高温熔盐在太阳能热发电中的应用.docVIP

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高温熔盐在太阳能热发电中的应用(简称为熔盐),是盐的熔融态液体,通常说的熔盐是指无机盐的熔融体,但现已包括氧化物熔体和熔融有机物。常用的高温蓄热材料可分为显热式和潜热式。显热式高温蓄热材料具有性能稳定、价格便宜等优点,但其蓄热密度低,蓄热装置体积庞大;潜热式高温蓄热材料虽然存在着高温腐蚀、价格较高等问题,但其蓄热密度高,蓄热装置结构紧凑,而且吸热—放热过程近似等温,易于运行控制和管理。高温熔盐作为潜热蓄热相变材料的一种,同时又能形成离子液体,具有许多低温蓄热材料所没有的特点,因而引起人们极大的关注。 1熔融盐的特性 形成熔融态盐类的固体大部分为离子晶体,在高温熔化后形成离子熔体,离子熔体在应用中有许多不同于水溶液的性质,熔融盐的特性主要表现在以下几个方面:(1)离子熔体。熔融盐的液体通常由阳离子和阴离子组成,因此熔融盐具有良好的导电性能,其导电率比电解质溶液高一个数量级;(2)具有广泛的使用温度范围。通常的熔融盐使用温度在300℃-1000℃之间,且具有相对的热稳定性;(3)低的蒸汽压。熔融盐具有较低的蒸汽压,特别是混合熔融盐,蒸汽压更低;(4)热容量大;(5)对物质有较高的溶解能力;(6)较低的粘度;(7)具有化学稳定性。 由于以上这些特征,熔融盐被广泛用作热介质、化学反应介质以及核反应介质。 2高温熔融盐的种类 熔盐用于盐浴已有多年历史,积累了一定的经验。但是用作储热介质和传热介质还在实验阶段,在使用时遇到的主要困难是腐蚀和过冷。成本是选用这类材料首先要考虑的问题,工业应用要求使用成吨甚至成百吨的储热介质。那些理论上有价值而价格昂贵的物质不可能用于工程实际,锂盐和银盐就是如此。下面分别介绍几种常见的熔盐。 2.1碳酸盐 碳酸盐及其混合物是很有希望的相变材料,这类物质价格不高,溶解热大,腐蚀性小,密度大(相对水的密度约为2) 。按不同混合比例可以得到不同熔点的共晶混合物。但是碳酸盐的熔点较高而且液态碳酸盐的粘度大,有些碳酸盐容易分解,这就限制了碳酸盐的广泛应用。 2.2氯化物 氯化物种类繁多,价格一般都很便宜,可以按要求制成不同熔点的混合盐,缺点是腐蚀性强。 2.3氟化物 氟化物主要为某些碱及碱土金属氟化物、某些其他金属的难溶氟化物等,是非含水盐。它们常具有很高的熔点及很大的熔融潜热,属高温型储热材料,可用于回收工厂高温余热等。 氟盐和金属容器材料的相容性较好, 但它也有两个严重的缺点:一是由液相转变为固相时有较大的体积收缩,如LiF高达23%;二是热导率低。这两个缺点导致阴影区内出现 “热松脱”( Thermal Racheting)和“热斑”( Thermal Spots)现象。 2.4硝酸盐 在冶金工业中常用于钢和轻合金的处理,大多数硝酸盐的熔点在300℃左右。突出的优点是价格低、腐蚀性小及在500℃以下不会分解。缺点则是溶解热较小( 只有20-30 kcal/kg),且热导率低[仅为0.7 kcal/( m.h.℃)] ,因此在使用时容易产生局部过热。但是与其他熔盐相比,硝酸盐仍有很大的优势,故以下主要讲硝酸盐这种高温熔盐蓄热材料。 3硝酸熔盐在太阳能热发电中的应用 熔盐在能源领域中被广泛应用,涉及原子能、太阳能、化学电能、氢能、碳能等等,尤其重要的是熔盐在原子能、太阳能中的应用。在原子能工业中,均相反应堆用熔盐混合物为燃料溶剂和传热介质有许多优点,它的操作温度有可变的范围,燃料的加入比较容易,核裂变的产物可以连续地移出,使热能—化学能—电能的相互转换有效地实现。在核工业中使用最多的是LiF—BeF2熔盐体系。而在航天领域中,大量的仪器设备需要电能来维持驱动,特别是当运行到太阳阴影区时,就需要储存的热能来维持。以前用到的主要是太阳能光伏电池,但是其运行的寿命短,需经常更新,这样增加了运行期间的总成本,而熔盐式太阳能热动力发电具有能量转换效率高、质量和迎风面积小的优点,并且很容易地扩充至兆瓦级,因此,逐步得到广泛应用。 现在,高温熔盐已由空间发电发展到地面太阳能电站发电。研究表明,运用高温硝酸熔盐发电可以使太阳能电站操作温度提高到450-500℃,这样就使得蒸汽汽轮机发电效率提高到40%。此外,运用熔融盐也可以使储热效率提高2.5倍,从而减小蓄热容器的体积。它也与阀、管、泵等相容性较好,Sandia研究中心(NSTTF)采用60%NaNO3、40% KNO3 (solar salt) 与硅石(silica sand)、石英石(quartzite rock)相结合进行研究,研究表明在290 ~400℃之间, 经过553次循环试验后没有出现填料腐蚀性问题。后来,该研究中心又用44%Ca ( NO 3 ) 2 、12%NaNO 3、44%KNO 3 ( Hitec XL )作试验,结果表明,在450~500℃

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