第三代光热发电系统中基于相变材料的高温储热绝缘层创新优化研究

本研究针对第三代聚光太阳能发电(CSP)系统高温储热(TES)效率瓶颈，创新性地将相变材料(PCM)整合至储罐壁绝缘层。通过COMSOL多物理场模拟，发现硝酸锂(LiNO3 )因高相变温度(700°C)和储热密度成为最优选，其距内壁5cm、厚3cm的布局可降低10%热流损失并提升31.5%能量回用率，为sCO2 动力循环系统热稳定性提供新方案。

　　

随着全球能源转型加速，聚光太阳能发电(Concentrating Solar Power, CSP)技术因可整合大规模储热系统而备受关注。然而，第三代CSP系统采用超临界二氧化碳(sCO₂
)动力循环时，储热温度需突破700°C，传统绝缘材料面临严峻挑战。高温导致储热罐(Thermal Energy Storage, TES)壁热损失加剧，而现有相变材料(Phase Change Material, PCM)多针对中低温设计，难以满足新一代系统需求。

为解决这一难题，法赫德国王石油与矿产大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表创新研究。通过系统筛选PCM材料并优化其在储罐壁的集成方式，首次实现高温条件下PCM层热效率的精准调控。研究采用COMSOL Multiphysics建立二维热模型，模拟包含混凝土、耐火砖等四层结构的储罐壁，重点分析PCM位置与厚度对热通量(q")和相变分数的影响。

关键技术方法包括：1)基于NREL数据的材料热物性建模；2)多周期充放电(10h/14h)动态仿真；3)相变过程表观热容法建模；4)温度依赖型导热系数(k₁
/k₂
)算法。研究特别关注PCM层在充放电循环中的固液相变行为，通过监测LiNO₃
的潜热(L_1→2
)利用效率评估系统性能。

【结果与讨论】

1. PCM优选：在NaNO₃
   、LiNO₃
   等候选材料中，LiNO₃
   因相变温度(700°C)与系统匹配度最高，且显热容(C_p,liq
   /C_p,sol
   )差值最小，成为最优解。

2. 位置效应：PCM距内壁距离显著影响相变效率。小于3cm时过早熔化导致液态期延长，热损失增加；超过7cm则无法完全相变，潜热利用率不足40%。

3. 厚度优化：3cm厚度实现最佳经济性，过厚(>5cm)导致材料成本激增但效率提升有限。

4. 综合效益：最优方案(5cm距离+3cm厚度)使外壁热通量降至217W/m²
   ，较无PCM结构降低10%，同时能量回用率提升31.5%。

【结论】
该研究开创性地将PCM集成至TES墙体结构，通过LiNO₃
的精准热管理实现三重突破：1)突破传统绝缘材料温度极限；2)利用相变潜热缓冲温度波动；3)为sCO₂
动力循环提供稳定热源。特别值得注意的是，PCM位置对性能的影响呈非线性关系，这为后续研究指明方向。作者Ali Ahmad Amiri等强调，该方案可适配不同TES设计，但需根据具体绝缘材料(如珍珠岩混凝土PC)和运行参数调整PCM参数。这项研究不仅推动第三代CSP技术商业化进程，其"位置-厚度"协同优化策略更为工业储热系统设计提供普适性方法论。