CSPPLAZA光熱發電網訊：在現階段商業化塔式光熱電站中，往往采用雙罐儲熱技術——承擔儲熱功能的熔鹽被分別儲存在熱罐和冷罐中，但目前另一種有希望降低儲熱成本的技術正在被越來越多地研究，即——單罐溫躍層儲熱，該技術將熱儲和冷儲集中于一個罐中（溫躍層是指如海水等液體中溫暖的上層和較冷的下層之間的混合溫度區域）。

來自德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruher Institut für Technologie，簡稱KIT）的Klarissa Niedermeier便致力于通過研究該技術來降低光熱發電系統中的熱能儲存成本，此外更值得一提的是，與傳統熔鹽儲熱技術不同的是，KIT團隊采用了工作范圍更寬的液態金屬作為傳儲熱介質。

目前，Klarissa Niedermeier所在的KIT液態金屬實驗室正在做一個首創的實驗——即在KIT一個單罐溫躍層系統中使用液態金屬進行傳熱和儲能。

與工作溫度介于290°C——565°C的熔鹽相比，液態金屬的工作溫度可以達到1000°C以上，而且熔點更低（約在150°C左右），工作溫度范圍更加寬泛（150°C—1000°C）。

圖：KIT液態金屬實驗室溫躍層儲罐中的填充物

Klarissa Niedermeier表示：“液態金屬具有非常高的導熱系數，大約比熔鹽要高30-100倍（具體取決于采用何種金屬），這也是為什么液態鈉會被用于光熱發電吸熱器中作為吸熱介質的原因，它們可以承受并收集由反射鏡反射到吸熱器的高溫熱能。同時，采用一個罐利用率更高，罐中不會有空閑的空間，所以耗費材料也更少。而在雙罐系統中，你需要兩倍于實際需要的儲罐，因為罐中總會有很大一部分空間沒有被利用。”

那么，在溫躍層熱儲能系統中使用液態金屬面臨哪些挑戰呢？

雖然液態金屬是傳熱的理想材料，但其能量密度很低。它們的高導熱系數使其能有效地將熱量傳遞到罐內的卵石狀填料上，但不利于冷熱相的分離。目前KIT研究小組正在尋找液態金屬和填料的最佳候選者，以便將熱量最有效地傳遞到填料中。

圖：KIT液態金屬實驗室天然巖石、玻璃和陶瓷填料試驗

在理想情況下，填充材料應具有非常高的熱容和非常高的密度，如此材料內部的原子便能更緊密地結合在一起，且在罐中也不會占據太多空間，同時密度越大的材料也能儲存更多的能量。

為了確定哪種填料最能承受高溫下的液態金屬，研究小組此前篩選了各種天然石材，如石英和過濾礫石、硼硅酸鹽和鈉鈣玻璃，以及氧化鋁、氧化鋯、硅酸鋯和滑石陶瓷等。

在500°C下浸泡數周后，研究人員用掃描電子顯微鏡（SEM）對各種測試材料進行了損傷評估，發現陶瓷具有最佳性能，并最終選擇了一種彼此之間不易發生相互作用的硅酸鋯陶瓷。

對此Klarissa Niedermeier解釋：“在首次試驗中，我們希望有一個只由一種已知性質的填料組成的床。利用它我們可以驗證我們的模擬，并用它做大量的科學工作，當然也可能有更便宜的替代品。”

圖：單罐溫躍層儲存示意

對于單罐溫躍層儲能技術來說，關鍵是實現最佳的冷熱分離。最初，研究小組只測試了液態金屬，沒有陶瓷填充物來驗證他們的模擬數據。理想的液態金屬應該是在冷熱溫躍層點產生最少混合溫度的金屬，即實現溫躍層儲存依賴于頂部的熱流體保持高溫，而底部的冷流體即使在一個罐中也會保持低溫。

因此，理想情況下需要的是一種并不那么容易混合并傳遞熱量的液態金屬。Klarissa Niedermeier表示：“理想的溫躍層是熱流體和冷流體相互緊貼著但卻不會發生相互作用，因此不會發生溫躍層退化。你必須盡量減少熱流體和冷流體之間的熱傳遞，以避免在它們之間形成一個很大的區域。在最壞的情況下，整個儲罐都將是一個大溫躍層。這就是我們為什么要使用低導電填充材料的原因，即在實現熱量儲存的同時盡量降低溫躍層的膨脹。”

在符合上述要求的前提下，鉛和鉍的合金鉛鉍共晶（LBE）在其熔點124℃以上的溫度下被證明優于液態鈉可用于溫躍層儲存。

Klarissa Niedermeier表示：“LBE的測試效果比鈉要好一些，雖然它的導熱系數依舊很高，但它能更好地保持分層，便于我們更清楚地區分冷區和熱區。”

第一步，KIT團隊在高達380°C的實驗室測試液態金屬回路中測試了這個小規模系統。目前，他們正在開始下一輪測試——將填充材料入罐。第二步將是規模為100 kWh的中試系統，最高工作溫度為500°C，然后再提升至700°C。