太陽能熱發(fā)電的多級蓄熱技術研究進展

鄧雅軍，卞瑞豪，王文昭，宇 波，孫東亮

(北京石油化工學院機械工程學院，北京 102617)

能源在國民經(jīng)濟社會發(fā)展中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位。傳統(tǒng)的石油、煤炭和天然氣等化石能源屬于不可再生能源，其中石油和煤炭還存在對環(huán)境污染較大等問題。太陽能和風能等可再生能源具有取之不盡、用之不竭的優(yōu)點，且在開發(fā)利用過程中清潔無污染，可有效減少溫室氣體的排放，因此得到了越來越多的關注[1-2]。中國幅員遼闊，可再生能源資源豐富，大力發(fā)展可再生能源發(fā)電技術是實現(xiàn)能源轉型、構建清潔能源體系的必由之路?！赌茉瓷a(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016—2030)》提出，在 2030 年新能源發(fā)電量占全部發(fā)電量的比重力爭達到50%[3]。相對于光伏發(fā)電和風力發(fā)電，儲熱型光熱發(fā)電一般采用汽輪發(fā)電機組，并通過熱能的形式儲存一部分太陽能，在缺少日光或電網(wǎng)需要調峰時用于發(fā)電以滿足電網(wǎng)穩(wěn)定供電的需求[4-6]。因此，太陽能光熱發(fā)電具有電力輸出穩(wěn)定和調峰性能良好等優(yōu)點，是最具前途的可再生能源發(fā)電技術之一。

蓄熱系統(tǒng)是太陽能光熱發(fā)電能夠保持輸出穩(wěn)定且具備調峰能力必不可少的構成部分。目前太陽能光熱發(fā)電的蓄熱技術主要有3種：顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和熱化學蓄熱[7]。顯熱蓄熱是利用物質在形態(tài)不變的情況下隨著溫度的變化吸收或者放出熱量的原理來儲存能量[8]。顯熱蓄熱的優(yōu)點在于原理簡單、技術成熟、可用材料廣泛且廉價，商業(yè)化程度較高。潛熱蓄熱是利用物質在相變過程中吸收潛熱的原理蓄熱。潛熱蓄熱具有儲能密度高、蓄熱體積相對較小、蓄放熱過程溫度波動小等優(yōu)點[9]。熱化學蓄熱是利用可逆的吸熱和放熱化學反應存儲熱量[10]，其儲熱密度遠高于顯熱蓄熱和潛熱蓄熱。但熱化學蓄熱技術難度較高、約束條件苛刻，目前還處于實驗室研究階段。

太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的傳熱流體主要有水、導熱油和熔融鹽等。水工質作為傳熱介質，具有無污染、無腐蝕、價格便宜等特點，且蒸汽發(fā)生技術成熟，吸熱后產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽可直接驅動汽輪機，從而減少熱量傳遞過程中的能量損失，因而具有很好的應用前景。然而，水工質在蓄/放熱過程中會發(fā)生相變，單一顯熱蓄熱方式難以與水工質的溫-焓曲線匹配，從而產(chǎn)生較大火用損。為了減少系統(tǒng)火用損失、提高蓄熱能力，德國宇航中心Laing等[11]針對太陽能直接蒸汽發(fā)電提出了顯熱蓄熱與潛熱蓄熱耦合的多級蓄熱技術。隨后，眾多研究者圍繞顯熱-潛熱多級蓄熱技術開展了相關研究。顯熱和潛熱蓄熱技術是多級蓄熱技術的基礎，現(xiàn)首先對常見的顯熱和潛熱蓄熱技術進行簡單介紹，在此基礎上從實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬3個層面對顯熱-潛熱多級蓄熱技術的研究現(xiàn)狀進行重點介紹，最后指出多級蓄熱技術的發(fā)展方向。

1 顯熱蓄熱技術

根據(jù)蓄熱介質的不同，顯熱蓄熱技術可分為液體顯熱蓄熱、固體顯熱蓄熱以及液固聯(lián)合顯熱蓄熱3種[12]。常用的顯熱蓄熱介質有水、熔融鹽、導熱油、混凝土、陶瓷和液態(tài)金屬等。其中，液體顯熱蓄熱一般采用雙罐蓄熱方式，冷熱流體分別儲存在兩個罐體中，蓄熱介質通常采用熔融鹽和導熱油；固體顯熱蓄熱技術通常采用空氣、水/蒸汽、熔融鹽和導熱油作為傳熱介質，混凝土作為蓄熱介質；液固聯(lián)合顯熱蓄熱一般采用單罐斜溫層蓄熱方式，將傳熱蓄熱介質的冷熱流體(熔融鹽或導熱油)儲存在單一罐體中，并在罐體中填充價格低廉的固體蓄熱材料[13]。對雙罐蓄熱技術、混凝土蓄熱技術和單罐斜溫層蓄熱技術進行介紹如下。

1.1 雙罐蓄熱技術

雙罐蓄熱系統(tǒng)包含兩個蓄熱罐，一個為高溫蓄熱罐(熱罐)，另一個為低溫蓄熱罐(冷罐)。根據(jù)蓄熱方式，可細化為雙罐間接蓄熱和雙罐直接蓄熱。雙罐間接蓄熱系統(tǒng)的原理如圖 1(a)所示。蓄熱時，集熱器產(chǎn)生的高溫流體一部分直接進入蒸汽發(fā)生器，與水工質換熱后產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機發(fā)電，另一部分高溫流體則進入熱交換器與從冷罐流入的蓄熱介質進行熱量交換。換熱后的高溫蓄熱介質進入熱罐中儲存起來以便之后使用，冷卻后的低溫流體則與從蒸汽發(fā)生器流出的流體匯合，全部流回集熱器進行下一次循環(huán)。放熱時，熱罐中的蓄熱介質進入換熱器加熱低溫流體，高溫流體進入蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機進行發(fā)電，換熱后的低溫蓄熱介質則流入冷罐中儲存。雙罐直接蓄熱系統(tǒng)的原理如圖 1(b)所示。蓄熱時，低溫蓄熱罐內(nèi)的傳熱流體經(jīng)泵被輸送到太陽能集熱器中，經(jīng)集熱器加熱后進入熱罐儲存起來。放熱時，儲存在熱罐中的高溫流體進入蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動汽輪機進行發(fā)電，傳熱流體流出蒸汽發(fā)生器后進入冷罐中存儲。雙罐間接蓄熱系統(tǒng)的優(yōu)勢在于傳熱流體和蓄熱材料為不同介質，增加了蓄熱系統(tǒng)的靈活性，有利于發(fā)電系統(tǒng)的運行和調控。而雙罐直接蓄熱系統(tǒng)的優(yōu)勢在于傳熱流體兼做傳熱介質和蓄熱介質，換熱環(huán)節(jié)少、效率更高。

圖 1 雙罐間接和直接蓄熱系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of two-tank indirect and direct thermal energy storage systems

目前，雙罐蓄熱技術是太陽能光熱發(fā)電的主要蓄熱形式[14-16]。在發(fā)展初期系統(tǒng)多采用導熱油(聯(lián)苯和聯(lián)二苯氧化物的共溶混合物)作為換熱和蓄熱介質。SEGS Ⅰ電站作為全球第一座商業(yè)化槽式光熱電站于1984年正式投運，其匹配的導熱油儲熱系統(tǒng)具備3h的蓄熱時間，蓄熱能力可以達到120 MW·h。此外，西班牙CESA-I電站和美國Solar Two電站[17-19]等大多數(shù)電站均采用的是該蓄熱技術?？傮w而言，雙罐蓄熱技術具有熱罐和冷罐單獨控制、蓄放熱速率快、效率高等優(yōu)點，技術成熟。但雙罐蓄熱對傳熱蓄熱介質和蓄熱罐材料的需求量較大，且需要維持高溫，投資成本和運行成本較高[20]。

1.2 混凝土蓄熱技術

固體顯熱蓄熱技術要求蓄熱介質具備單位體積比熱容高、耐高溫和成本低等特點[21]。混凝土能夠較好地滿足太陽能光熱發(fā)電對固體蓄熱介質的性質要求，是一種比較理想的固體蓄熱材料。圖 2為混凝土蓄熱系統(tǒng)的原理圖。在混凝土蓄熱系統(tǒng)中，固態(tài)混凝土蓄熱材料固定在罐體內(nèi)，而傳熱流體通過罐內(nèi)管道進入罐體與混凝土進行換熱。蓄熱時高溫流體沿著罐內(nèi)管道流動將熱能傳遞到混凝土中，放熱時低溫流體沿著相反方向流動，吸收混凝土中的熱能用于發(fā)電。Laing等[22]在太陽能光熱系統(tǒng)中采用了混凝土蓄熱技術，其中設計溫度為400 ℃，傳熱介質為導熱油，蓄放熱時間為6h。多次的蓄放熱試驗證實了混凝土蓄熱技術的可行性?；炷列顭嵯到y(tǒng)在經(jīng)濟性方面具有較大優(yōu)勢，但其材料本身比熱容較小，且罐體內(nèi)存在傳熱流體管道，導致蓄熱罐體通常占地較大[23]。目前高溫混凝土蓄熱技術還未實現(xiàn)商業(yè)化，處于試驗研究階段[24-29]。

圖 2 混凝土蓄熱系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic of concrete thermal energy storage system

圖 3 單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic of thermocline thermal energy storage system

1.3 單罐斜溫層蓄熱技術

單罐斜溫層蓄熱技術是一種利用冷熱蓄熱流體密度不同產(chǎn)生溫度分層，而將其儲存于單一罐體內(nèi)的一種蓄熱技術。圖 3為單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)的原理圖。蓄熱時，高溫傳熱流體通過熱交換器與單罐蓄熱系統(tǒng)內(nèi)的蓄熱材料進行熱量交換，高溫蓄熱材料從罐體上方流入罐內(nèi)與低溫蓄熱材料接觸發(fā)生溫度分層，在接觸區(qū)域形成一個具有溫度梯度的過渡層，即斜溫層。放熱時，高溫蓄熱材料被泵入熱交換器加熱低溫的傳熱工質之后從罐體下方流入蓄熱罐內(nèi)。為了降低冷熱流體的混合，一般通過填充固體顆粒儲熱材料來抑制斜溫層發(fā)展。單罐斜溫層蓄熱技術僅采用單一罐體，與雙罐蓄熱技術相比可有效減少系統(tǒng)投資，在經(jīng)濟性方面具有一定優(yōu)勢[30]。此外，通過使用價格便宜的固體儲熱介質[31](如沙石等)替代價格較貴的液體介質，形成斜溫層液固混合儲熱系統(tǒng)，可進一步降低系統(tǒng)成本。單罐斜溫層蓄熱技術的缺點在于：斜溫層維持對蓄放熱過程的調控要求嚴格；由于斜溫層的存在，儲熱效率較低等。世界上第一座大型太陽能光熱發(fā)電示范電站Solar One的儲熱系統(tǒng)就是采用的單罐斜溫層液固混合儲熱系統(tǒng)，儲熱罐內(nèi)填充石塊和沙子，傳熱流體采用導熱油。但該示范的結果并不理想，存在較多的技術問題[32]。

圖 4 潛熱蓄熱系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic of latent thermal energy storage system

2 潛熱蓄熱技術

潛熱蓄熱技術是利用儲熱材料在物相變化過程中吸收或釋放大量潛熱以實現(xiàn)熱量儲存和釋放的技術，具有儲熱密度高、放熱過程溫度近乎恒定的優(yōu)點[33-35]。圖 4為潛熱蓄熱系統(tǒng)的原理圖。在蓄熱過程中，集熱器出來的高溫傳熱流體一部分進入蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽并進入汽輪機發(fā)電，另一部分高溫傳熱流體流入相變蓄熱器，通過蓄熱器內(nèi)管道與相變蓄熱材料進行熱量交換變?yōu)榈蜏毓べ|后返回集熱器。同時，吸收熱量的相變蓄熱材料達到熔點后融化為液態(tài)，熱量主要以潛熱的形式儲存在相變蓄熱器內(nèi)。在放熱過程中，低溫傳熱流體流入蓄熱器內(nèi)與液態(tài)相變蓄熱材料換熱，吸收熱量的傳熱工質進入蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，而相變蓄熱材料釋放潛熱重新凝固為固態(tài)。

在潛熱蓄熱技術中，選擇合適的相變蓄熱材料至關重要，這決定了整個蓄熱系統(tǒng)的效率。相變蓄熱材料主要有固-液、固-固、固-氣和液-氣相變4種類型。其中，固-氣和液-氣相變材料在相變過程中存在體積變化大等問題，固-固相變材料存在相變潛熱小和塑晶現(xiàn)象嚴重等缺點，相關研究和實際應用較少。固-液相變材料具有較大的相變焓、較小的體積變化，是目前主要研究和應用對象[36]。固-液相變蓄熱材料主要分為有機、無機和共晶材料三大類。有機材料主要適用于180 ℃以下的低溫蓄熱系統(tǒng)，典型的有機材料有石蠟、脂肪酸、脂類及醇類等。硝酸鹽、碳酸鹽和硫酸鹽等屬于無機材料，主要用于中高溫蓄熱系統(tǒng)中。共晶材料通常由兩種或多種成分組成，可以是有機-有機、無機-無機和無機-有機的組合。在200～1000℃的太陽能中高溫蓄熱應用領域中，熔融鹽具有出色的傳熱性能和熱能存儲能力使其成為理想傳遞和存儲能量的介質，受到了廣泛的關注[37-39]。單一的熔融鹽往往不能滿足蓄熱要求，因此使用多元混合熔鹽來彌補單一熔鹽的缺點，從而提高蓄熱系統(tǒng)的整體效率。通過改變多元熔融鹽中的組分配比，可以得到使用溫度范圍更廣、潛熱較高的多元熔融鹽。相變蓄熱材料普遍存在熱導率低、相分離、循環(huán)穩(wěn)定性差、成本較高等問題，因此潛熱蓄熱技術在實際應用中還存在較大困難。不過，潛熱蓄熱技術也具有儲熱密度高、蓄熱體積相對較小、溫度恒定等諸多優(yōu)點，是目前蓄熱技術的熱點研究方向。

3 顯熱-潛熱多級蓄熱技術

歐洲最大的太陽能設施研究中心早在1997年8月建設了一座太陽能直接蒸汽發(fā)電測試系統(tǒng)[40]。該系統(tǒng)在1999—2000 年運行時間超過了3000h，系統(tǒng)管徑及長度分別為5.76、12m，蒸汽流量為0.8kg/h，最高蒸汽工況達到400℃/100bar(1bar=0.1MPa)。為直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的可行性進行了證明基礎。以上述試驗數(shù)據(jù)為基礎，大量學者[41-46]開始進行直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的設計研究。這些直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)研究可分為兩種形式：一種為蒸汽入口帶有緊湊型分離器布局的直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，每個蒸汽回路上均帶有一個小型蒸汽分離器，系統(tǒng)工作時，冷凝水被輸送至一個緩沖罐中，之后被供給到太陽能集熱器中進行下一次循環(huán)。該系統(tǒng)的缺點在于需要較大的管徑從而避免冷凝液在管線中的部分蒸發(fā)。另一種為將管線中的水注入緩沖罐從而減小管徑，但因此帶來的熱損失相對較高。在直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的設計中，系統(tǒng)部件的尺寸與水工質流量有直接關系，但這方面的關系式仍存在缺少更多實驗數(shù)據(jù)的問題，因此還需要更多的研究支撐，從而達到更高的安全系數(shù)。

太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)在工作過程中伴隨著水工質的相變，目前常用的單一蓄熱方式(如顯熱蓄熱)難以與水工質的溫-焓特性曲線相匹配，產(chǎn)生較大火用損失，如圖 5(a)所示。當采用與水工質相變特性相匹配的顯熱蓄熱和相變蓄熱耦合的多級蓄熱系統(tǒng)時[圖 5(b)]，可有效減少系統(tǒng)的火用損失，提高整體系統(tǒng)的蓄熱效率和發(fā)電效率[47-48]。此外，有研究表明：單一的顯熱蓄熱系統(tǒng)隨著蓄熱系統(tǒng)出口溫度提升，其成本大大增加，而采用多級蓄熱系統(tǒng)時可以有效解決上述問題。下面從實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬3個層面對顯熱-潛熱多級蓄熱技術進行綜述。

圖 5 水工質的溫-焓特性曲線Fig.5 Temperature enthalpy characteristic curve of the water/steam

3.1 多級蓄熱系統(tǒng)的實驗研究

2009年，德國宇航中心的Laing等[11]首次提出了一種固體混凝土顯熱蓄熱和潛熱蓄熱耦合的三段式多級蓄熱系統(tǒng)，如圖 6所示。在放熱過程中，液態(tài)水工質進入顯熱蓄熱系統(tǒng)(A)預熱升溫至臨近沸騰的狀態(tài)后進入相變蓄熱系統(tǒng)(B)。臨近沸騰狀態(tài)的水工質經(jīng)過相變材料吸熱并部分汽化后進入鍋筒，在汽包中液態(tài)水工質和蒸汽被分離開來，液態(tài)水二次進入相變蓄熱系統(tǒng)，而蒸汽則進入顯熱蓄熱系統(tǒng)(D)繼續(xù)升溫被加熱至過熱狀態(tài)后進入汽輪機發(fā)電。由于蓄/放熱過程的壓力分別為10.7、8.1MPa，對應的水工質沸點分別為316、296 ℃，因此選擇了熔點合適的硝酸鈉(NaNO3)作為相變蓄熱材料。

圖 6 混凝土蓄熱和潛熱蓄熱耦合的三段式多級蓄熱系統(tǒng)Fig.6 Schematic of concrete-latent multi-stage thermal energy storage system

圖 7 三罐式顯熱蓄熱和相變蓄熱耦合的分級蓄熱系統(tǒng)Fig.7 Schematic of three-tank sensible and latent thermal energy storage system

為了進一步測試多級蓄熱系統(tǒng)的蓄/放熱性能，德國宇航中心[49]在西班牙建造了用于直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)的三段式顯熱-潛熱耦合的多級蓄熱系統(tǒng)實驗系統(tǒng)，其中蓄熱系統(tǒng)的蓄熱量可以達到1MW·h。為了避免由于混凝土材料熱膨脹導致系統(tǒng)受損，造成安全隱患，在混凝土材料和管道壁中間添加了一種特殊材料用于減少摩擦并且可以允許輕微變形，從而減少混凝土受熱膨脹施加到罐體的應力。試驗用的混凝土蓄熱罐體總高13.6m，長、寬分別為1.32、1.35m，管道間距為110 mm。在對混凝土蓄熱系統(tǒng)的測試過程中，當混凝土材料首次被加熱至400 ℃時，混凝土材料中的部分水分被排出，并在混凝土蓄熱罐內(nèi)形成蒸汽壓。為了避免蒸汽壓超過臨界壓力造成安全隱患，測試表明：在入口溫度達到170 ℃時，混凝土內(nèi)部壓力先升高到達最大壓力后降低，此時表明系統(tǒng)內(nèi)水分基本被排空可以進行下一步升溫。針對相變蓄熱材料導熱系數(shù)較低的問題，Laing等[11]采用了含有鋁翅片的相變蓄熱器結構，并在400 ℃/11.0MPa下對潛熱蓄熱系統(tǒng)進行了172 個循環(huán)試驗測試，結果表明相變蓄熱材料并沒有降解，且具有合適的蓄/放熱速度。該實驗系統(tǒng)的成功實施對后期實驗的安全性提供了保障，并證實了顯熱-潛熱多級蓄熱系統(tǒng)在直接蒸汽熱發(fā)電應用的可行性。

當前顯熱-潛熱多級蓄熱系統(tǒng)的實驗研究還較少，顯熱蓄熱主要采用混凝土蓄熱技術。事實上，目前技術最成熟、應用最為廣泛的顯熱蓄熱技術為雙罐蓄熱技術，單罐斜溫層蓄熱技術由于在成本方面的優(yōu)勢也具有一定的應用前景。因此，開展雙罐蓄熱或單罐斜溫層蓄熱耦合潛熱蓄熱的多級蓄熱實驗研究是一個重要的發(fā)展方向。此外，單一的熔融鹽使用溫度范圍較窄，在潛熱蓄熱系統(tǒng)中應推廣采用溫度范圍更廣、潛熱較高的多元熔融鹽。

3.2 多級蓄熱系統(tǒng)的理論分析

熱力學分析是研究蓄熱系統(tǒng)的一種重要手段，可方便快捷地對多級蓄熱系統(tǒng)的宏觀特性進行分析。在Laing等[11]研究的基礎上，德國宇航中心的Seitz等[50]將混凝土蓄熱系統(tǒng)替換為雙罐間接蓄熱系統(tǒng)，其中顯熱蓄熱材料采用的是熔融鹽作為顯熱蓄熱材料，潛熱蓄熱材料依然采用的是硝酸鈉。根據(jù)有無中間緩沖罐以及系統(tǒng)流程中換熱器位置，提出了4種顯熱-潛熱多級蓄熱系統(tǒng)，并分析了這4種多級蓄熱系統(tǒng)在放熱階段的火用損失來源。研究結果表明，過熱蒸汽不利于蓄熱，通過加入緩沖罐冷卻過熱蒸汽使蓄熱罐儲存最佳溫度的熔鹽，可有效增強蓄熱效率，使得蓄熱系統(tǒng)可以在放熱階段將水工質加熱至較高溫度。由于發(fā)電系統(tǒng)的周期性較長、不同季節(jié)的太陽輻射量差距較大且需要考慮太陽能蓄熱系統(tǒng)的投資成本等問題，該研究并沒有對蓄熱系統(tǒng)進行優(yōu)化分析。

2013年，針對直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)西門子發(fā)電部和德國宇航中心的Birnbaum等[51]基于西班牙50MW的裝機容量電站進行設計，其中發(fā)電形式采用直接蒸汽發(fā)電并配有三級潛熱蓄熱系統(tǒng)。針對兩種蒸汽參數(shù)(110 bar/400 ℃和156 bar/500 ℃)進行了分析。結果得出建議使用高壓汽輪機中的主蒸汽和抽出蒸汽對蒸汽-蒸汽換熱器進行再熱，并且由于窄點問題換熱器產(chǎn)生的再熱蒸汽溫度會顯著低于系統(tǒng)主蒸汽溫度。在此之后，Eck等[52]將直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)連接到一個位于西班牙的小型燃煤電站進行試驗，并進行了高達500 ℃的集熱器和其他部件測試。

2016年，中國科學院工程熱物理研究所Guo等[53]提出了一種三罐式的分級蓄熱系統(tǒng)，如圖 7所示。其中顯熱蓄熱系統(tǒng)由配有兩個換熱器的雙罐間接蓄熱系統(tǒng)組成，顯熱蓄熱材料選用液態(tài)鉛鉍共晶合金，潛熱蓄熱材料選用硝酸鈉。蓄放熱時系統(tǒng)的蒸汽壓力分別為10.7、8.1MPa，對應的飽和蒸汽溫度為316.01、295.88 ℃。由于硝酸鈉的熔點在306 ℃左右[54]，因此在蓄放熱階段水工質和蓄熱材料具有良好的溫差(10 ℃左右)。該系統(tǒng)由于加入了中間緩沖罐，可以根據(jù)實際水工質的溫焓圖調節(jié)液態(tài)顯熱蓄熱材料的質量流量，從而使蓄熱材料的溫焓圖與水工質更加匹配，增加了系統(tǒng)的熱效率和火用效率。此外，該研究還根據(jù)火積理論[55-57]對系統(tǒng)中顯熱材料的質量流量比進行了優(yōu)化，得到了顯熱材料的最佳質量流量比。

2018年，Guo等[58]基于之前的三段式分級蓄熱系統(tǒng)，通過熱力學計算研究對比了雙罐顯熱蓄熱系統(tǒng)、三罐顯熱蓄熱系統(tǒng)、雙罐顯熱耦合潛熱多級蓄熱系統(tǒng)和三罐顯熱耦合潛熱多級蓄熱系統(tǒng)的熱效率和火用效率。其中單級顯熱蓄熱系統(tǒng)的蒸汽入口溫度為575.6 ℃，而多級蓄熱系統(tǒng)的蒸汽入口溫度可以達到673.7 ℃。通過熱力學計算分析4種蓄熱系統(tǒng)的溫焓曲線，結果表明：雙罐顯熱蓄熱系統(tǒng)的蓄熱材料溫焓曲線難以與水工質的進行匹配，系統(tǒng)蓄/放熱性能受窄點影響較大，系統(tǒng)熱效率和火用效率較低；三罐顯熱蓄熱系統(tǒng)由于在雙罐顯熱蓄熱系統(tǒng)中加入了緩沖罐，其蓄/放熱性能略有提升；兩種多級蓄熱系統(tǒng)的蓄熱材料溫焓曲線與水工質匹配良好，有效解決了單級顯熱蓄熱系統(tǒng)窄點所帶來的火用損失較大的問題，其熱效率和火用效率是單級顯熱蓄熱系統(tǒng)的兩倍左右。此外，該研究還分析了水工質的質量流量及蓄熱材料到冷罐熱罐之間的質量流量比對系統(tǒng)性能的影響，研究結果表明：隨著水工質的質量流量增大，系統(tǒng)的熱效率和火用效率增大；隨著蓄熱材料質量流量比的減小，系統(tǒng)熱效率和火用效率逐漸增大，這也證明了加入中間罐對提升系統(tǒng)蓄放熱性能的積極作用。

目前對多級蓄熱系統(tǒng)的熱力學分析主要集中在雙罐顯熱蓄熱與潛熱耦合的多級蓄熱系統(tǒng)，缺乏對于混凝土蓄熱系統(tǒng)的熱力學計算研究，并且在計算潛熱部分時，難以將潛熱蓄熱材料的部分升溫進行考慮，從而造成較大誤差。造成上述問題的主要原因在于，單純的熱力學計算無法針對混凝土材料和相變材料的逐漸升溫蓄熱過程進行計算。為了更加全面地對多種蓄熱類型的蓄熱系統(tǒng)進行分析，需要結合數(shù)值模擬或實驗方法進行計算，從系統(tǒng)內(nèi)部的傳熱機理入手，從而對整個系統(tǒng)進行有效全面的分析。對于熱力學計算方法，進一步的研究可以側重于單罐斜溫層-潛熱多級蓄熱系統(tǒng)研究，從而進一步降低蓄熱總成本。

3.3 多級蓄熱系統(tǒng)的數(shù)值仿真

實驗研究具有成本高、周期長、存在安全風險等問題，而數(shù)值仿真具有成本低、重復性好和安全可控等優(yōu)勢，是研究蓄熱系統(tǒng)的一種重要手段。對蓄熱系統(tǒng)的數(shù)值仿真可分為部件仿真和系統(tǒng)仿真。部件仿真主要針對多級蓄熱系統(tǒng)的某一部件進行模擬，如潛熱蓄熱系統(tǒng)的相變換熱器。部件仿真的原理為通過求解質量、動量、能量守恒等控制方程，獲得部件內(nèi)部的詳細流動傳熱信息，常用的軟件有Fluent、Comsol、CFX和OpenFOAM等。系統(tǒng)仿真則主要針對整個多級蓄熱系統(tǒng)進行建模與仿真，常用的軟件有TRNSYS、Modelica和Simulink等。Kargar[59]采用Fluent軟件對一個三段式預熱器-相變蓄熱-過熱器多級蓄熱系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬研究，其中管內(nèi)水蒸氣的蒸發(fā)冷凝過程采用Lee模型進行模化，相變蓄熱材料的相變過程采用基于焓-孔隙率法的融化凝固模型來考慮。研究結果表明，傳熱流體的溫度從675 K上升到715 K，火用效率降低近3%，傳熱流體質量流量越低，系統(tǒng)火用效率越高，但增加10倍的質量流量火用效率只下降2.5%。

Stückle[60]使用Modelica軟件對用于直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)的含有兩個顯熱蓄熱罐體和一個潛熱蓄熱罐體的多級蓄熱系統(tǒng)進行建模。由于飽和蒸汽溫度在200～320 ℃，故采用硝酸鹽作為相變蓄熱材料。將Modelica軟件計算得到的熔融鹽融化時間與Fluent軟件的計算結果進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者的結果非常接近(8 514、8 726s)。Fluent軟件需要求解大量的偏微分方程，計算時間為幾個小時，而Modelica軟件僅需數(shù)秒即可完成計算，其計算效率遠高于Fluent軟件。

系統(tǒng)仿真一般計算效率高，可方便快捷地得到蓄熱系統(tǒng)的宏觀特性，而部件仿真可以得到詳細的流動傳熱過程，但計算較長。目前還極少有將部件和系統(tǒng)耦合進行數(shù)值仿真的研究。因此，將兩者進行結合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，開發(fā)高效準確的“部件-系統(tǒng)”一體化仿真方法是一個重要的發(fā)展方向。此外，在直接蒸汽潛熱蓄熱系統(tǒng)的數(shù)值模擬中，蒸發(fā)冷凝系數(shù)和模糊區(qū)常數(shù)等經(jīng)驗參數(shù)需要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)反算得到，而目前還缺少完備的實驗數(shù)據(jù)，導致數(shù)值模擬只能得出定性的規(guī)律性結論，無法對潛熱蓄熱系統(tǒng)進行定量評價。為了修正數(shù)值模型、提高數(shù)值模擬的計算精度，應搭建實驗平臺獲得管內(nèi)水蒸氣蒸發(fā)冷凝過程以及相變蓄熱材料融化凝固過程的完備實驗數(shù)據(jù)。

4 結論

顯熱-相變多級蓄熱技術的提出有效提高了直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)的蓄熱效率和發(fā)電能力。同時，顯熱-潛熱多級蓄熱技術的進步高度依賴于顯熱蓄熱和潛熱蓄熱技術，在其發(fā)展過程中需不斷吸收顯熱蓄熱和潛熱蓄熱的最新研究成果。目前，顯熱-相變多級蓄熱技術的研究已取得了一定進展。為進一步深入對多級蓄熱技術的研究，推進其商業(yè)化進程，還需進行以下幾項工作。

(1)當前顯熱-潛熱多級蓄熱系統(tǒng)的實驗研究還較少，顯熱和潛熱蓄熱材料主要采用的是混凝土和硝酸鈉。對于顯熱和潛熱蓄熱系統(tǒng)的綜合考慮，如：兩種蓄熱系統(tǒng)的能量分配和耦合問題還沒有進行過相關研究。此外，在顯熱蓄熱材料和潛熱蓄熱材料的選取上目前較為單一，沒有相應的綜合選取流程。下一步應結合目前常見的雙罐蓄熱技術和單罐斜溫層蓄熱技術，開展雙罐蓄熱或單罐斜溫層蓄熱耦合潛熱蓄熱的多級蓄熱實驗研究。同時，在潛熱蓄熱系統(tǒng)中采用溫度范圍更廣、潛熱較高的多元熔融鹽。

(2)基于熱力學計算的多級蓄熱系統(tǒng)研究目前僅側重于雙罐-潛熱多級蓄熱系統(tǒng)?？紤]到單罐蓄熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性優(yōu)勢，在后期的研究中可以進行單罐-潛熱蓄熱系統(tǒng)的熱力學計算，并與雙罐-潛熱多級蓄熱系統(tǒng)進行比較，從而為蓄熱系統(tǒng)的選擇給出更加全面的指導。另外，對于直接蒸汽的潛熱蓄熱，水工質需要進行多次循環(huán)才能達到出口水工質的工況標準。在后期研究中可以將上述因素進行考慮，從而使結果更接近真實情況。

(3)在數(shù)值仿真方法方面，應充分發(fā)揮部件仿真和系統(tǒng)仿真的各自優(yōu)勢，開發(fā)面向顯熱-潛熱多級蓄熱系統(tǒng)的高效準確“部件-系統(tǒng)”一體化仿真方法。此外，為提高直接蒸汽潛熱蓄熱系統(tǒng)數(shù)值模擬的計算精度，應搭建實驗平臺獲得管內(nèi)水蒸氣蒸發(fā)冷凝過程以及相變蓄熱材料融化凝固過程的完備實驗數(shù)據(jù)，修正數(shù)值模型中的蒸發(fā)冷凝系數(shù)和糊狀區(qū)常數(shù)等經(jīng)驗常數(shù)。

(4)為了最大限度地提升多級蓄熱系統(tǒng)的蓄放熱性能并降低系統(tǒng)成本，應將實驗研究、熱力學分析、數(shù)值仿真以及目前流行的智能優(yōu)化算法相結合，發(fā)展形成一套顯熱和潛熱蓄熱材料選擇、參數(shù)優(yōu)化和裝置設計的理論體系，從而更好地指導多級蓄熱系統(tǒng)的設計、運行和優(yōu)化。