中國作為最大的發展中國家，面臨著巨大的能源壓力。據權威機構預計，到2020年我國石油需求量將達到4.3億t，石油將60%依賴進口，能源需求總量將達到31億t標準煤。隨著傳統化石能源的日益減少，開發新能源尤其是太陽能成為大勢所趨。經過近20年的技術研發和積累，我國的低溫太陽能熱水技術已經十分成熟，太陽能熱水器已經進入千家萬戶。太陽能光伏發電技術也得到了大范圍的商業化應用。然而，作為未來重要的基礎電力能源之一的中高溫太陽能光熱發電技術，其應用水平卻落后歐美國家很多，目前我國光熱發電總裝機容量在世界上的市場份額占比還不到1%，處于剛起步的階段，蘊藏著巨大的市場商機。
太陽能光熱發電離不開儲熱，儲熱作為其核心子系統之一，其建設成本占比高達20%~25%，可以說太陽能光熱發電系統的成敗決定于儲熱子系統的成敗，因此儲熱技術一直是太陽能光熱發電領域的研究熱點。
1儲熱技術分類
1.1顯熱儲熱
顯熱儲熱是利用材料自身的比熱容來儲存/釋放熱能，工程上應用的一般有液體顯熱儲熱和固體顯熱儲熱，屬于非相變儲熱；如水儲熱，導熱油儲熱，石英砂和高溫混凝土儲熱等。
1.2潛熱儲熱
潛熱儲熱即相變儲熱，主要是通過儲熱材料發生相變時吸熱或放熱來實現能量的儲存與釋放，如水-水蒸汽儲熱，熔鹽儲熱等。具有儲熱密度大，相變過程中接近恒溫，儲熱系統尺寸較小等特點。
目前相變類儲熱材料主要有：有機類、熔融鹽類、合金類及復合類等。熔融鹽類相變材料一般由堿金屬的氟化物、氯化物、硝酸鹽、碳酸鹽等組成，可以是單組分、雙組分或多組分的混合物，一般應用于中高溫領域。納米復合相變儲熱材料技術是近年來才開始出現工程應用的新型相變儲熱技術，納米顆粒具有比表面積大、界面相互作用強等特點，具有良好的熱學性能。將納米技術用于相變儲熱領域，制成復合相變儲熱材料，可以延長相變材料使用壽命、改善相變材料性能，拓寬其工作溫度區間。
目前，已研究的無機鹽高溫復合相變材料主要有5類：無機鹽/陶瓷基復合相變材料、無機鹽/金屬基復合相變材料、金屬/陶瓷基復合相變材料、金屬/金屬基復合相變材料、無機鹽/多孔石墨基復合相變材料。
金屬基復合相變儲熱材料中，將金屬（或非金屬）納米級粉體添加到熔融鹽中，可以克服傳統相變儲熱材料熱導率低、過冷等缺點，得到導熱系數增大的新儲熱介質。熔融鹽較均勻地分布在多孔質網狀結構金屬基體中，熔融鹽在復合儲熱材料中達80%以上，金屬骨架把相變儲熱材料分成無數個微小的儲熱單元，當溫度超過熔融鹽熔點時，熔融鹽熔化而吸收潛熱，因泡沫金屬孔的毛細管張力作用而不會流出。克服了潛熱儲熱液固兩相界面處傳熱效果差和顯熱儲熱儲熱量小等缺點。
1.3化學反應儲熱
化學反應儲熱是利用可逆化學反應的熱能與化學能的轉換來進行儲熱，具有儲熱密度高、儲熱時間長、可以遠距離傳輸等優點。盡管化學反應儲熱的技術不成熟，但利用太陽能熱化學反應循環制氫是一種間接儲熱技術，這方面的應用發展很快。太陽能熱化學反應循環制氫技術就是利用太陽能光熱發電系統提供的高溫環境與熱化學反應裝置聯合，采用金屬氧化物作中間物，輸入系統的原料是水，產物是氫和氧，不產生CO和CO2，效率可以達到30%，是很有潛力的制氫技術。
由于化學反應儲熱方式技術復雜、一次性投資較大，目前仍處于實驗室研究階段，在大規模的應用之前，還有許多問題需要解決。
2常見的太陽能儲熱技術
2.1固體顯熱儲熱
德國航天航空研究中心(DLR)研究開發出耐高溫混凝土和鑄造陶瓷等固體儲熱系統，由儲熱材料、高溫傳熱流體和嵌入固體材料的圓管式換熱管組成。在儲熱階段熱流體沿著換熱管流動把高溫熱能傳遞到儲熱材料中。在放熱階段，冷流體沿著相反方向流動從儲熱材料中吸收熱能用來發電。在西班牙的阿爾梅里亞太陽能實驗基地(PSA)的WESPE項目中，高溫混凝土和鑄造陶瓷儲熱最高溫度為400℃，儲熱能力為350kWh。每個儲熱換熱單元由36根單管組成，管外徑為25mm，內徑為21mm，管間距為80mm。
混凝土儲熱裝置造價很低，配置靈活，操作簡便。混凝土的主要原料是沙子和礫石，在沙漠地帶幾乎免費就可獲取，在終年陽光明媚的地區，如我國新疆的塔克拉瑪干，內蒙古的巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠，這種混凝土儲熱器非常值得開發推廣。
2.2液體顯熱儲熱
目前，比較常用的液體儲熱介質包括各種熔鹽、礦物油、導熱油、液體金屬和水等。熔鹽具有較好的儲熱傳熱性能，工作溫度與高溫高壓的蒸汽輪機相匹配，在常壓下是液態，不易燃燒、沒有毒性，而且成本較低，更適合高溫太陽能光熱發電。現在應用較廣的熔鹽主要有二元熔鹽和三元熔鹽。
熔鹽的缺點有高溫腐蝕以及低溫凝固等問題，相關管道閥門材料必須耐高溫、耐腐蝕，必須對相關設備進行保溫、預熱和伴熱等。
2.2.1單罐儲熱系統
1982年，美國能源部在加利福尼亞州建立的So1arOne塔式太陽能電站采用單罐間接式儲熱系統，儲熱流體為導熱油，溫度范圍為218~302℃，儲熱能力為182MWh。罐內裝有6170t砂石和906m3的Caloria型導熱油。由于導熱油最高溫度的限制，發電循環的效率只有21%。
單罐熔鹽儲熱系統是指作為儲熱介質的冷流體和熱流體都儲存在一個單罐中，在儲熱或放熱過程中，冷流體和熱流體會相互接觸，在接觸區域形成一個溫度斜溫層，斜溫層以上流體保持高溫，斜溫層以下的流體保持低溫。系統蓄放熱過程時冷流體在罐的底部被低溫泵抽出，經過外部換熱器加熱后由罐的頂部進入罐內，或者熱流體在罐的頂部被高溫泵抽出，經過外部換熱器冷卻后由罐的底部進入罐內。隨著換熱過程的進行，斜溫層會上下移動，抽出的流體能夠保持恒溫。為了縮短斜溫層的距離，防止冷熱流體對流混合，增加儲熱量，一般會在罐內填充石英砂等材料來增加斜溫層效應。單罐熔鹽儲熱系統比雙罐熔鹽儲熱系統節省投資約35%。
德國DLR正在研制一種單罐儲熱新方法，其原理為利用可活動的機械壁面把一個罐分為兩部分，分別儲存高溫熔鹽和低溫熔鹽。在儲熱過程中高溫熔鹽進入單罐的高溫部分，使得高溫熔鹽體積增加，推動分隔壁面移動，使低溫熔鹽流出儲熱罐，使得低溫熔鹽的體積減少，但整個儲熱單罐的熔鹽體積保持不變。由于采用了分隔界面使得冷熱熔鹽的熱損失比斜溫層單罐儲熱要少，其結構和控制過程更加簡單，估計不久的將來就能實際應用。
東莞理工學院提出了一種新型熔融鹽高溫斜溫層混合儲熱系統，與現有儲熱系統相比，提高了單位體積的儲熱容量，簡化了熔融鹽的注入和出料結構，正在抓緊研究工程化應用技術。
2.2.2雙罐儲熱系統
雙罐熔鹽儲熱系統是指太陽能光熱發電系統包含兩個儲熱罐，一個高溫儲熱罐；另一個低溫儲熱罐。其按照儲熱方式可分為直接儲熱系統和間接儲熱系統。間接儲熱系統的傳熱介質和儲熱介質采用不同的物質，需要換熱裝置來傳遞熱量。間接儲熱系統常采用導熱油作為傳熱介質，熔融鹽液作為儲熱介質。傳熱介質與儲熱介質之間有油-鹽換熱器，工作溫度不能超過400℃。其缺點是傳熱介質與儲熱介質之間通過換熱器進行換熱，帶來間接換熱損失。
直接儲熱系統中傳熱流體既作為傳熱介質，又作為儲熱介質，不存在油－鹽換熱器，適用于400~500℃的高溫工況，從而使朗肯循環的發電效率達到40%。對于管道平面布置的槽式太陽能光熱發電系統，需要使用伴熱的方法來防止熔融鹽液傳熱介質的凍結。塔式太陽能光熱發電系統的管網絕大部分是豎直布置在塔內，其工作溫度比槽式系統高，傳熱介質容易排出，因此直接儲熱的雙罐熔鹽儲熱系統對塔式系統是比較好的選擇。
雙罐熔鹽儲熱系統中冷罐和熱罐分別單獨放置，技術風險低，是目前比較常用的大規模太陽能光熱發電儲熱方法，但是雙罐系統需要較多的儲熱介質和較高維護費用。
2.2.3水－水蒸汽儲熱系統
在太陽能光熱發電系統中，用水直接作為傳熱和儲熱介質，具有比熱容大、熱導率高、無毒、無腐蝕、易于儲運等優點。在系統中加入了蒸汽儲熱器可以把多余的水蒸汽變成體積熱容較大的水來儲存熱量，可以保持系統壓力在穩定工作范圍之內，具有較少的反應時間、較高的放熱速率。
作為一種直接蒸汽儲熱發電系統，是最有希望減少成本的方法之一。但直接蒸汽儲熱發電系統存在高溫高壓問題，水蒸汽的臨界壓力為22.129MPa，臨界溫度為374.15℃，當水的溫度高于臨界溫度時，過熱水蒸汽壓力特別高，對熱傳輸系統的耐壓性提出了非常高的要求。
３太陽能儲熱發展前景展望
按照目前我國太陽能發電建設布局，預計在10年內可達到10GW的光熱發電總裝機規模。僅儲熱熔鹽這一方面，未來10年國內市場需求將達到600億元人民幣。假設國內光熱發電市場占世界光熱發電市場的裝機規模占比為1/10，則未來10年國外市場儲熱熔鹽需求總值將達到6000億元人民幣。
隨著傳統化石能源的減少和環境污染的日益嚴重，大力開發新能源尤其是太陽能，是解決能源和環境問題的最佳選擇，傳統化石能源經濟將逐步讓位給太陽能。通過大規模儲熱應用，可以改善太陽能的不連續、不穩定性，實現安全、穩定供電。因此，持續研究開發可靠高效經濟適用的太陽能儲熱技術，對于太陽能光熱發電的良性發展具有十分重要的意義。
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