，不存在凍結(jié)問題，但由于礦物油的溫度不能高于300℃，否則易分解，這樣限制了槽式系統(tǒng)的工作溫度不能超過300℃，導(dǎo)致效率比較低；當(dāng)然也可以選用合成油作為HTF/蓄熱材料，但其價(jià)格沒有熔融鹽那么便宜，實(shí)際上不用于蓄熱材料，而且合成油的溫度也不能高于400℃，這自然也限制了槽式系統(tǒng)的工作溫度不能超過400℃，但間接TES綜合考慮了防凍與蓄熱材料成本問題。SEGS槽式系統(tǒng)中分別應(yīng)用了此兩種方案進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，后者顯示了后來居上的發(fā)展?jié)摿?，特別是高溫工況的應(yīng)用為朗肯循環(huán)效率提高到40%創(chuàng)造了條件。但前者的研究、應(yīng)用和技術(shù)相對成熟些，已經(jīng)顯示了TES為槽式系統(tǒng)帶來的好處。
    塔式系統(tǒng)帶TES裝置通常采用了圖3的布置形式，圖3也是Sular Two與Solar Tres塔式CSP的示意圖。塔式系統(tǒng)采用熔融鹽液作為HTF/顯熱蓄熱材料的方式，這是因?yàn)樗较到y(tǒng)的管網(wǎng)系統(tǒng)絕大部分是豎直布置在塔內(nèi)，管內(nèi)的HTF容易排出，解決防凍問題的成本不大，而且其工作溫度比槽式系統(tǒng)高，因此該方案對塔式系統(tǒng)幾乎是唯一的選擇。
    為了彌補(bǔ)單一蓄熱物質(zhì)的劣勢，常采用合成物或共晶混合物。例如Solar Two系統(tǒng)采用60%NaNO3+40%KN03的硝酸鹽混合物，其熔點(diǎn)為220℃，到600℃還能保持熱穩(wěn)定性；SEGS槽式系統(tǒng)分別采用過了二苯基氧（Therminol VP-1）、Hitec（53%KNO3 +7%NaN03+40%NaN02）、Hitec XL（45%KNO3 +45%Ca（N03）2 +7%NaNO3）等。CSP系統(tǒng)中常見的HTF或液體顯熱蓄熱材料見表1。
    其實(shí)，HTF采用合成油或熔融鹽都不是特別理想，合成油因其分解溫度低，無法應(yīng)用在提高槽式系統(tǒng)的工作溫度（如超過450℃）來獲得高效率的場合；而熔融鹽因其熔點(diǎn)高，在冬天或晚上易凍結(jié)，保證其處于液態(tài)需要高的運(yùn)行成本。于是一些室溫離子液體（room temperature ionic liquid ,RTIL）成為目前比較理想的HTF/液態(tài)顯熱蓄熱二合一材料。離子液體的熔點(diǎn)低，液程寬，沒有可測量的蒸氣壓，不可燃，熱容量大，低黏性，熱穩(wěn)定性好，無揮發(fā)性，導(dǎo)熱系數(shù)大，具有優(yōu)良的動力學(xué)可控性，更重要的是離子液體價(jià)格便宜且易制備，可通過選擇適當(dāng)?shù)年庪x子或微調(diào)陽離子的烷基鏈，改善離子液體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，這些特點(diǎn)引起了大家的注意。例如一種［C4mim］［BF4］離子液體的液程范圍為-79～459℃，目前已進(jìn)入試驗(yàn)階段。
    1.1.2固體顯熱蓄熱
    與美國不同，德國等歐盟國家比較重視直接蒸氣發(fā)電(DSG）CSP系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究（見圖5）。蓄熱系統(tǒng)則常采用固體顯熱蓄熱材料，成本低是其最大的優(yōu)勢，但它顯然只能用于間接TES。德國航天航空研究中心（DLR）的Tamme等在研究砂石混凝土和玄武巖混凝土的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)耐高溫混凝土和鑄造陶瓷等固體蓄熱材料，耐高溫混凝土的骨料主要是氧化鐵，水泥為黏結(jié)劑；鑄造陶瓷骨料也主要是氧化鐵，黏結(jié)劑包括氧化鋁等。它們具有分布均勻，低孔，與HTF換熱管接觸良好，能采用模塊化蓄熱設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。在阿爾梅里亞太陽能實(shí)驗(yàn)基地（PSA）與槽式系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn)，效果良好，現(xiàn)在正準(zhǔn)備MWh級的中試。
    1.1.3液-固聯(lián)合顯熱蓄熱
    為了降低槽式系統(tǒng)中的雙罐熔融鹽液間接蓄熱裝置的固定投資成本，Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的James等設(shè)計(jì)并測試一個(gè)2.3MW?h的斜溫層單罐蓄熱系統(tǒng)（thermocline tank storage），見圖4。雙點(diǎn)劃線框內(nèi)的斜溫層單罐TES可替代圖1中雙點(diǎn)劃線框內(nèi)的雙罐熔融鹽液TES而與槽式系統(tǒng)整合。斜溫層單罐是利用密度與溫度冷熱的關(guān)系，當(dāng)高溫熔融鹽液在罐的頂部被高溫泵抽出，經(jīng)過油鹽換熱器冷卻后，由罐的底部進(jìn)入罐內(nèi)時(shí)，或者當(dāng)?shù)蜏厝廴邴}液在罐的底部被低溫泵抽出，經(jīng)過油鹽換熱器加熱后，由罐的頂部進(jìn)入罐內(nèi)時(shí)，在罐的中間會存在一個(gè)溫度梯度很大的自然分層，即斜溫層，它像隔離層一樣，使得斜溫層以上熔融鹽液保持高溫，斜溫層以下熔融鹽液保持低溫，隨著熔融鹽液的不斷抽出，斜溫層會上下移動，抽出的熔融鹽液能夠保持恒溫，當(dāng)斜溫層到達(dá)罐的頂部或底部時(shí)，抽出的熔融鹽液的溫度會發(fā)生顯著變化。為了維持罐內(nèi)溫度梯度分層，就必須嚴(yán)格控制液體鹽液的注入和出料過程，在罐內(nèi)合理填充固體蓄熱材料以及配置合適的成層設(shè)備，如浮動進(jìn)口、環(huán)殼式換熱器等，圖中虛線表示蓄熱材料被加熱的循環(huán)過程。該試驗(yàn)證實(shí)了液態(tài)蓄熱材料NaNO3與KN03的熔融鹽混合物與固態(tài)蓄熱材料石英巖、硅質(zhì)沙具有良好的相容性；溫躍層罐蓄熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是可行的，試驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)濟(jì)性都令人振奮，其固定投資成本約為雙罐熔融鹽液間接蓄熱系統(tǒng)的65％。
    1.2相變蓄熱
    相變蓄熱材料具有相變潛熱大、相變溫區(qū)窄等特點(diǎn)，跟顯熱蓄熱比較，可顯著降低蓄熱系統(tǒng)的尺寸，但選擇合適的相變材料（PCM）及換熱器設(shè)計(jì)比較困難。因此，CSP系統(tǒng)中的相變蓄熱技術(shù)還處于試驗(yàn)研究或中試階段。其使用有兩種情形。
    （l）在DSG槽式系統(tǒng)中，采用單一PCM的蓄熱方式（見圖5）。圖5（a）是DSG槽式系統(tǒng)的基本工作原理示意圖，圖5(a)是DSG槽式系統(tǒng)聯(lián)合蓄熱技術(shù)的示意圖。該系統(tǒng)只有水／蒸氣作為HTF，在HTF與PCM的換熱過程中，其蒸氣HTF壓力基本保持恒定，溫度也保持穩(wěn)定，此時(shí)，要求PCM相變時(shí)溫度變化范圍也小。
德國等13個(gè)國家從2004年開始共同實(shí)施的DISTOR項(xiàng)目，就是為DSG槽式系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善的相變蓄熱系統(tǒng)，主要任務(wù)是研究230～330℃的加膨脹石墨的復(fù)合相變材料（EG-PCM），應(yīng)用微膠囊技術(shù)以及設(shè)計(jì)逆流相變蓄熱換熱器，達(dá)到降低成本的目的。
    （2）在采用合成油作為HTF的槽式系統(tǒng)中，合成油HTF的溫度變化范圍從250～400℃，水／蒸氣HTF的溫度變化范圍是從200～400℃，這就要求PCM在換熱過程中，溫度變化也比較大，因此，此時(shí)單一相變材料（PCM）是無法滿足要求。于是，1989年，美國LUZ公司就提出了級聯(lián)相變蓄熱的設(shè)計(jì)方案［見圖6（a）];l993年DLR與ZSW（德國太陽能及氫能研究中心）共同提出了PCM/顯熱蓄熱材料/PCM混合蓄熱方法［見圖6（b）]，并提出了可采用表2的PCM用于級聯(lián)相變蓄熱或混合蓄熱。1996年Michels等用3個(gè)豎立的殼管換熱器串聯(lián)，殼內(nèi)分別放置了KN03、KN03/KCI、NaNO3三種PCM，證實(shí)了級聯(lián)相變蓄熱的可行性。
相變蓄熱技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)展不大，主要是固液相變換熱器的設(shè)計(jì)沒有取得突破，微膠囊技術(shù)可能提供了一種方法，但對于高溫?fù)Q熱需要進(jìn)一步探討。CSP系統(tǒng)中應(yīng)用PCM是出于經(jīng)濟(jì)性、可靠性設(shè)計(jì)的考慮，并不是因?yàn)镻CM本質(zhì)上是一種良好的蓄熱材料。
    1.3化學(xué)反應(yīng)蓄熱
    化學(xué)反應(yīng)蓄熱是指利用可逆化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合熱儲存熱能。盡管可逆熱化學(xué)反應(yīng)蓄熱雖然具有儲能密度大的特點(diǎn)，但應(yīng)用技術(shù)和工藝太復(fù)雜，存在許多不確定性。
    1991年，Brown等采用CaO與H2O，進(jìn)行了小規(guī)模的蓄熱試驗(yàn)研究，認(rèn)為系統(tǒng)約束條件苛刻，價(jià)格偏貴，但認(rèn)為氫氧化物與氧化物之間的熱化學(xué)反應(yīng)將是化學(xué)反應(yīng)蓄熱的潛在對象。
    1999年澳大利亞國立大學(xué)提出了氨化學(xué)反應(yīng)蓄熱系統(tǒng)，在熱反應(yīng)器中氨吸熱分解成氫與氮，在氨合成反應(yīng)器中熱量被回收，該蓄熱系統(tǒng)是與碟式CSP進(jìn)行整合，但理論分析槽式CSP也能保證反應(yīng)的溫度條件。
    盡管化學(xué)反應(yīng)蓄熱的技術(shù)不成熟，但利用太陽能熱化學(xué)反應(yīng)循環(huán)制氫便是一種間接蓄能技術(shù)，這方面的應(yīng)用發(fā)展很快。太陽能熱化學(xué)反應(yīng)循環(huán)制氫技術(shù)就是利用CSP系統(tǒng)提供的高溫環(huán)境與熱化學(xué)反應(yīng)裝置聯(lián)合，采用金屬氧化物作中間物，輸入系統(tǒng)的原料是水，產(chǎn)物是氫和氧，不產(chǎn)生CO和C02?？捎糜谔柲軣峄瘜W(xué)反應(yīng)循環(huán)制氫的金屬氧化物有ZnO、FeO、CoO等，反應(yīng)溫度大約1000K，大大低于直接分解水的效率，且效率可以達(dá)到30%，是很有潛力的制氫技術(shù)。
    不管選擇何種TES型式，都要從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮。技術(shù)設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則包括蓄熱總?cè)萘?、工作名義溫度、額定負(fù)荷時(shí)單位焓降、最大負(fù)荷、運(yùn)行策略以及如何聯(lián)合CSP等。同時(shí)TES設(shè)計(jì)中一些通用的技術(shù)基本要求同樣適用于CSP系統(tǒng)中，例如：（l）蓄熱材料能量密度大；（2）傳熱流體（HTF）與蓄熱材料之間的換熱性好；（3）傳熱流體、換熱器與蓄熱材料之間相容性良好；（4）蓄熱材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，力學(xué)性能好，具有長期穩(wěn)定性；（5）可逆性好，能經(jīng)受大量反復(fù)的加熱與冷卻循環(huán)；（6）熱損失少；（7）容易控制等。另一方面，從經(jīng)濟(jì)的角度看，任何TES設(shè)計(jì)都要進(jìn)行效益成本分析。TES系統(tǒng)成本主要包括蓄熱材料、換熱器以及相應(yīng)配套設(shè)備的成本等。
    綜上所述，經(jīng)濟(jì)型的TES設(shè)計(jì)對CSP的市場競爭力影響效果更為明顯。雙罐熔融鹽塔式系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)沒有太多的爭議；對于槽式系統(tǒng)，目前沒有一種蓄熱方式占有絕對的優(yōu)先權(quán)，雙罐熔融鹽直接或間接蓄熱目前應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)性相對小一些，是近期發(fā)展的主要候選對象；相變蓄熱將是中長期的優(yōu)先研究對象，但沒有技術(shù)跡象表明化學(xué)反應(yīng)熱蓄熱目前具有競爭力。
    2國內(nèi)目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
    我國在“十五”期間“863”項(xiàng)目中對“分布式發(fā)電系統(tǒng)”進(jìn)行了立項(xiàng)研究，開辟了我國太陽能高溫?zé)崂煤桶l(fā)電的歷史。通過“十五”期間“863”、“973”項(xiàng)目以及國家自然科學(xué)重大基金項(xiàng)目的支持以及一批企業(yè)的參與，我國在太陽能熱發(fā)電的多個(gè)研究方面，尤其是關(guān)鍵技術(shù)方面的研究已經(jīng)取得了一批科研成果和實(shí)用化技術(shù)?！笆濉逼陂g，中國科學(xué)院電工研究所、皇明太陽能集團(tuán)與工程熱物理研究所聯(lián)合研制了3臺直徑5m的太陽能碟式聚光器，該設(shè)備在技術(shù)指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上已經(jīng)達(dá)到目前國際先進(jìn)水平，同時(shí)聯(lián)合研制成功了采光口寬度開口為2.5m、長12m的槽式聚光器一套，具備所有的自主知識產(chǎn)權(quán)。而塔式聚光器技術(shù)涉及到傳熱流體技術(shù)、高溫吸熱器技術(shù)、聚光塔技術(shù)、定日鏡技術(shù)和發(fā)電循環(huán)技術(shù)等，我國剛剛開始局部單元技術(shù)的研究，例如河海大學(xué)和南京玻璃纖維研究院合作研制成功了10㎡、20㎡、40㎡定日鏡，中國科學(xué)院電工研究所與皇明太陽能集團(tuán)合作正在研制100㎡的大型定日鏡等。2005年年底，南京玻璃纖維研究院張耀明院士通過與以色列魏滋研究院的技術(shù)合作，在南京江寧建成國內(nèi)第一座太陽能塔式熱發(fā)電示范電站并正式發(fā)電成功，但并非典型的塔式系統(tǒng)，規(guī)模只有70kW，采用空氣作為HTF，沒有蓄熱系統(tǒng)，研究的重點(diǎn)仍放在定日鏡上。隨著《可再生能源法》于2006年1月1日生效，將勢必大大推動我國可再生能源利用技術(shù)的發(fā)展。其中風(fēng)力發(fā)電和太陽能熱發(fā)電在我國將率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為保障能源供應(yīng)做出貢獻(xiàn)。太陽能熱發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)示范工程列入了“十一五”科技計(jì)劃重大項(xiàng)目，目標(biāo)是在“十一五”期間建成1MW級塔式太陽能電站的試驗(yàn)示范熱場。通過“十一五”期間的研究，掌握目前世界上通行的基于Rankine循環(huán)的塔式太陽能熱發(fā)電站的全套設(shè)計(jì)技術(shù)，開發(fā)出一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵材料和部件，如高精度、高反射率玻璃鏡，耐高溫太陽能選擇性吸熱涂層，高精密度定日鏡，大熱流密度吸熱器，傳熱蓄熱一體化材料、熔融鹽流體強(qiáng)化換熱器等。這將為我國今后幾十年發(fā)展大規(guī)模太陽能電站奠定基本手段。
    3結(jié)語
    對于太陽能可再生能源的開發(fā)，成本是第一位的，效率第二，而TES設(shè)計(jì)對CSP的市場競爭力影響效果非常明顯。而國內(nèi)現(xiàn)有工作基礎(chǔ)又主要集中在定日鏡等聚光技術(shù)方面，因此在重視定日鏡、高輻射能流密度吸/熱換熱器等關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)該對TES設(shè)計(jì)也給予足夠的重視。以美國Solar Two塔溝熔融鹽太陽能熱發(fā)電技術(shù)作為跟蹤對象，采用雙罐熔融鹽直接蓄熱方式，自主開發(fā)制備硝酸鹽熔融鹽換熱/蓄熱材料，通過等溫試驗(yàn)與熱循環(huán)試驗(yàn)測試其熱物理性質(zhì)與高溫長期穩(wěn)定性，完成熔融鹽流體強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)研究，將是我國在今后一段時(shí)期內(nèi)，開展CSP系統(tǒng)蓄熱技術(shù)研究的一個(gè)方向。