华北电力大学杜小泽: 中高温储热技术性能调控和材料开发
发布者:dxh | 来源:北极星储能网 | 0评论 | 330查看 | 2019-08-16 10:30:56    

现在为了增加供热机组的调峰能力,基本上常规采用的办法就是用储热,尤其是给供热机组增加储热装置,通过储热来实现热电联供。目前国内外所有做储热的团队实际都在围绕这方面做工作,通过提高这些系统的导热系数,来降低系统的成本。实际都涉及到强化储热,无论对相便储热过程也好、单向储热过程也好,如何通过相变传热的方式来提升储热系统蓄热过程和放热过程的传热能力,这是大家关注的主要方向。


——华北电力大学科学技术研究院院长中国可再生能源学会储能专委会主任杜小泽


8月8日,由华北电力大学、中国可再生能源学会主办的“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会”分论坛在北京召开,北极星储能网将对论坛进行全程直播。在8日“储冷储热”分论坛上,华北电力大学科学技术研究院院长、中国可再生能源学会储能专委会主任杜小泽作“中高温储热技术——性能调控和材料开发”报告。


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以下为发言实录:


华北电力大学科学技术研究院院长、中国可再生能源学会储能专委会主任杜小泽:各位专家,上午好!我讲的背景跟刚刚吴老师讲的背景差不多,我们在储热方面做的工作,熔盐方面的工作跟吴老师做的工作是差不多的,我们围绕着储热材料改性,储热系统强化方面的工作。我整个报告分这样几个部分,和前面几位专家的观点差不多,前面不再占用大家的时间了。


简单介绍一下我们这个工作的背景情况,当然储热本身是用于一些波动能源或者一些不稳定能源的调峰最主要的一种措施,比如说我们现在所做的工作,特别是热电联产的基础、供热基础的调峰上,常规的热电联产一旦供热,发电的负荷取决于供热的负荷,一个电网里如果有大量的供热机组运行,电网的调峰能力会变得非常薄弱,同时这个电网如果有大量的可再生能源的话,比如有风能、太阳能的话,这些波动的可再生能源又没有调峰电源就很难上网,这是大家经常谈到的,尤其在北方冬季供热期,弃风弃光会更加严重,主要来自于供热机组的调峰能力。


现在为了增加供热机组的调峰能力,基本上常规采用的办法就是用储热,尤其是给供热机组增加储热装置,通过储热来实现热电联供。我们所做的工作,后边有大部分工作也是这样一个背景,储热本身和太阳能热发电以及其他的一些应用上同样储热有很强的背景。特别是我们后边所做的这些工作,围绕着供热机组的调峰里面所做的工作有一个特点,或者说我们也想发挥储热热电机组的能力,我们想把储热系统和供热机组就是热网之间,把这三个单元做成一个串联的机组。现在很多储热用于供热机组是离线的解耦的方式,储热过程和供热过程是分开的两个过程。我们后边也是想借助于大家现在做的单罐储热,希望把储热系统串联到供热机组和热网中间,我们争取利用这样一个储热过程可以在蓄电条件,来自于供热机组的调峰需求,同时稳定的供热条件下,因为一旦一个热网开始供热,它的热负荷需求基本上平稳了,即使有波动也是规律性的波动,我们希望利用储热系统这样一个串联的过程,能够把这两个过程直接给它耦合起来,实际上这里边既有热电解耦的成份,同时也有热电耦合的过程。


做储热,因为我们是储能论坛,各个储能方向都在做,这里边最主要的优势,实际上储热和其他的储能方式相比最主要的优势还是在于它的成本优势。


常规的储热方面有三种:显热、潜热和化学能储热,这里面有各自的优缺点,当然现在用得最多的还是显热储热,尤其是以熔盐储热为代表的显热储热过程。这是熔盐储热的一些应用,熔盐储热包括显热储热两种技术路线,一个是双罐储热,冷罐和热罐各自独立的运行,实际上也是把储热过程、放热过程分开,既可以保证稳定的蓄热,同时也可以保证稳定的放热,双罐储热最大的劣势,储热材料的用量要比单罐储热高一倍。另外一种储热,昨天刘韬教授介绍过的,我们单罐储热,可以在一个蓄热罐里边直接利用重力的分层作用,把介质的冷热状态利用斜温层分开,目前单罐储热里面最大的困难还是在于斜温层的维持,包括斜温层在多次的交替过程里边能够保证它不变厚,因为斜温层变厚之后肯定会降低储热的效率,如何维持斜温层昨天刘韬教授已经介绍了很多这方面的工作。


另外一个单向蓄热、固体虚蓄热,主要是混凝土为代表的,包括砖头瓦块、建筑垃圾斗可以作为蓄热材料,但是固体蓄热和大多数单向蓄热一样,用量、材料的消耗量、占地、体积都很庞大,这是所有的单向蓄热共同的一个缺点。和单向蓄热、潜热蓄热比较的话,因为中间利用了潜热的这部分热量,所以在同样的体积、同样的材料消耗下,如果能借助潜热的话,我们这个储热能力要比单纯的显热蓄热储热能力高很多,但是无论是显热蓄热还是潜热蓄热,实际上蓄热目前面临的一个核心的问题之一,当然材料的消耗是最主要的成本来源,最主要的困难之一,无论是相便蓄热材料还是单向蓄热材料,我们目前可选的上一个屏幕里面可供选择的储热材料里边导热系数都比较低,导热系数实际上竖轴代表了储热材料消耗,用蓄热管道为代表的储热材料的成本,可以看到,随着导热材料,如果越地的话,整个蓄热成本会以指数形势增长。目前工业上可用的这些储热材料,导热系数的这些范围基本都在0.5W左右,大概在这个位置,可以看到基本上代表了目前储热成本的条件。如果这些储热材料将来导热系数能够下降的话,可以看到,储热系统或者是储热这种储能方式,他的成本仍然有一个很大的下降空间。目前我们预期的或者我们希望的储热材料的这些导热系数希望给它提到5—10左右,就是这个范围里,当然可以继续提高它的导热系数,但是那个时候对成本的影响就不是很大了。和目前已知的0.5相比,和我们希望的差距仍然有一个很大的差距,这是我们后边要做的一个主要的工作之一。当然目前国内外所有做储热的团队实际都在围绕这方面做工作,通过提高这些系统的导热系数,来降低系统的成本。实际都涉及到强化储热,无论对相便储热过程也好、单向储热过程也好,如何通过相变传热的方式来提升储热系统蓄热过程和放热过程的传热能力,这是大家关注的主要方向。


下面汇报一我们课题组在这方面所做的一些工作,我们主要是从两个方向做了对于储热性能的影响,当然我们大的背景还是以提高热电联产机组调峰能力为背景,实际上两个方向,一是我们通过一些被动式的方式,通过一些传统的强化传热的手段提高整个储热系统的导热和传热的能力。另外一个方向,就是我们围绕着材料本身,包括围绕着储热材料的改性。一是通过被动的抢化传热方式提高传热能力,另外是通过材料的改性,同样也是提高储热系统的传热能力。


被动式的传热强化方法,主要是以上边这几个手段为主,这也是传统的强化传热的手段,通过一些外置式的传热强化的结构,来人为的增加整个储热系统的传热性能、导热性能,我们最传统的增加一些列片,包括通过一些填充材料。另外对储热材料本身改性的处理,我们利用一些低维的,一些具有非常优良传热性能的材料,比如刚才像吴教授介绍过的纳米颗粒或者一些纳米介质,包括一些石墨烯等等一些材料,对储热材料本身通过复合材料做改性的处理,这两方面工作都做了一些设计。


第一个方向,围绕被动式强化传热的手段,我们也是针对一个相变的储热过程、针对一个相变材料,这个方法本身是一个长对通用的方法,我们实验中采用了相变材料直接就是石蜡,石蜡也是工业上常用的相变材料,石蜡同样它的导热系数也非常低,我们以石蜡作为对象,通过加装列片的方式,同时我们再劣迹泡沫基础做了高导热性能的填充,通过复合材料提高传热性能。通过强化实验、数字模拟进行对比,可以发现,利用这种外置式的强化传热结构,如果以蓄放热速率作为导热性能的指标,可以看到采用我们这种强化传热之后,和原有的没有任何强化结构相变材料的分子相比,可以大大的缩短它的释放时间,实际上就是意味着它的导热性能会大大的提高。


利用一个方向,针对斜温层单罐蓄热技术开展数值模拟和实验研究。左边这个循环代表了一个供热机组抽水蓄能供热的蓄热过程,右边这个循环是代表了整个热网的供热过程,中间通过这个蓄热罐把这个过程串联起来,当然现在的供热过程没有这个蓄热罐,直接就是热网加热系统加上换热器,中间我们加了利用斜温层蓄热的单罐蓄热系统,这个系统如果原有的这些,因为现在电厂蓄热一般都是用的水罐,如果我们就用水罐做一个斜温层水罐,把它串联上系统,这边是一个适应电厂调峰间歇性的蓄热热源,这边是适应热网放热的热源,如果这时候把这个水罐、把蓄热单罐串联到这里边的话,因为这两侧的热源,实际上蓄热的热源和放热的热源是不平衡的,虽然各自流量是平衡的,但是热量是不平衡的,尤其是间歇性的蓄热过程,或者对斜温层有一个很大的冲击,所以如果单一个水罐串联起来是非常不现实的,可能很快用不了一两天水罐的斜温层都会被全部被破坏掉,水罐里的冷热完全会搀和到一块。我们利用这种相变球,里边添加相变材料,里边的相变温度取决于将来热网放网的温度,把相变球填充到原来的蓄热水罐里,这样可以借助相变材料自身的固液相变的潜热过程,从而起到维持斜温层稳定的作用,这样利用这种填充结构可以实现,在不稳定的气热的热源冲击下,仍然在这里边可以保持一个稳定的热网的放热过程。


这是中间实验的结果,包括和纯水的斜温层蓄热的对比,包括增加相变填充之后,可以看到中间有一个对应于相变球的相变过程,中间有一个稳定的平台期。这是我们一些在间断蓄热下实验的结果,可以看到,利用这样的结果基本上可以实验,这是实验结果,红色线代表了间断性的,机组调峰过程中蓄热罐的蓄热过程,蓝色这条线代表了同时蓄热罐向热网的放热过程,可以看到,基本上在这样一个间断的热负荷的冲击下,蓄热罐仍然有稳定向热网放热的能力。


最后一部分工作,同样,我们和国内外的其他课题组类似的一些工作,我们围绕着对目前低导热系数的这些相变材料的一些改性过程我们开展了一些相关工作,这是典型的二元碳烧盐,同样采用了“一步法”的制备纳米颗粒,我们把草酸铜和这个混合之后,可以同时直接在熔盐里边生成氧化铜纳米颗粒,这样有一个好处就是,因为我们的纳米颗粒和熔盐最后分散性和混合性非常均匀,可以达到对整个盐得到基于感性的结果。最后我们得到的结果和其他课题组得到的结果差不多,无论在固相条件下还是液相条件下,它的导热系数和比热都有一个明显的上升,特别是我们自己发现的结果是,在0.5%质量分数的氧化铜的纳米颗粒配比下,它的导热系数的提升和比热的提升都达到了10%左右,应该说和最后生成的氧化铜纳米颗粒的量相比效果还是非常明显的,但是和所有的纳米比较,之所以目前这个工艺还不能大规模的功能化应用,和所有纳米一样有一个稳定性的问题,不光对熔盐颗粒的改性,基本上对所有纳米流体都存在长期运行之后纳米颗粒的团聚以及沉淀,同样遗憾的是,所有这些改性材料之后,特别是针对这种蓄热过程,蓄热和放热反复交替的这样一个过程里边,经过长时间运行之后,这些纳米颗粒不可避免的会存在团聚,最后会导致改善的性能有一个明显的下降。这方面在我们固液相变循环实验台上,我们对它的稳定性也做了研究。这个问题到现在为止还没有得到解决,我们分别做了几百次,最多可以达到500次反复的变化之后,可以看到改善的性能会有明显的衰减,这是我们下一步对纳米颗粒的分散性以及纳米颗粒表面改性,当然包括选择合适的纳米颗粒和熔盐的兼容性,这是下面我们继续需要做的一些工作。


非常简单的给大家介绍一下我们课题组在这方面做的一些相关的工作,当然蓄热、储热这个方式,尽管目前储能有各种各样的形式、各种各样的技术路线,但是站在我们做储热角度的未来,我们对储热的未来仍然抱有很大的信心。因为可以看到,储热的成本和其他储能方式的成本尽管已经有非常大的成本优势了,但是如果和我们前边讨论到,包括导热系数的影响,包括储热材料的改性,未来,而且在很近的未来,储热系统成本仍然有非常大的进一步的下降空间,将来甚至我们可以期望将来在一个新能源系统里边,或者利用到储热系统里边,将来储热系统对整个能量系统的成本占比甚至可以小到忽略不计的程度,所以我们对储热未来发展仍然抱有非常大的信心。今天上午的报告也从李鑫老师和其他各位老师那里学到很多东西,我们课题组同样也在开展初步的化学储热的工作,这方面我们也希望以后和各位专家继续交流。

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