在全球能源结构加速向清洁化、低碳化转型的今天，可再生能源的高比例并网与电网调峰需求之间的矛盾日益凸显。风、光等波动性发电技术的规模化应用，进一步催生了长时储能这一“刚需"——储热技术（包括储冷）是储能技术中的一种，它不仅是能源系统稳定的“压舱石"，更是实现“双碳"目标的关键桥梁。
水/水蒸气、导热油、空气、液态金属和熔融盐都是常用的显热储能材料。但水蒸汽的系统压力大、导热能力差；导热油的上限温度低，使用寿命短；液态金属原料成本高，泄露后易着火、污染严重；空气的储热性能不理想。而熔融盐具有使用温区广、储热温差大、储热密度高、传热性能好、工作状态稳定、使用寿命长、成本低等优势，适合大规模储热。基于上述特点，熔盐储热已广泛应用到光热发电、清洁供暖、余热回收、火电灵活性改造等领域，并在光热技术领域大量推广应用。其中，光热发电+熔盐储能的组合凭借热电转换效而受到青睐。截至2022年底，全球光热发电总装机量已突破6000 MW，国内也有青海中控太阳能发电有限公司德令哈熔盐塔式50 MW电站项目、兰州大成敦煌10 MW菲涅尔熔盐电站项目等投产运行。为了确保太阳能光热发电系统的持续稳定运行，新建的光热发电系统基本绑定熔盐储能建设，提高熔盐储能效率已成为降低光热发电成本的重点。熔盐储能在其他方面的已投产应用主要为火电灵活性改造，宿州热电厂改造是目前在建最大的“火电+熔盐"项目，设计储热容量达1000 MW/h，能有效解决机组调峰出力与供汽之间的矛盾，提高了电网的稳定性。
图 1 熔盐储能在各行业的应用[1]
图 2 光热发电的主要成本[2]
熔盐储能的研究主要集中于储热工质与储运设备，前者在于筛选和开发具潜力的传热蓄热介质，后者则是根据前者的性能配套传热蓄热设备，包含熔盐储罐、传热管路、换热器等。
熔盐作为熔盐储能设备核心，寻找综合性能最佳的混合熔融盐是目前熔盐储热技术的重要研究方向之一，具体从性能、成本等多方面因素综合考虑，优选最合适的储热熔盐。目前成熟的熔盐储能介质包括硝酸盐、氯化盐、氟化盐和碳酸盐等，不同种类熔盐配方多样，考虑其熔点与分解温度不同，所适用的储能场景不同，常见的几种熔盐热物性参数见表1。实际应用中通常会使用同阴离子的多种盐混合以实现更好的储热介质性能。
表 1 常见熔盐的热物性参数
硝酸盐在熔盐储能工质应用较为成熟，具有成本低、腐蚀性小、稳定性高等优点，已经被广泛使用到CSP电站中。目前常用的商业化熔盐有太阳盐(60% KNO3 - 40% NaNO3)和Hitect熔盐(53% KNO3 - 7% NaNO3 - 40% NaNO2)，均为较成熟的硝酸盐体系。然而，两种硝酸盐的最大使用温度仅在540℃左右，较低的工作温度限制了硝酸盐进一步发展。虽然新开发的Li、Na、K三元碳酸熔融盐（32.1% Li2CO3 - 33.4% Na2CO3 - 34.5% K2CO3），表现出热容量高（1610 J/（kg·K））、热导率高（0.612 W/m·k，575 ℃）、熔点低（397 ℃）、热分解温度较高（>670 ℃）的优异热物性，但是Li盐的成本问题无法忽视。[3]碳酸盐和氯化物熔盐凭借更好的热稳定性而更受青睐。碳酸盐作为传热蓄热材料已被广泛研究。北京工业大学马重芳团队通过实验测定了36种不同比例的Li2CO3 - Na2CO3 - K2CO3共晶碳酸盐热物性，该系列共晶碳酸盐可实现800-850℃的分解温度，并且具备较好的热物理性能。氯化物熔盐成本低廉，其研究主要集中于抗腐蚀方面，因为规模化应用中会出现难以避免的杂质驱动腐蚀现象，氯化盐易吸水并在高温下产生HCl气体溶解在高温熔盐中腐蚀罐壁，这使得所有氯化盐熔盐系统必须做防腐蚀处理（特种钢材、防腐蚀涂层、牺牲阳极等）。[4]氟化物熔盐的熔点和相变潜热都较高，在熔盐堆(molten salt reactor， MSR)中可用作核燃料载体和冷却剂，其热物理化学性质可极大提高MSR的传热效率，与金属容器材料的相容性也较好。但氟化盐存在毒性，必须在闭合系统中使用，限制了其应用范围。除了进行熔盐组分和配比的探索，纳米颗粒掺杂也被证实能有效提高熔盐热物性，1% SiO2纳米颗粒就能实现比热容6.65~15.99%的提升[5]，石墨烯、碳纳米管、氧化铝和氧化钛等材料也被证实能有效提高比热和热导率性能[6]。
除了熔盐，性能优异的熔盐储罐也是熔盐储能系统的重要组成部分，其原理是在熔盐经过换热进入热罐，将太阳能或是其他热能转化成高温熔盐的形式存储在罐中，并在必要时输出熔盐，为汽机等提供稳定的热源。现阶段关于高温储热罐基础的设计主要是参考类似的设计标准，如 GB 50341、SH/T 3068、API 650 和相应的一些通用标准。热罐的使用温度在565℃左右，罐体材料通常选择低碳奥氏体不锈钢，如304/316/347系列；冷盐罐的使用温度在290 ℃左右，罐体材料通常选择碳钢，如Q345系列，需考虑材料的腐蚀额裕量。通常采用表面涂层处理方法来提高碳钢的耐腐蚀性，可选用两种涂料：有机硅系列耐热涂料和惰性聚合物系列耐热涂料。从经济角度考虑，有机硅系列耐热涂料更为适合。[7]围绕罐体还配套建设有隔热层、保温层、冷却系统等复合地基系统保障储罐稳定运行。[8]
图 3 熔盐储罐复合地基示意图
图 4 罐体支持材料的物理参数[9]
在熔盐储能的研发与应用中，由于熔盐所具有的高温特质，还必须要对所有涉及的材料进行热物性分析。在熔盐材料方面，主要使用量热仪STA测量熔盐的DSC与TG曲线，可以获得熔盐的相变点与分解温度，对比蓝宝石标样曲线还能获得比热相关参数，在此基础上可以初步确定储能系统的工作温度范围。然后再通过激光导热仪LFA获取导热系数、综合物性分析仪（阿基米德法）测量获取高温下密度和旋转粘度计获取粘度参数，用于后续的熔盐储运设备设计。对于储罐材料主要测量其保温性能与机械性能相关参数，除了和熔盐同样要测量的导热系数、密度等参数，还需要通过热膨胀仪测量膨胀系数、弹性模量和泊松比等力学参数。在获取以上必要参数后，可将其导入热仿真设计软件中（EBSILON、 Simcenter Flomaster、 ANSYS Workbench等）以进行进一步的设计工作。
[1] 段胜男，马能亮，陈香玉，段子丹，陈柏荣，王志强. 基于光热的熔盐储热技术现状及发展趋势.
[2] Sarada Kuravi, Jamie Trahan, D. Yogi Goswami, Muhammad M. Rahman, Elias K. Stefanakos. Thermal energy storage technologies and systems for concentrating solar power plants.
[3] Jing Luo, Cong Kun Deng, Naeem ul Haq Tariq, Ning Li, Ri Fei Han, Han Hui Liu, Ji Qiang Wang, Xin Yu Cui, Tian Ying Xiong. Corrosion behavior of SS316L in ternary Li2CO3–Na2CO3–K2CO3 eutectic mixture salt for concentrated solar power plants.
[4] 魏大林，朱琳，凌祥，姜峰. 高温储热用MgCl2-NaCl-KCl熔盐的研究进展
[5] Zhu Jiang , Anabel Palacios, Xianzhang Lei , M.E. Navarro , Geng Qiao, Ernesto Mura, Guizhi Xu, Yulong Ding. Novel key parameter for eutectic nitrates based nanofluids selection for concentrating solar power (CSP) system.
[6] Y.B. Tao, C.H. Lin, Y.L. He. Preparation and thermal properties characterization of carbonate salt/carbon nanomaterial composite phase change material.
[7] 熊新强，杜明俊，张志贵，卜明哲，刘慧超. 太阳能光热发电熔盐储罐选材、防腐与绝热技术研究。
[8] 田强，王建平，卜亚军. 基于热分析的高温熔盐储罐基础研究
[9] 易自砚，李红星，何邵华，赵 晴，姜 东. 太阳能热发电站高温熔盐罐基础设计关键参数研究
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