集中式太阳能发电中的单一及级联高温潜热热能储存技术

《Journal of Energy Storage》：Single and cascaded high temperature latent heat thermal energy storage in concentrated solar power

提高热能存储效率的相变材料设计与系统优化研究。

　　随着全球对可再生能源需求的不断增长，太阳能作为一种重要的清洁能源，其应用正在快速发展。特别是在集中式太阳能发电（CSP）领域，太阳能热能储存（TES）技术已成为提高系统稳定性和效率的关键手段。本研究旨在评估两种新型金属基微胶囊相变材料（MEPCM）在下一代650°C集中式太阳能塔系统中的热性能表现，通过设计和对比五种不同的存储单元，以探索在特定操作条件下，如何优化能量储存和释放效率。这五种存储单元分别采用了不同比例的Al-Si和Al-Cu-Si MEPCM，以及不同的高度与直径比（H/D ratio）。

### 研究背景与意义

太阳能作为可再生能源的重要组成部分，其在全球电力系统中的作用日益增强。根据2023年的数据，全球太阳能发电量达到1642 TWh，较2022年增长了24.2%。这一显著的增长要求加快对太阳能技术的投资和能力建设。集中式太阳能发电（CSP）作为一种可行的发电技术，其在西班牙和美国的安装数量居全球首位。预计到2050年，全球CSP容量将达到1500 GW，相比2022年的6.5 GW有显著提升。然而，太阳能的间歇性限制了其在电网中的直接应用，因此，热能储存（TES）技术成为提升CSP系统可靠性和循环效率的重要手段。

### 热能储存技术的类型

目前，TES技术主要分为感热储存（SHTES）和潜热储存（LHTES）两种类型。感热储存依赖于材料在液态或固态之间的温度变化来储存和释放热能，而潜热储存则利用相变材料（PCMs）在固液相变时吸收和释放潜热。尽管感热储存成本较低且应用相对简单，但其能量密度较低，无法维持恒定温度运行。相比之下，潜热储存因其高能量密度和可能的单罐配置而受到关注。金属基相变材料（MEPCMs）因其高相变温度范围、高能量储存密度和良好的热稳定性，被认为是适用于CSP系统的理想材料。

### 研究对象与方法

本研究选取了两种新型金属基MEPCM：Al-Si和Al-Cu-Si。Al-Si的熔点为577°C，而Al-Cu-Si的熔点为520°C。这两种MEPCM被设计用于一个下一代650°C的CSP系统，以提高其能量储存和释放效率。为了评估它们在实际操作条件下的性能，设计了五种存储单元，分别采用了不同的Al-Si与Al-Cu-Si体积比（1:0, 0:1, 1:1, 2:1）以及不同的H/D比（3:2, 2:3）。通过模拟充放电过程，分析了这些参数对热性能的影响。

在模拟过程中，采用了COMSOL 6.2软件，基于二维轴对称模型，分析了MEPCM在圆柱形储罐中的热性能。储罐直径为2米，充填床高度为3米，储罐外壳厚度为5毫米，充填床孔隙率为0.4。储罐内的能量储存和释放能力不仅取决于MEPCM的热物理性质，还受到储罐几何形状和充放电截止温度的影响。充放电截止温度分别设定为376°C和456°C，以模拟实际运行条件。

### 热物理性质与模拟结果

在模拟过程中，采用了不同的热物理参数，包括Al-Si和Al-Cu-Si的熔点、相变温度区间、比热容、热导率等。这些参数在表1中进行了详细说明。此外，还考虑了储罐外壳的热损失，假设其为5 W/(m2·K)。模拟结果显示，单个Al-Cu-Si MEPCM（Case 2）在充放电过程中表现出更高的平均出口温度（557.3°C），比单个Al-Si MEPCM（Case 1）高出8.7°C。此外，较小的H/D比（Case 5）表现出更高的能量储存容量，平均高出34%，这主要是由于储罐外壳的表面积较小，从而减少了热损失。

### 充放电过程与能量储存

在充放电过程中，热能的储存和释放主要取决于HTF的温度变化和储罐内的热物理特性。模拟结果显示，随着充放电循环次数的增加，能量储存和释放能力有所下降，这主要是由于热损失的影响。在Case 5中，由于储罐外壳表面积较小，其能量储存和释放能力最高。此外，通过改变MEPCM的体积比和储罐的几何形状，可以进一步优化系统的热性能。

### 热损失与热效率

热损失是影响能量储存和释放效率的重要因素。储罐外壳的热损失主要取决于其表面积和热导率。较小的H/D比可以减少储罐外壳的表面积，从而降低热损失。模拟结果显示，Case 5在充放电过程中表现出最低的热损失，因此其能量储存和释放效率最高。此外，热效率的计算结果显示，Case 5的充放电效率分别为65%和54%，远高于其他案例。

### 结论与展望

本研究通过模拟和分析五种不同的存储单元，揭示了金属基MEPCM在下一代CSP系统中的热性能。结果表明，单个Al-Cu-Si MEPCM在充放电过程中表现出更高的平均出口温度，而较小的H/D比则显著提高了能量储存和释放能力。此外，储罐外壳的热损失对系统的整体性能有重要影响，因此在实际应用中，应优先考虑减少热损失的措施。未来的研究将进一步探讨相变材料的滞后效应和辐射传热的影响，同时分析其他材料作为热传递流体（HTF）的腐蚀特性。此外，还将评估多级潜热储存系统，以找到最优的储存单元设计。这些研究将有助于进一步提升CSP系统的效率和可靠性，推动其在全球能源结构中的广泛应用。