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用于太陽能設(shè)備的傳熱介質(zhì)的制作方法與工藝

文檔序號:11996202閱讀:573來源:國知局
用于太陽能設(shè)備的傳熱介質(zhì)本發(fā)明涉及一種用于太陽能設(shè)備的新型傳熱介質(zhì),特別是硝酸鹽。下一代的太陽能發(fā)電廠設(shè)備(聚光太陽能發(fā)電“CSP”),例如基于拋物面槽式和菲涅爾反射技術(shù)的設(shè)備,很大可能性是傾向于從目前的有機傳熱介質(zhì),例如Fa.的導(dǎo)熱油VP-1TM,一種由73.5重量%聯(lián)苯醚和23.5重量%聯(lián)苯形成的熔點為12℃的共晶混合物,發(fā)展到無機介質(zhì),從發(fā)電站設(shè)計和力求不斷提高效率的立場看,這是絕對必要的。無機介質(zhì),特別是,例如液態(tài)鹽,作為傳熱介質(zhì)(傳熱流體“HTF”)顯示一系列的優(yōu)點,與以化石燃料為驅(qū)動的能源供應(yīng)相比,可以顯著縮短太陽能CSP設(shè)備的成本平價時間(平準(zhǔn)化能源成本“LCOE”)。特別是,在太陽能循環(huán)中循環(huán)的HTF需要高的連續(xù)工作溫度(T>500℃),因為只有這樣才能對于在水-蒸汽循環(huán)中最大限度地利用蒸汽渦輪機實現(xiàn)足夠高的能量密度。已知的方式用流入的氣體和/或蒸汽的溫度來測量渦輪的效率,因此CSP設(shè)備在太陽能循環(huán)中理想方式應(yīng)該用HTF推動,經(jīng)受溫度直至565℃而沒有熱分解。當(dāng)然這種介質(zhì)的熔點應(yīng)當(dāng)非常低,因為必須絕對避免在幾公里長的管道和接收系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的熔融鹽發(fā)生凝固。HTF的熔點越高,為了避免凍結(jié),采取的預(yù)防措施必須越費力并且越昂貴。在這種情況下,電和/或熱性質(zhì)的附帶加熱得到應(yīng)用,這在惡劣天氣期間,保養(yǎng)和/或排水系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的情況下,應(yīng)該要確保熱安全邊際在實際熔點以上。鹽是由陽離子和陰離子形成的多極性化合物,在固態(tài)時形成晶格。這種混合物(Gemenge)能夠加熱到溫度至550℃而不熱降解,并且因此在熱力學(xué)觀點下,與使用上述導(dǎo)熱油情況相比,可以實現(xiàn)由太陽能到電能更有效的轉(zhuǎn)換,而使用上述導(dǎo)熱油時,由于有機結(jié)構(gòu)的原因,最大工作溫度不能超過395℃,因為否則發(fā)生降解。由于在夜間運行中,太陽能發(fā)電站本身并不能提供能量,因此合理的和/或潛在的基于鹽的蓄熱器一直得到應(yīng)用。用于這一目的的最常用的和現(xiàn)有技術(shù)的相應(yīng)混合物是所謂的“太陽鹽”,一種由60重量%硝酸鈉和40重量%硝酸鉀組成的非共晶混合物,其液相線溫度約為240℃。這種混合物用作能量儲存(熱儲能,“TES”),例如在夜間用于提供熱能。為了這個目的,當(dāng)前一代CSP設(shè)備在白天運行期間,收集的太陽能一部分在熔融“太陽鹽”中通過導(dǎo)熱油-鹽-熱交換器得到緩沖,以便由此能夠在夜間運行期間維持,并且還為渦輪機連續(xù)提供能源。因此,本發(fā)明的目的是找到一種在太陽能設(shè)備中作為傳熱介質(zhì)的有機導(dǎo)熱油的替代品,其熔點盡可能低,并且確保其在高溫下以及連續(xù)運行下的穩(wěn)定性。本發(fā)明的一般知識是,無機鹽混合物,尤其是硝酸鹽混合物對于用作傳熱介質(zhì),證明是特別有用的,因為這種混合物本身相對熔點較低,通過元素周期表中堿金屬和堿土金屬族內(nèi)通過形成相應(yīng)的共晶而進(jìn)行二值化(Binaerisierung)、三值化、四值化和五值化等,可以進(jìn)一步降低該熔點。在本說明書和權(quán)利要求中公開該任務(wù)的解決方案。因此,本發(fā)明的主題是用于太陽能發(fā)電廠設(shè)備的一種傳熱介質(zhì),以硝酸鹽為基礎(chǔ),包含陽離子鉀、鈉,其特征在于,在所述鹽混合物中包含鋇和/或鍶作為其它陽離子。已經(jīng)有以硝酸鹽為基礎(chǔ)的包含陽離子鉀和鈉的共晶鹽混合物,其中,特別包含鋰和/或鈣作為額外的陽離子。例如,一種共晶混合物,含有約21mol%Ca2+,49mol%K+,和30mol%Na+,具有約為132~135℃的低熔點,由A.G.Bergmann和I.S.Rassonskaya,以及N.E.Schmidt在出版物IzvestSectora,,F(xiàn)iz.-KhimAnal″vomInstObshkheiNeorgKhim,AkadNaukS.S.S.R.26(1955),156頁中所公開。然而問題在于,在高于500℃的溫度時強烈極化性的鈣陽離子Ca2+趨向于和硝酸鹽中存在的氧形成相應(yīng)的在鹽混合物中不能溶解的氧化物,其熔點非常高,并且趨向于與濕氣形成高腐蝕性的氫氧化鈣。本文已經(jīng)證明了,添加硝酸鋇和/或硝酸鍶使得氧化物和氫氧化物難以形成,因此改善了共晶鹽混合物在高溫下的耐久性。在已知的含鋰的具有鉀/鈉的共晶硝酸鹽混合物中不利的是,鋰是昂貴的而且含鋰的共晶鹽混合物總是強吸濕性的。通過添加鍶和/或鋇而不是鋰可以在質(zhì)量不變下大大降低共晶混合物的價格。此外,硝酸鍶和/或硝酸鋇不會產(chǎn)生由硝酸鋰引起的吸濕性。最后,摻入硝酸鍶和/或硝酸鋇的共晶鹽混合物比摻入硝酸鍶的相應(yīng)鹽具有更高的密度。作為實施例,已知的Na-K-Ca-NO3共晶鹽混合物包括約21mol%Ca2+,49mol%K+,和30mol%Na+,熔點范圍約為133℃,摻入0.6mol%含量的鋇(2+)陽離子。可以觀察到熔化溫度降低8℃。在不含鋇的情況下,該鹽混合物在143℃時才達(dá)到完全液相,而含鋇的鹽混合物可以在降低10℃,在134℃就已經(jīng)達(dá)到液相。為了制備共晶混合物,特別是一種至少三元(就是說,包含3種物質(zhì))混合物,鋇鹽和/或鍶鹽的使用量為0.01至30mol%;優(yōu)選為0.1至15mol%。在共晶點,共晶體即混合物,如同純物質(zhì)一樣凝固,優(yōu)選沒有溫度間隔。在所有的混合物中,鋇和鍶的含量比例最多可直到30mol%,優(yōu)選為直到15mol%的鋇和/或鍶,特別優(yōu)選為直到10mol%的鋇和/或鍶。剩下的陽離子,例如Li,Na,K,Ca位于10-60mol%范圍內(nèi)。通過摻雜Ba和/或Sr到Li-Na-K-NO3(每次33/27/47mol%,熔點116℃)得到Li-Na-K-Ba/Sr-NO3共晶體,其熔點<116℃。然后,同時降低Li-比例,這使得混合物更便宜,吸濕性更小并且得到更高的密度。這同樣適用于四值化,就是說4種物質(zhì)組成的混合物而不是3種物質(zhì)組成的三元混合物:硝酸鈣、硝酸鈉、硝酸鉀(Ca-Na-K-NO3)變?yōu)镃a-Na-K-Ba/Sr-NO3。優(yōu)選鋇/鍶的比例為0.1~15mol%范圍內(nèi)。剩下的陽離子Li,Na,K,Ca相應(yīng)地按比例降低,亦即總是在10~60%范圍內(nèi),然后合計為100%。
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