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石墨和陶瓷高温储热技术的研发进程

钜大LARGE  |  点击量:374次  |  2019年08月06日  

摘要
一系列的研发活动看似正在逐步推进石墨储热技术迈向商业化应用的门槛,但目前还无法对此定论,光热发电业界对石墨储热技术的研究和实践还亟待加强。Solastor公司的... 关键字:石墨储热技术 光热发电 固体石墨储热解决方案 石墨纳米粒子。

一系列的研发活动看似正在逐步推进石墨储热技术迈向商业化应用的门槛,但目前还无法对此定论,光热发电业界对石墨储热技术的研究和实践还亟待加强。


Solastor公司的塔式石墨吸热储热系统


如果你并非一直关注这种技术,你可能并不了解石墨储热。此前有一些关于此项技术的研发推动,但一直以来,并未有公开的研究成果公布。


其中最有名的当属西班牙SENER公司在此方面取得的进展,其得益于美国能源部Sunshot计划的支持对石墨储热技术进行了研发。据公开信息显示,SENER正在研究一种高效、经济的固体石墨储热解决方案。据Sunshot网站对该项目的介绍信息:如果该项研发取得成功,这种储热技术可在超过800摄氏度、甚至高达1650摄氏度的温度下稳定应用,无寄生性能源消耗,预期寿命可达30年。但该网站也同时指出了该项目可能面对的挑战,包括提高储热系统内部的布局设计、减少管道需求,增加其经济性,提高导热系数,降低石墨用量等。


澳大利亚的一家创新型分布式塔式热发电技术公司Solastor公司(参考CSPPLAZA相关报道)是一家采用高纯度石墨作为储热材料并在实践中予以应用的企业,其于2011年5月建成投运的3MW的Lake Cargelligo示范电站即是这样一个采用石墨作储热材料的塔式热发电项目,其将热量接收器和储热系统、蒸汽发生系统集合为一个系统,虽然使系统设计和构造趋于简单化,但无法使单机做大规模。该公司称这种系统为G1-SSR,Solastor称这是一种简单、强大的太阳能过热和储热接收器。该公司总经理Steve Hollis今年3月份还来到中国市场推广这项技术,其声称这是可以帮助光热发电实现24小时发电的储热技术。


石墨纳米粒子


Solastor公司董事长Nick Bain也确信石墨是G1-SSR热量接收器很好的材料选择。但这个公司一般不公开讨论这项技术,仅仅在一些商业活动上会对其进行一些介绍。


当前的大规模光热电站采用最多的储热介质为硝酸盐熔盐,而纯粹利用石墨储热的成本较高,那么,是否可以采用石墨纳米粒子与现有熔盐进行混合以提高熔盐的比热?在美国能源部的资金扶持下,德克萨斯A&M大学对此进行了研究。该研究团队的Debjyoti Banerjee博士称,将石墨纳米粒子混合入熔盐可以提高熔盐的储热能力,除了石墨碳纳米管,我们也在研究陶瓷纳米粒子的可行性,这种材料在价格上更加低廉。利用陶瓷纳米粒子,你可以使熔盐获得与采用石墨纳米粒子相似的储热能力。添加这种粒子的浓度仅需在0.1%~1%之间。


另外,Banerjee博士的团队还对氯化物盐作为硝酸盐的替代储热介质进行了研究。结果显示可以在1000摄氏度以上的工作温度下工作,特别是在混合了陶瓷纳米粒子后,效果更加显著。


虽然目前的测试设备不能在如此高的温度下工作,但A&M大学的研究团队能够确定的是:氯化物盐的特殊储热能力可以在混合陶瓷纳米粒子后获得极大的增强,其测试设备在高达700摄氏度的温度下对其进行了测试和验证。


未来的设计路线


Banerjee博士说:采用石墨纳米粒子混合熔盐是一项非常有前途的储热技术路线,其不仅仅可以用于传统的太阳能热发电站,也可以用于更具前瞻性的创新设计中去。但氯化物盐的腐蚀性较强,因此要想应用这种熔盐就必须设计强抗腐蚀的管道系统和熔盐罐子,同时还需要耐高温。这一点对系统的寿命有重要影响。


如果需要1000摄氏度以上的储热温度,项目开发商将很可能必须采用某种特殊类型的石墨材料,安装防火管道和流体装卸设备。这是唯一的可以保证其在如此高的温度下运行且具有抗腐蚀性能的方法。Banerjee说,可考虑采用石墨材料制作管道系统,这是因为石墨天然的耐高温属性。


对于氯化物盐本身,采用石墨纳米粒子混合来增加其比热也有一定的作用,但这种物质相对陶瓷纳米粒子来说更易受到氧化。但这并不意味着石墨纳米粒子不能与熔盐进行混合。


以1%的混合比例计算,一个30000吨的储热罐需要的石墨纳米粒子量为300吨,我们可以从成本、效益的角度综合考量,是采用陶瓷纳米粒子还是石墨纳米粒子。


对石墨或陶瓷材料的储热性能的研究还在继续,将其与目前常用的硝酸钠/硝酸钾熔盐进行混合储热也还需要进行实践验证,采用氯化物盐代替硝酸类熔盐与其进行混合的储热研究更在初级阶段,纯粹地采用石墨或陶瓷材料进行储热也面临着不少的问题。在上述这些方面,我们需要更多的研发投入。


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