腐蝕的管道系統(tǒng)和熔鹽罐子，同時還需要耐高溫。這一點對系統(tǒng)的壽命有重要影響。 　　如果需要1000攝氏度以上的儲熱溫度，項目開發(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備。這是唯一的可以保證其在如此高的溫度下運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)，這是因為石墨天然的耐高溫屬性。” 　　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行混合。 　　以1%的混合比例計算，一個30000噸的儲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/硝酸鉀熔鹽進行混合儲熱也還需要進行實踐驗證，采用氯化物鹽代替硝酸類熔鹽與其進行混合的儲熱研究更在初級階段，純粹地采用石墨或陶瓷材料進行儲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。