光热发电系统中熔盐储能技术的热力学性能研究

摘要：光热发电作为清洁能源利用的重要形式，其储能环节的效能直接影响系统整体性能。熔盐储能技术因具有宽温域运行和成本优势，已成为光热电站规模化应用的关键支撑。研究聚焦熔盐储热单元的热力学特性，通过构建包含传热、流动与热损耦合的理论模型，揭示了储/释能过程中温度场演变规律与能量转化机理。研究表明，熔盐物性参数、储罐结构设计及运行控制策略对系统效率具有决定性影响，其中传热强化与热损抑制可有效提升储热密度。通过多维度参数优化，提出了分级储热配置方案与动态调控方法，在保证系统稳定性的同时显著改善能量利用率。

关键词：光热发电；熔盐储能；热力学分析

引言

太阳能作为清洁能源的重要形式，其高效利用对实现能源转型具有关键作用。光热发电技术通过聚光装置将太阳辐射能转化为热能，再经热力循环系统产生电能，相比光伏发电具有可调度性强的优势。随着全球对可再生能源需求的增长，光热电站装机容量持续扩大，但太阳能的间歇性特征导致系统存在供电不稳定的问题。

1熔盐储能系统的热力学理论基础

1.1 熔盐储能介质的热物性参数与传热机理

熔盐作为储能介质的热力学性能由其热物性参数与传热机理共同决定。熔盐的物性参数主要包括熔点、比热容、导热系数、密度和粘度等关键指标。其中，熔点决定了储能系统的工作温度范围，硝酸盐类混合熔盐的熔点通常控制在合理区间，既能保证低温环境下的液态稳定性，又可实现高温储热需求。比热容直接影响单位质量熔盐的储热能力，而导热系数则主导着储/释能过程中的传热效率。

在传热机理方面，显热储存通过熔盐温度变化实现能量存储，其热传导过程遵循傅里叶定律。当高温熔盐在储罐内形成温度分层时，自然对流效应会显著增强传热效率，这种热分层现象既是维持系统稳定运行的关键，也是需要精确控制的对象。强制对流条件下的传热特性则与熔盐流速密切相关，较高的流速虽能提升换热效率，但会增大流动阻力导致泵功消耗增加。

熔盐的粘度特性对系统设计具有双重影响。较低粘度有利于降低管道输送阻力，但过低的粘度可能加剧熔盐对金属材料的渗透腐蚀。密度参数不仅影响储罐的结构设计，还与自然对流强度直接相关，密度随温度变化的非线性特征需要纳入传热模型考量。值得注意的是，各物性参数之间存在耦合关系，例如导热系数会随温度升高呈现先增后减的变化趋势，这种非线性特征对传热过程建模提出特殊要求。

相变储热机理通过熔盐的固液相变过程实现更高储热密度，其核心在于相变潜热的有效利用。相变过程中固液界面的移动规律与相变材料的封装形式密切相关，微胶囊封装技术可显著提升相变过程的传热效率。但相变材料的循环稳定性仍需重点关注，多次相变循环可能引发材料性能衰减，这需要通过材料改性技术加以改善。

1.2 基于热力学第二定律的㶲分析

在熔盐储能系统的能量分析中，热力学第二定律提供了评估能量品质的理论基础。㶲作为衡量能量可用性的核心参数，能够准确反映系统运行过程中的能量贬值程度。与单纯考虑能量守恒的第一定律分析不同，㶲分析模型通过引入环境参考态，可定量表征储/释能过程中能量转换的有效性。

模型构建首先需要确定系统边界条件与环境基准温度。对于双罐熔盐储能系统，将高温罐、低温罐及换热设备作为整体研究对象，设定当地年平均温度作为环境温度基准值。在此基础上，建立包含熔盐流动传热、储罐热损、泵功消耗等要素的㶲平衡方程。其中，熔盐的㶲值计算需综合考虑其温度、比热容等物性参数的动态变化特征。

在储热阶段，㶲损失主要来源于三方面：集热场与熔盐间的传热温差导致的不可逆损失、储罐保温性能不足造成的散热损失，以及熔盐泵输送过程中的流动耗散。模型通过引入传热㶲效率系数，将集热管壁面温度与熔盐温度的匹配度纳入量化评估。储罐热损㶲的计算则需结合罐体材料导热系数、保温层厚度等结构参数，建立三维热传导方程。

2熔盐储能系统热力学性能

2.1 储/释能过程的热效率

在熔盐储能系统的运行中，储热与释能环节的热效率与㶲效率直接影响整体性能。热效率反映能量转换过程中热量的有效利用率，而㶲效率则表征能量品质的保持能力。这两个指标共同决定了储能系统的技术经济性，其核心影响因素可归纳为物性参数、结构特征和运行条件三个维度。

熔盐的比热容与导热系数是决定热效率的基础参数。高比热容材料可提升单位质量储热能力，但需与导热性能形成平衡。当熔盐导热系数过低时，储罐内易形成较大温度梯度，导致传热效率下降。通过优化熔盐配比，可在保持适宜熔点的同时改善传热特性，例如在硝酸盐体系中添加纳米颗粒增强导热能力。

㶲效率的关键制约因素集中在能量转换过程的不可逆损失。储热阶段集热场与熔盐的传热温差是主要㶲损来源，采用逆流式换热设计可降低温差损失。储罐顶部的气相空间热对流造成的㶲损占总损失的显著比例，通过填充惰性气体或设置辐射屏蔽层可有效改善。释能过程中，熔盐与工质的温度匹配度直接影响蒸汽㶲值，动态调节熔盐流速可使换热端差最小化。此外，熔盐泵的功耗作为㶲损组成部分，其优化需在输送阻力与传热需求间取得平衡。

2.2 运行参数对系统热力学性能的影响规律

在熔盐储能系统的实际运行中，操作参数的合理设定对热力学性能具有决定性作用。系统运行温度区间的选择直接影响储热密度与热损控制，当高温罐温度设定值提升时，虽然可增加单位质量熔盐的储热量，但会导致罐体散热加剧和材料热应力增大。通过对比不同温度组合的运行数据发现，维持适当的高低温差既能保证热力循环效率，又可避免过大的热损梯度。特别值得注意的是，储罐内温度分层状态的稳定性与熔盐注入速度密切相关，过快的注盐速度会破坏自然形成的热梯度结构。

熔盐循环流速的调节对传热效率和泵功消耗形成动态平衡。提高熔盐在换热器中的流速可增强传热系数，缩短储/释能时间，但会显著增加管道阻力损失。实验研究表明，存在最佳流速区间使得传热强化效果与泵功增加的边际效益达到平衡。在变工况运行中，采用自适应流速控制策略能够根据实时辐照强度调整流量，使系统始终处于高效工作状态。此外，熔盐在储罐内的停留时间分布会影响温度场均匀性，合理的循环周期设计可有效抑制局部过热现象。

3结束语

规模化应用仍需突破成本与技术瓶颈。开发低成本熔盐材料及国产化制备工艺是降低初始投资的关键，同时需优化储罐模块化设计以适应不同规模电站需求。在电网交互方面，研究快速响应控制算法以提升调频能力，使熔盐储能系统更好适应高比例可再生能源电网的运行要求。通过持续的技术迭代与工程经验积累，熔盐储能将在新型电力系统建设中发挥更重要作用。

在再生材料应用环节，建议建立动力电池再生材料认证体系。通过制定铜箔、锂盐等关键材料的纯度标准，推动再生资源重新进入电池生产环节。鼓励车企与电池厂商签订长期再生材料采购协议，形成"生产-退役-再生-再生产"的闭环供应链。对于符合认证标准的再生材料，可在新能源汽车生产中给予碳减排指标奖励，激发企业使用积极性。

参考文献

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