圖：使用熔鹽存貯熱量的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)
除了太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能之外，目前全球多家清潔能源公司還在考慮使用熔鹽作為傳熱或儲(chǔ)熱介質(zhì)進(jìn)行太陽(yáng)能熱發(fā)電，包括美國(guó)SolarReserve太陽(yáng)能儲(chǔ)備等在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外多家公司均在積極推動(dòng)此項(xiàng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷發(fā)電。
熔（Rong）巖（Yan）發(fā)電？乍聽上去會(huì)不會(huì)有撞見火山噴發(fā)的凌亂感？其實(shí)，這次發(fā)電的主角是熔鹽，沒(méi)錯(cuò)，很像你家鹽罐里的那廝。
“這也是一種對(duì)太陽(yáng)能的利用，只是方式方法不同，被稱為‘光熱’發(fā)電。大家對(duì)光伏發(fā)電非常熟悉，它是直接把光能通過(guò)光伏組件轉(zhuǎn)換為電能，而光熱發(fā)電需要一個(gè)‘媒介’，將光能轉(zhuǎn)換成熱能儲(chǔ)存起來(lái)，再進(jìn)行發(fā)電。”江蘇豐海新能源工程技術(shù)有限公司技術(shù)研發(fā)部負(fù)責(zé)人王福家介紹說(shuō)。
傳熱儲(chǔ)熱的“好幫手”
“光伏發(fā)電雖易施工、易維護(hù)，但占地面積大、受天氣條件影響大，陰天發(fā)電量很低，夜晚不發(fā)電。”王福家介紹，采用成熟儲(chǔ)熱技術(shù)的光熱發(fā)電可實(shí)現(xiàn)全天24小時(shí)穩(wěn)定持續(xù)供電，相對(duì)于風(fēng)電和光伏不穩(wěn)定不可調(diào)的缺陷，光熱發(fā)電對(duì)電網(wǎng)更友好，可以說(shuō)是人類利用太陽(yáng)能的“好幫手”。
“好幫手”有個(gè)學(xué)名叫“熔融鹽”，在熔融鹽光熱發(fā)電的過(guò)程中，傳熱儲(chǔ)熱的“中介”就是“鹽”。熔融鹽是鹽的熔融態(tài)液體，形成熔融態(tài)的無(wú)機(jī)鹽，其固態(tài)大部分為離子晶體，在高溫下熔化后形成離子熔體。
有論文表示，太陽(yáng)能熱發(fā)電被認(rèn)為是可再生能源發(fā)電中最有前途的發(fā)電方式，而傳熱儲(chǔ)熱技術(shù)是太陽(yáng)能高溫?zé)岚l(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。
“基本原理是把太陽(yáng)的熱量收集起來(lái)，把能量轉(zhuǎn)入鹽中使其融化，鹽的溫度能達(dá)到幾百攝氏度，再通過(guò)它傳熱。”在整個(gè)發(fā)電裝置中，會(huì)涉及到3個(gè)主要部分，一是太陽(yáng)能的匯集，二是熔融鹽的存儲(chǔ)，三是能量交換和轉(zhuǎn)換。
“鹽在集熱管中，不對(duì)外接觸，并且在管中不斷流動(dòng)。太陽(yáng)能匯集的原理就和小學(xué)自然課本上那個(gè)聚光的‘鏡面大鍋’有些相似，比如槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電就是利用拋物線形的聚光鏡，將太陽(yáng)光的熱能聚合到集熱管，使得集熱管中的鹽升溫，直至熔化成液態(tài)。”
高溫的液態(tài)鹽循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)熱量交換的循環(huán)將水變成水蒸氣，再用蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。整個(gè)過(guò)程中，熔融鹽和水互不相見，都是可以循環(huán)利用的。
配比是難點(diǎn)，選鹽需謹(jǐn)慎
這個(gè)叫“鹽”的媒介并不一定是食鹽（氯化鈉），而是各種無(wú)機(jī)鹽，例如氯化鉀、硝酸鉀等。可以是同一類熔融鹽按照一定比例混合，也可以是不同種類的熔融鹽按照一定的配方混合，形成多種新型混合共晶熔融鹽。
圖：中控太陽(yáng)能德令哈10MW熔鹽式光熱電站
我國(guó)2016年8月20日并網(wǎng)發(fā)電的中控德令哈10MW熔融鹽塔式電站以二元硝酸鹽作為吸熱、儲(chǔ)熱介質(zhì)，它是我國(guó)首個(gè)投入運(yùn)行的以熔融鹽為傳熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)的塔式項(xiàng)目，也是繼西班牙Gemasolar、美國(guó)Crescent Dunes之后全球第三座商業(yè)化運(yùn)行的熔融鹽塔式電站。
“熔融鹽類的配比是個(gè)難點(diǎn)，要通過(guò)不同組分的不同比例找到一個(gè)合適的熔點(diǎn)，尋找性能優(yōu)越的混合熔融鹽已成為熔融鹽傳熱蓄熱研究的主要方向之一。”這些混合熔融鹽可以根據(jù)成分配比的不同，得到各種熔點(diǎn)和使用溫區(qū)，能夠避免硝酸鹽使用溫度低（如硝酸鈉在308℃熔化），氯化鹽（氯化鈉在801℃熔化）熔點(diǎn)溫度高等缺點(diǎn)，同時(shí)保留熔融鹽熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。
據(jù)一篇發(fā)表在《太陽(yáng)能學(xué)報(bào)》的學(xué)術(shù)論文顯示，相關(guān)研究通過(guò)不同配比、不同配制方法得到系列二元混合硝酸鹽樣品，并得到不同混合熔鹽的差式掃描量熱曲線，通過(guò)對(duì)配制的熔鹽進(jìn)行反復(fù)多次熔化和加熱，研究其穩(wěn)定性。從而確定二元混合硝酸鹽中不同成分如何配比更適合實(shí)際應(yīng)用。
大規(guī)模推廣，還要邁過(guò)多個(gè)坎
雖然熔融鹽發(fā)電技術(shù)已經(jīng)在一些發(fā)電站中持續(xù)供電，但這一技術(shù)仍待不斷完善。吸熱器預(yù)熱時(shí)光斑不均勻，熔化不均會(huì)使得進(jìn)鹽過(guò)程中堵管……此前接受采訪時(shí)，相關(guān)電站負(fù)責(zé)人坦言維護(hù)的艱難，訴說(shuō)出的“痛點(diǎn)”主要集中于熔融鹽的流動(dòng)性等物理化學(xué)性質(zhì)上。
此外，儲(chǔ)能罐的材質(zhì)如何實(shí)現(xiàn)高效儲(chǔ)能也是降低發(fā)電成本的關(guān)鍵。“尋找到能夠提高熱量利用率，并能增加儲(chǔ)熱能力的設(shè)備也是光熱設(shè)備產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。”能源利用率的提高，無(wú)論對(duì)再生能源還是對(duì)化石能源，都是產(chǎn)業(yè)化中的一個(gè)永恒話題。
浙江中控太陽(yáng)能技術(shù)有限公司董事長(zhǎng)金建祥在此前接受采訪時(shí)表示，中控德令哈10MW熔融鹽塔式電站在運(yùn)行過(guò)程中，遇到了兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是吸熱器預(yù)熱時(shí)光斑不均勻，熔化不均會(huì)使得進(jìn)鹽過(guò)程中堵塞管道。二是低溫大風(fēng)天氣造成吸熱器在進(jìn)鹽過(guò)程中的堵管現(xiàn)象。這表明，熔融鹽的流動(dòng)性等物理化學(xué)性質(zhì)，仍是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵障礙。關(guān)于集熱場(chǎng)的故障對(duì)電站發(fā)電量的影響、槽式和塔式的經(jīng)濟(jì)性研究等分享，金建祥將在于3月22-23日北京召開的CSP Focus光熱發(fā)電中國(guó)聚焦大會(huì)上作專題演講，歡迎業(yè)內(nèi)人士報(bào)名參與。
可見，從理論到產(chǎn)業(yè)如何走得順暢，仍然是需要科學(xué)探索的問(wèn)題。此前科學(xué)家們已經(jīng)解決了儲(chǔ)能和經(jīng)濟(jì)型難題，例如，在塔式的熔融鹽發(fā)電場(chǎng)上，利用大規(guī)模定日鏡場(chǎng)收集太陽(yáng)能，將熔融鹽加熱并進(jìn)行儲(chǔ)存，再根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度指令，由于帶有儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定、可調(diào)度的電力輸出。光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈也基本不會(huì)出現(xiàn)光伏電池板生產(chǎn)過(guò)程中的高耗能、高污染等問(wèn)題，而且它的發(fā)展對(duì)我國(guó)目前產(chǎn)能過(guò)剩的玻璃和鋼鐵產(chǎn)業(yè)有極強(qiáng)的帶動(dòng)作用，王福家認(rèn)為，光熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)值將高于光伏。
“除了熔融鹽之外，人們還通過(guò)導(dǎo)熱油作為介質(zhì)利用太陽(yáng)能，”王福家介紹，利用光熱是江蘇豐海新能源工程技術(shù)有限公司進(jìn)行海水淡化的方式之一。“也是通過(guò)拋物線形的聚光鏡將太陽(yáng)能聚到集熱管中，管中流動(dòng)的是導(dǎo)熱油，而不是熔融鹽，通過(guò)熱油將海水蒸發(fā)冷凝后實(shí)現(xiàn)淡化。”
無(wú)論采取哪種介質(zhì)，它們都要有“海綿”的特性，能將太陽(yáng)能吸收到“體內(nèi)”，并在需要的時(shí)候釋放出來(lái)，通過(guò)自己的“吸吐”，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的“時(shí)空旅行”。
