近日，西班牙加泰羅尼亞的一個研究團隊提出了一個全新的相變儲熱設(shè)計理念并據(jù)此開發(fā)出了新型儲熱系統(tǒng)的模型，經(jīng)測試證明該儲熱系統(tǒng)的熔鹽用量僅占傳統(tǒng)儲熱系統(tǒng)的32%，而儲熱效率卻可高達74%以上。

據(jù)悉，該西班牙研究團隊首先開發(fā)出了一個新型的光熱發(fā)電建模軟件，然后開發(fā)出了這種全新的相變儲熱系統(tǒng)。該儲熱系統(tǒng)又被成為MLSPCM系統(tǒng)，采用了多層固態(tài)相變儲熱材料。

MLSPCM系統(tǒng)結(jié)合了潛熱儲熱和顯熱儲熱兩種能量存儲技術(shù)，試圖深度發(fā)掘儲熱系統(tǒng)在降低光熱電站成本方面的潛力。

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style="text-align: center;">圖：美國solana光熱電站的熔鹽儲罐

首先，該系統(tǒng)使用了密封型的相變儲熱材料，可以通過相變來提高儲熱系統(tǒng)的效率，同時降低熔鹽儲熱容器的體積。其次是溫躍層，設(shè)置此層的目的是通過將廉價的填充材料如石英石和花崗巖等放入一個單獨的儲罐內(nèi)來將熱介質(zhì)和涼介質(zhì)進行分離，相比傳統(tǒng)雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)進一步降低了費用。

在MLSPCM系統(tǒng)中，填充材料制成的兩層薄薄的相變材料組成了像三明治一樣的溫躍層。通過這一設(shè)計可以使整個系統(tǒng)頂層輸出口的溫度處于最佳溫度范圍，據(jù)說可以達到550攝氏度。

與此同時，系統(tǒng)底層也可以保持在最佳的溫度范圍，大約在300攝氏度左右。這樣就可以使整個系統(tǒng)在大大提高儲熱效率的同時明顯降低了整個系統(tǒng)的總體積。

研究人員介紹，這種新型的儲熱系統(tǒng)設(shè)計可以延緩溫躍層的退化，提高儲熱系統(tǒng)的熱容，同時可以延長發(fā)電周期并可以提高儲熱系統(tǒng)輸出溫度的穩(wěn)定性，而實現(xiàn)以上目標的同時成本卻并不比傳統(tǒng)溫躍層儲熱系統(tǒng)高。

MLSPCM系統(tǒng)首次被公開介紹是在2013年的SolarPACES大會上，由加泰羅尼亞理工大學傳熱傳質(zhì)技術(shù)中心的團隊公開的，但其在光熱發(fā)電儲熱系統(tǒng)所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能直到一年后才被發(fā)現(xiàn)。

相變儲熱材料層

該研究團隊在一篇論文中描述道：“這個新型儲熱系統(tǒng)概念的關(guān)鍵在于組成相變儲熱材料層的填充物，它們的熔融溫度與整個系統(tǒng)儲熱與放熱時的溫度變化范圍非常吻合。”

這種新型儲熱系統(tǒng)是在開發(fā)一個叫做LTES(潛熱儲存)軟件時被意外發(fā)現(xiàn)的，該軟件將由加泰羅尼亞大學附屬公司TermoFluids于2015年進行商業(yè)化發(fā)布。

LTES和STES(顯熱儲存)軟件是專門為熔鹽儲熱系統(tǒng)提供建模的軟件，它們的開發(fā)工作目前正在以一個工作包的形式通過名為Tesconsol的項目進行開發(fā)。Tesconsol項目是一個聯(lián)合開發(fā)項目，參與方有瑞典皇家理工學院、道達爾(Total)石油公司、加泰羅尼亞理工大學、西班牙天然氣公司和西班牙Tecnalia研究院。

利用這兩個軟件可以使研發(fā)人員在虛擬條件下模擬不同類型儲熱系統(tǒng)的性能曲線，幾乎可以達到完全仿真的效果。

加泰羅尼亞大學Carlos-DavidPérez-Segarra教授表示：“接下來，我們團隊將深入分析該種儲熱系統(tǒng)的流體動力學問題、傳熱問題以及張力和變形等機械方面的問題。事實上，我們對于將其利用到太陽能領(lǐng)域特別是光熱發(fā)電方面非常感興趣。很重要的一點是：我們可以研發(fā)出先進的仿真代碼，它們可以忠實地再現(xiàn)特定條件下的實際情況。”

據(jù)了解，LTES和STES軟件可以將光熱發(fā)電儲熱罐內(nèi)部的實際運行情況通過已經(jīng)驗證的可靠的計算公式完整地描述出來。談到STES軟件，Perez-Segarra表示：“目前這些仿真代碼都已經(jīng)通過了試驗驗證。”

除了可以幫助研發(fā)出新型的儲熱系統(tǒng)，這些軟件還可以幫助研發(fā)人員大大提高現(xiàn)有儲熱系統(tǒng)的效率。例如，這兩個軟件可以提示人們哪些熱損是可以避免的，而且它們的功能還不僅僅局限于此。

安全性和可靠性

在某些情況下，它們還可以用來幫助提高整個儲熱系統(tǒng)的安全性和可靠性。例如，在SolarPACES2014年會議專門介紹該軟件的一篇論文中提到，該研究團隊利用LTES軟件解決了傳統(tǒng)儲熱系統(tǒng)溫躍層中被稱為熱棘輪效應(yīng)的難題。

目前，在需要反復加熱和制冷循環(huán)的容器底部塞滿填充材料已經(jīng)逐漸成為一種趨勢。

雖然這些填充材料會給予容器壁一定的壓力，但加泰羅尼亞大學研究團隊表示他們可以利用LTES軟件來預測出罐壁所會受到的最大應(yīng)力。目前他們已將該儲熱系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用到了位于內(nèi)華達Boulder的由Acciona公司負責開發(fā)的SolarOne光熱電站的儲熱系統(tǒng)設(shè)計中。

Pérez-Segarra表示：“你可以在不同工作條件下利用不同的儲熱系統(tǒng)配置進行仿真測試，也就是說你可以把你想測試的任何工況條件下各種參數(shù)輸入來進行儲熱效率的仿真模擬試驗，比如不同材料的儲罐、不同的傳熱介質(zhì)、不同的運行溫度和介質(zhì)不同的粘度等等。”

值得一提的是，Tesconsol項目是目前獲得歐洲創(chuàng)新技術(shù)學院下屬KICInnoEnergy機構(gòu)(可持續(xù)能源知識與創(chuàng)新機構(gòu))資金支持的唯一一個光熱發(fā)電項目。KICInnoEnergy是一個利用公眾基金支持具有巨大潛力的初創(chuàng)型公司的私營機構(gòu)。

KICInnoEnergy西班牙伊比利亞分部的總經(jīng)理MikelLasa表示：“已經(jīng)進行了4年多的Tesconsol項目可以為儲熱系統(tǒng)提供最佳的優(yōu)化工具。”

據(jù)之前發(fā)布的報道，除LTES和STES軟件之外，Tesconsol項目還在開發(fā)一款名為DYESOPT的軟件，其將可以幫助光熱電站開發(fā)商和運維商找到通過優(yōu)化設(shè)計和運行實現(xiàn)電站利潤最大化的最佳方案。研發(fā)人員認為使用這種優(yōu)化系統(tǒng)可以將該電站的最佳內(nèi)部收益率從5%~10%提高到23%~24%左右。據(jù)了解，DYESOPT的軟件將通過一段時間的使用來不斷改善其適用性，與LTES和STES軟件一樣，該軟件預計也將在2015年投入商業(yè)化應(yīng)用。