摘 要：目前的太阳能热发电商业项目都是以产生蒸汽和使用熔融硝酸盐蓄热的系统，下一代系统将需要较高的操作温度和较大的热流密度，以提高效率和降低成本。液态金属将作为先进的热传导流体，它具有较高的温度并改善热传递性能。本文对其在热机循环中的应用进行了讨论。总体而言，液态金属作为高效传热流体具有巨大的潜力。

关键词：CSP-太阳能热发电；液态金属；热传导；高温

1 概述

太阳能热发电（CSP）为清洁可再生能源的大规模部署提供了巨大的潜能，其最具吸引力的特性是热能存储（TES） 具有的成本效益，具有和传统的电力转换系统一样的可能性。自上个世纪1980年代早期装置开始出现，1990年代建设示范设施，，这项技术现在已进入商业部署[1]。

伴随着技术发展和经济要求，更先进的中央接收系统需要较高的操作温度和较大的集中比，从而具有更集中的热负荷。液态金属拟作为一种解决方案替代目前的盐系统，以面对即将到来的挑战。

2 液态金属的相对优势

2.1 较大的传热系数

液态金属具有非常大的热传导率，这种情况使他们能够实现大的传热系数，实现低温差高效能量交换。由于这种内在的条件依赖于高效的分子能量传输，大型的单相结果可以在简单的几何形状内获得。

换句话说，液体金属的传热系数大幅度增加（3～20倍）是可能的，显著增大传热系数的同时应允许工作时具有更高的热通量，同时保持一个恒定的温度差，这是目前熔融盐接收器设计的一个主要限制。因此，在接收器区域，液体金属也可减少整体的资本投资；此外，更高的接收效率可以通过传热性能的提高所达到[2]。

2.2 较高的温度的稳定性

通常在一个热电站，理想的结果是具有较高的温度，以实现更大的热力学效率（ηthermal ） 。作为整体的太阳能光电效率（ηtotal）也要考虑光学方面（ηoptical）和接收器性能（ηreceiver）的影响。

现在的最先进的的中央接收系统是基于硝酸盐运行的亚临界蒸汽朗肯循环。在一般情况下，当运行在较高的蒸汽温度为630℃时，对湿式和干式的冷凝器，光电整体效率增加8～12%。然而，为实施这一先进动力循环所需较高的温度，根本无法使用熔融盐来实现，因为他们的温度被限制在560℃。高操作温度直接应用太阳能热化学过程是可行的。高温下的化学反应器中的工业过程的发展是必需的，并且熔融金属可以稳定实现导热液的功能。

3 高温液态金属在热机循环中的应用

3.1 700℃超超临界汽轮机循环

随着太阳能组件（ 接收器，存储系统，太阳能组件）相对于其他高温概念方案，未来的700℃超超临界蒸汽动力模块相对较低的发展需求（hthermal ≈ 52 % ），可以通过液态金属传热提供。对于这种接收器的出口温度为700℃是必需的，而镍基合金可有助于克服在物质方面的问题。与接收系统，存储系统相对应的温度范围内，发展蒸汽循环温度超过700℃是必要的。可以大体看出，有关这一概念方案的可行性，主要风险是镍基焊接问题和瞬态的应变，以及腐蚀的问题。

3.2 开式燃气轮机循环

联合循环（ CC）中最低600℃的燃气-蒸汽动力模块，现已商业化，可以在现在的燃煤、燃气电厂先进技术设备基础上改进。采用太阳能-燃气轮机比其他常规的太阳能发电厂有更显著的优势。虽然尚未有商业规模化，以压缩空气为导热油接收器的概念已被广泛研究。

3.3 闭式燃气轮机循环

在一个封闭的循环中，可以用来代替空气可选的惰性气体，从而导致更高效的功率转换。同样地在开式循环，所收集的高温热能，须通过热交换器或间接或直接接触型的，来转移工作气体。从降低成本的角度来看直接接触式换热器是有吸引力的，但涉及到加压密封及郎肯-蒸汽输送到汽轮机的实际问题则需要解决。与开式燃气轮机循环类似，闭式循环需要另外开发，降低成本的主要办法与闭式的布雷顿循环中的部分负荷相关。

3.4 碱金属热电转换器（ AMTEC ）

热能直接转化为电能是基于电子和离子的电势梯度的扩散。因为没有中间机械能的步骤（例如涡轮机），没有移动部件的使用，从而提高了高温部件的工作可靠性。碱金属热电转换器系统，特别是依靠钠蒸发并分解成钠离子和自由电子。而电子被朝向一个直流负载循环时，离子通过固体电解质扩散，重组发生在冷侧，其中，多余的热量被拒绝，并且钠冷凝。碱金属热电转换器的热力循环的理论效率接近卡诺极限。在实际中，效率高达20%，从而呈现比其他直接转换系统更好的性能。

3.5碱金属蒸汽透平循环

作为最长远的替代，直接碱金属蒸汽发电就是用管状的接收器在中等压力下来驱动碱金属蒸汽汽轮机的过程。前置循环和超临界水蒸汽的过程作为末端循环的联合循环是未来技术发展的趋势，但取决于直接生成高温蒸汽的（两相反应性高的流动介质）碱金属蒸汽汽轮机和相关的冷凝器，以及液态碱金属储热充电和放电和相关的安全系统技术成熟度。

4 结论

较高的温度和改进的传热是降低成本的关键因素，从而提高未来的中央接收系统的经济竞争力。使用液态金属不仅可以改进接收效率，还可达到较高的温度水平并改善接收器和动力装置相结合的效率。为了获得接收器出口的最佳温度，先进的动力循环是必需的。现在有五个循环被提出和讨论，超超临界汽轮机循环和开式或闭式燃气涡轮动力循环是最成熟的，具有能够在中期实现的潜力。直接转换成热利用的碱金属热-电转换器是另一种先进的理念，碱金属蒸汽涡轮机前置循环概念目前远未实现。

参考文献：

[1]T. Tan， Y. Chen， Review of study on solid particle solar receivers， Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 （1） （2010） 265e276.

[2]T. Nomura， N. Okinaka， T. Akiyama， Technology of latent heat storage for high temperature application： a review， ISIJ International 50 （9） （2010） 1229e1239.