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據(jù)悉，美國(guó)能源部（DOE）擬通過(guò)Small Business Vouchers（SBV）計(jì)劃撥給阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室一筆經(jīng)費(fèi)，用以支持其對(duì)Terrafore公司所研究的創(chuàng)新型膠囊式相變?nèi)埯}儲(chǔ)熱技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步大規(guī)模獨(dú)立測(cè)試。利用該創(chuàng)新型儲(chǔ)熱技術(shù)可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱和換熱兩過(guò)程在一個(gè)單獨(dú)儲(chǔ)罐中完成，而且系統(tǒng)運(yùn)行溫度可超過(guò)800°C。
據(jù)悉，當(dāng)了解到有望獲得能源部的資金支持后，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們目前已與Terrafore公司首席執(zhí)行官Anoop Mathur接洽并提出實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)。事實(shí)上，早在2008年9月美國(guó)能源部就曾撥付給Terrafore180萬(wàn)美元經(jīng)費(fèi)，用于支持其研究混合熔鹽流動(dòng)和傳熱特性，以及評(píng)估熔鹽相變蓄熱的潛力。
Mathur表示：“我們之前在美國(guó)西南研究院已經(jīng)證明了膠囊式相變?nèi)埯}在370°C條件下的可靠性，而阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的獨(dú)立測(cè)試則將進(jìn)一步證明，這些熔鹽膠囊表面的特殊涂層能夠承受試驗(yàn)設(shè)備所施加的高溫和高壓考驗(yàn)。”
相比傳統(tǒng)雙罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)單位體積熱容高出50%
Mathur進(jìn)一步補(bǔ)充說(shuō)：“我們的膠囊式相變?nèi)埯}儲(chǔ)熱技術(shù)已經(jīng)具備了商業(yè)化實(shí)力，我們有信心將該技術(shù)應(yīng)用于分布式規(guī)模的迷你塔式、碟式光熱電站以及使用超臨界二氧化碳循環(huán)技術(shù)的新一代光熱電站。”
Mathur將其設(shè)計(jì)的密封式熔鹽膠囊命名為T(mén)erraCaps，若采用該技術(shù)儲(chǔ)熱裝置將無(wú)須采用目前常規(guī)的雙罐設(shè)計(jì)（冷罐與冷罐），僅使用單罐即可。據(jù)悉，單個(gè)罐體即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱和傳熱，而且相比目前光熱電站常見(jiàn)的雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，這種膠囊式相變?nèi)埯}儲(chǔ)熱系統(tǒng)單位體積的熱容量可以高出50%。而得以實(shí)現(xiàn)單罐完成傳儲(chǔ)熱技術(shù)的關(guān)鍵是膠囊要在其內(nèi)部熔鹽融化膨脹時(shí)為其提供充足的內(nèi)部空間。
Mathur指出，正是膠囊內(nèi)部的熔鹽以及充足的空間保證了單位體積儲(chǔ)熱容量的大幅提升，部分熔鹽熔化后體積可變大25％左右。由于導(dǎo)熱性較低，熔鹽在換熱方面效率不高且換熱時(shí)需要足夠大的接觸面積，而將熔鹽裝在小膠囊中則可增大比表面積，幫助維持發(fā)電系統(tǒng)所需的高傳熱效率。
膠囊內(nèi)的空間如何形成？
據(jù)Mathur介紹，在直徑幾乎不到1英寸的膠囊中制造空間的過(guò)程十分有趣。首先會(huì)在高溫條件下把一種變成氣態(tài)的聚合物包裹在熔鹽顆粒【采用流化床造粒裝置制取】表面形成涂層，然后將被涂層包裹的鹽壓縮成像黏土一樣并形成膠囊狀，接著再利用化學(xué)氣相沉積法為膠囊“穿上”一個(gè)鎳基金屬“外套”——耐高溫涂層。需要注意的是，根據(jù)應(yīng)用溫度不同要選擇不同的耐高溫復(fù)合涂層。
接著加熱膠囊，這時(shí)熔鹽表面附著的聚合物將再次變成氣體并通過(guò)氣孔逸出，同時(shí)也使膠囊內(nèi)部留下了一些孔隙，為鹽在加熱和冷卻時(shí)的膨脹和收縮創(chuàng)造空間條件。最后再將一種特殊的涂層附著在膠囊表面以密封氣孔并使其牢固。【詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)下列組圖】
Step1
Step2
Step3
Step4
阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)一步測(cè)試有望將該技術(shù)推向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用階段。
Mathur表示：“現(xiàn)在我們已經(jīng)證明了這項(xiàng)技術(shù)的可行性并做好了商業(yè)化應(yīng)用的準(zhǔn)備，這是一項(xiàng)巨大的技術(shù)突破。此前雖然有許多研究人員一再嘗試通過(guò)使用鹽的相變?cè)韥?lái)達(dá)到增加儲(chǔ)能密度的目的，許多公司也在嘗試?yán)萌埯}相變，但都在換熱與傳熱方面遇到了一些技術(shù)難題。”
膠囊式相變?nèi)埯}儲(chǔ)熱技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)單罐傳儲(chǔ)熱？
據(jù)了解，這種獨(dú)創(chuàng)性的類似彈珠形狀的膠囊可以幫助人們輕松實(shí)現(xiàn)單罐傳儲(chǔ)熱。膠囊內(nèi)通過(guò)封裝三種不同成分的無(wú)機(jī)鹽可以賦予它們不同的熔點(diǎn)。
三種不同的膠囊需要分層放置，熔點(diǎn)最低的膠囊置于罐體底部，熔點(diǎn)最高的膠囊則置于頂部，從頂部到底部形成熱串聯(lián)。太陽(yáng)能吸熱器收集的熱量通過(guò)傳熱介質(zhì)從上至下流至罐中與膠囊換熱后冷卻。反之，需要使用膠囊中儲(chǔ)存的熱量時(shí)，傳熱介質(zhì)則采用從下到上的換熱路線。最終通過(guò)此技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單罐體取代雙罐以及換熱器，從而實(shí)現(xiàn)降低成本與提高效率的目的。
另一方面，由于單位體積熔鹽的表面積增大，因此換熱面積也得到擴(kuò)大，這也是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本下降和效率提高的原因之一。Mathur透露：“三種鹽的混合使用可使超過(guò)93％的相變熱被有效儲(chǔ)存并保持恒定的溫度為發(fā)電系統(tǒng)供能。”
或與超臨界CO2等熱氣體介質(zhì)聯(lián)合測(cè)試
據(jù)悉，在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室將要進(jìn)行的測(cè)試中，將采用熱空氣介質(zhì)而非蒸汽，并且將只使用一種鹽：氯化鈉（食鹽）或氯化鎂。同時(shí)，科學(xué)家還會(huì)利用空氣或氦氣驅(qū)動(dòng)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和布雷頓循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，運(yùn)行溫度可達(dá)800°C以上，這個(gè)溫度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前一般商業(yè)化光熱電站的運(yùn)行溫度。
因?yàn)闇y(cè)試條件為超高溫高壓，因此該測(cè)試也將適用于超臨界二氧化碳技術(shù)。
Mathur表示：“使用熱空氣的好處是，如果熱空氣在測(cè)試中行的通，那么超二氧化碳也會(huì)行的通。超臨界二氧化碳是一種類似空氣的氣體，但承壓程度有別于空氣。如果這些涂層足以抵抗熱空氣的外力，那么它們也應(yīng)該能夠承受住超臨界二氧化碳的壓力。”
斯特林光熱發(fā)電技術(shù)的福音？
目前，采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和布雷頓循環(huán)技術(shù)的光熱電站并非主流，因?yàn)閺陌l(fā)電效率角度看其與塔式電站相比優(yōu)勢(shì)不明顯，從穩(wěn)定性角度看則跟槽式存在一定差距。
但是，碟式斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)或布雷頓循環(huán)微型塔式電站可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)高達(dá)32％的光電轉(zhuǎn)化效率。與光伏一樣，它們也可以實(shí)現(xiàn)分布式和模塊化，并在較小規(guī)模范圍內(nèi)產(chǎn)生成本效益。但相比槽式和塔式電站，其主要缺陷是目前還沒(méi)有非?？尚胁⒕哂休^高經(jīng)濟(jì)性的配套儲(chǔ)能方案。
但是，通過(guò)采用Terrafore公司上述膠囊式相變?nèi)埯}儲(chǔ)熱技術(shù)的單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)或可改變這種不利局面。
與光伏類似，碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)可以直接發(fā)電，比較適合模塊化應(yīng)用。目前，Mathur正在研究單機(jī)15KW的斯特林發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合膠囊式相變?nèi)埯}單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)的綜合系統(tǒng)應(yīng)用于島嶼和農(nóng)村的小型高效模塊化離網(wǎng)系統(tǒng)的市場(chǎng)前景，這種極具經(jīng)濟(jì)性的膠囊式相變?nèi)埯}單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)將可使整體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電力輸出。
據(jù)Mathur透露，目前該司已成功將工作溫度在370℃至800℃甚至更高一些的熔鹽產(chǎn)品應(yīng)用于其創(chuàng)新型膠囊相變?nèi)埯}儲(chǔ)熱技術(shù)。
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