Review|何雅玲院士：下一代聚光太阳能热发电的高温液体介质吸热器技术：挑战和潜在解决方案

研究亮点

    本文围绕下一代聚光太阳能热发电的高温液体介质吸热器技术路线，综述了高温熔盐吸热器和液态金属吸热器的最新研究进展，总结了这些吸热器技术在发展中面临的关键问题，展望了这些问题的解决对策及未来工作，以期为下一代液体介质吸热器的实际应用铺平道路。

中文摘要

    对于下一代聚光太阳能热发电的高温液体介质吸热器技术路线，熔盐和液态金属吸热器具有广阔的应用前景。本文系统总结了这两类吸热器所面临的技术挑战和最新的研究进展，并展望了未来的发展前景。

    对于高温熔盐吸热器，氯化盐是首选的传热介质，但氯化盐吸热器面临着两大关键挑战：第一大挑战是高温氯化盐对吸热器材料的强腐蚀，而采用氯盐净化与耐腐蚀高温材料相结合，可有效解决高温氯化盐强腐蚀问题。目前，热处理和添加金属镁已成为氯化盐大规模净化的发展方向，未来研究应注重对加热温度、加热时间、镁添加量这些关键参数的优化，并同时研发低成本的耐腐蚀高镍合金加工工艺。第二大挑战是现有熔盐吸热器在高温下辐射热损失急剧增加，导致吸热器效率显著下降，而选择性吸收涂层和新型吸热器结构设计可有效提升吸热器效率，如超材料纳米结构涂层和多尺度吸热器设计相结合，可将高温吸热器的吸热器效率提高到90%以上，未来仍需开发可在800℃以上空气环境中稳定运行的选择性吸收涂层，并评估新型吸热器设计方法的技术经济性。

    对于液态金属吸热器，虽然现有示范项目证明了液态钠吸热器在光热电站中应用的可行性，但是钠吸热器的大部分试验均引起了着火事故，未来仍需改进现有液态金属钠吸热器的安全措施，尤其是针对钠着火的应对措施。此外，多种液体介质的混合使用可实现优势互补，也是一种具有应用前景的方式。例如，采用液态钠作为传热介质，而采用熔融氯化盐作为储热介质。

研究背景及意义

    在“双碳”目标的引领下，构建以新能源为主体的新型电力系统已经成为我国能源转型的主战场。而高比例可再生能源发电的间歇性和波动性会对电力系统造成冲击，因此需要采取有效的措施来提升系统的稳定性和灵活性。聚光太阳能热发电（Concentrating Solar Power, CSP）由于自带储能属性，可有效解决太阳能资源的间歇性和波动性等问题，从而提高可再生能源发电对电网的友好性，是一种应用前景广阔的可再生能源发电技术。虽然CSP目前已经实现了商业运行，但其发电成本仍然较高。为降低发电成本，下一代CSP中的吸热器出口温度将提升至700°C以上。液体介质吸热器具有大量的工程应用经验，是下一代CSP的主要技术路线之一。然而，对于现有以熔融硝酸盐作为传热介质的吸热器，其最高使用温度在600℃左右，无法满足下一代CSP的技术需求。目前，适用于下一代700℃ CSP的液体介质包括耐高温熔盐和液态金属。本文分别围绕高温熔盐吸热器和液态金属吸热器，全面回顾了其最新研究进展、所面临的技术挑战以及对应的解决方法，最后给出了未来的研究建议，以期为下一代液体介质吸热器的实际应用铺平道路。

研究内容及主要结论

    下一代聚光太阳能热发电中的液体介质吸热器主要包括熔盐吸热器和液态金属吸热器两类。本文分别系统总结了这两类吸热器的最新研究进展及所面临的技术挑战，并展望了对应的解决方法（参见图1）。

    在高温熔盐吸热器方面，现有熔盐吸热器技术面临着吸热器材料腐蚀和效率降低等关键问题。对于材料腐蚀问题，将氯化盐净化与耐腐蚀吸热器材料相结合是解决高温氯化盐强腐蚀问题的一种有效手段。针对氯化盐的净化，分段式热处理和添加金属镁可显著降低氯化盐的腐蚀性，但热处理的净化效果直接受到加热温度和加热时间的影响，且过量的镁添加会导致旋转部件的磨损。针对耐腐蚀的吸热器材料，高镍合金由于较好的高温耐腐蚀性能，有望应用于下一代高温光热电站中。然而，现有的高镍合金在高温氯化盐中的腐蚀速率还不能达到小于10微米/年的目标。除高镍合金外，陶瓷和金属陶瓷复合物等耐腐蚀材料也越来越受到重视。未来研究应注重：优化现有分段式热处理方法中的加热温度和加热时间；揭示金属镁的添加量对氯化盐腐蚀性的影响规律，并确定最低的金属镁添加量；测试不同高镍合金在高温氯化盐中的腐蚀特性；研发低成本的高镍合金加工工艺；研发具有良好机械性能的耐腐蚀陶瓷材料。对于效率降低问题，本文首先定量分析了高温熔盐吸热器的各种能量损失构成情况，参见图2。发现高温熔盐吸热器的主要能量损失为辐射热损失和太阳能反射损失。因此，降低这两种能量损失对提高吸热器效率具有重要意义。从源头以及能量传播过程两条途径降低吸热器的能量损失，可有效提高吸热器效率。对于吸热器能量损失的源头降低途径，最有效的方法是提高吸热器在太阳光谱的吸收率，同时降低吸热器在红外光谱的发射率，从而可以直接降低吸热器的辐射热损失和太阳能反射损失。对于吸热器能量损失的过程降低途径，最具应用前景的方法是设计具有重吸收能力的吸热器构型并研发高透明的隔热材料，从而重新吸收反射的太阳能和辐射热能，并抑制辐射热损失和对流热损失。未来研究需要：开发可在800℃以上空气环境中稳定运行的光谱选择性吸收涂层；评估现有不同新型吸热器设计方法的技术经济性；提高透明气凝胶的力学性能。

    在液态金属吸热器方面，目前，具有应用前景的液态金属包括钠、铅铋合金和锡等。为实现液态金属吸热器在下一代高温光热电站中的应用，需要解决钠着火以及液态金属与材料的相容性问题。对于液态金属钠和液态铅铋合金，现有的示范项目已经证明其在下一代光热电站中应用的可行性，而液态金属锡的可行性还需进一步验证。未来的研究应关注以下几点：改进现有液态金属钠吸热器的安全措施，尤其是针对钠着火的应对措施；从光热电站系统层面评估液态铅铋合金吸热器的光热电站热力学性能；开发与液态金属相容的吸热器材料，并改进现有的防液态金属腐蚀方法。

图1   论文综述框架

图2 吸热器中的能量传递过程及能量损失分析

原文信息

Liquid-based high-temperature receiver technologies for next-generation concentrating solar power: a review of challenges and potential solutions

Yaling HE¹, Wenqi WANG¹, Rui JIANG¹, Mingjia LI², Wenquan TAO¹

Author information：

1. Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of the Ministry of Education, School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China

2. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

Abstract：

To reduce the levelized cost of energy for concentrating solar power (CSP), the outlet temperature of the solar receiver needs to be higher than 700 °C in the next-generation CSP. Because of extensive engineering application experience, the liquid-based receiver is an attractive receiver technology for the next-generation CSP. This review is focused on four of the most promising liquid-based receivers, including chloride salts, sodium, lead-bismuth, and tin receivers. The challenges of these receivers and corresponding solutions are comprehensively reviewed and classified. It is concluded that combining salt purification and anti-corrosion receiver materials is promising to tackle the corrosion problems of chloride salts at high temperatures. In addition, reducing energy losses of the receiver from sources and during propagation is the most effective way to improve the receiver efficiency. Moreover, resolving the sodium fire risk and material compatibility issues could promote the potential application of liquid-metal receivers. Furthermore, using multiple heat transfer fluids in one system is also a promising way for the next-generation CSP. For example, the liquid sodium

is used as the heat transfer fluid while the molten chloride salt is used as the storage medium. In the end, suggestions for future studies are proposed to bridge the research gaps for > 700 °C liquid-based receivers.

Keywords：

next-generation concentrating solar power, liquid-based solar receiver, molten salt, liquid metals

Cite this article

Ya-Ling HE, Wenqi WANG, Rui JIANG, Mingjia LI, Wenquan TAO. Liquid-based high-temperature receiver technologies for next-generation concentrating solar power: A review of challenges and potential solutions. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-023-0866-8

作者简介

何雅玲，西安交通大学教授，中国科学院院士，工程热物理学家，中共第十九届、第二十届中央候补委员，西安交通大学学术委员会主任，国家储能技术产教融合创新平台（中心）主任。长期从事能源的高效转换与利用、储能科学与技术、新能源开发与利用以及航天航空中的热流科学问题等方面的研究，研究成果在航天、能源和化工等领域得到广泛应用。获得国家科学技术进步一等奖（创新团队奖）1项、国家自然科学二等奖2项、国家技术发明二等奖1项、省部级科技一等奖3项、何梁何利科学与技术进步奖等。发表SCI学术论文600余篇，中英文著作和教材13部，获授权发明专利70余项，软件著作权30余项。论著和成果被引33600余次，SCI被引23900余次，连续入选“全球高被引科学家” （前1%）及“中国高被引学者”等。

陶文铨，西安交通大学教授，中国科学院院士，工程热物理学家，国际传热传质通讯及计算机与流体等国际期刊的副主编。长期从事传热传质及其数值模拟方法与工程应用的研究，推动与促进了我国计算传热学科的形成与发展。目前主要研究氢燃料电池性能提升、数据中心节能与低碳技术及储能技术。著有《传热学》、《数值传热学》及《计算传热学的近代进展》等。曾获得国家科学技术进步一等奖（创新团队奖）、国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖及省部级科技一等奖等多项奖励。

王文奇，西安交通大学博士研究生，师从何雅玲教授。博士期间主要从事塔式太阳能热发电研究。在导师的指导与带领下，参与了多项国家级研究课题。目前共发表学术论文26篇，被SCI收录17篇。其中，以第一作者或学生第一作者身份发表论文15篇，被SCI收录10篇；获授权发明专利5项，其中以学生第一发明人身份授权专利3项。担任Applied Thermal Engineering、Solar Energy等多个国际期刊的审稿人。

   Frontiers in Energy （SCI，2021 IF 2.964），能源领域综合性英文学术期刊，于2007年创刊，现为中国工程院院刊之一 (Transactions of CAE)。主编是翁史烈院士、倪维斗院士、周守为院士、苏义脑院士和彭苏萍院士，执行主编是上海交通大学黄震院士。出版能源领域原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。

    涉及领域包括（不限于）：能源转化与利用，可再生能源，储能技术，氢能与燃料电池，二氧化碳捕集、利用与封存，动力电池与电动汽车，先进核能技术，智能电网和微电网，电力与能源系统，能源与环境，能源经济和政策等。

期刊优势

1.  国际化投审稿平台ScholarOne方便快捷。

2.  严格的同行评议(Peer Review)。

3.  免费语言润色，有力保障出版质量。

4.  不收取作者任何费用。

5.  不限文章长度。

6.  在线优先出版(Online First)，保证文章尽快发表。

7.  通过Springer Link平台面向全球推广。

在线浏览

http://journal.hep.com.cn/fie（国内免费开放）

https://link.springer.com/journal/11708

在线投稿

https://mc.manuscriptcentral.com/fie

联系我们

刘瑞芹

[e-mail], (86) 21-62932006

乔晓艳

[e-mail], (86) 10-58556482

Springer

HEP

WeChat