降低熱能儲存成本的方法之一，就是能讓傳熱工質在工作範圍內有更寬的溫域。無論是單獨使用還是作為塔式集中太陽能發電（CSP）的一部分，得了是讓使用傳熱工質能夠達到更高的溫度，並且在熱和冷之間的工作範圍，比現在應用廣泛的“介於290°C的“冷”和565°C"的熱熔融鹽更大。

近日，美國Karlsruhe Institute of Technology (KIT)液態金屬實驗室，正在進行的液態金屬作為傳熱工質研究，結果表明，液態金屬可以達到1000°C以上的熱量，並且具有約150°C的低熔融溫度；從而工作範圍達到150°C到1000°C，但是這種液態金屬能用於熱能儲存嗎？

卡爾斯魯厄液態金屬實驗室規模化的恆溫槽中的填充物

IMAGE @卡爾斯魯厄技術學院（KIT）的實驗室

在目前的商用塔式CSP中，熱儲存分為兩個儲罐，即熱儲罐和冷儲罐，但是降低儲熱成本的另一項有前途的技術正得到越來越多的研究，該技術是單儲罐–恆溫槽–儲熱庫，其中冷熱相同時存在於一個儲罐中坦克。（熱茶鹼是指液體（例如海水）中溫暖的上層和較冷的下層之間的混合溫度區域）。

作為液態金屬雙介質熱能儲存理論和實驗研究的主要研究人中，Klarissa Niedermeier在2020年SolarPACES大會上對此進行介紹，並在德國的一次電話會議上解釋了其優勢。

Niedermeier說：“我們正在將液態金屬用作傳熱工質，因為它們的導熱係數非常高。” “取決於您使用哪種金屬，它比熔融鹽高約30至100倍。這就是為什麼在集中式太陽能發電廠的接收器中使用液態鈉的原因，因為液態鈉可以承受那些熱接收器中存在的高熱負荷。”

她在卡爾斯魯厄液態金屬實驗室的工作小組正在其專門實驗室中研究液態金屬，目前正在開展首次此類實驗。在卡爾斯魯厄技術學院（KIT）的單槽溫床系統中使用液態金屬進行傳熱和能量儲存。

“在一個罐中，您沒有空的容積。因此，您需要的儲罐材料更少。”她解釋說。“而在兩罐式配置中–當您有冷熱儲罐時–您需要的儲罐尺寸是實際需要的兩倍，因為您將始終有很大一部分儲罐是空的。”

那麼在熱躍層儲熱系統中使用液態金屬有哪些挑戰？

液態金屬是傳熱的理想選擇，但能量密度低。它們的高導熱率導致有效的熱傳遞到罐中的卵石狀填料，但不利於冷熱相的分離。該團隊正在尋找液態金屬和填充料的最佳搭配，以將熱量最有效地傳遞到填充料中。

卡爾斯魯厄液態金屬實驗室測試天然岩石，玻璃和陶瓷作為填充劑

IMAGE @ Niedermeier，K. Müller-Trefzer，F。M. Daubner；馬洛可（L. Weisenburger，A .；Wetzel，T.，《液態金屬雙介質熱能儲存的理論和實驗研究》，第26屆SolarPACES論文集（2020年）。

哪種填充劑可以儲存熱量

理想的情況是，填充材料應具有很高的熱容和很高的密度，既要使填充材料內部的原子靠得更近，又要使填充槽中的每個填充物之間的空間不大，因為材料，它可以儲存更多的能量。

為了確定哪種候選填料最能承受高溫下的液態金屬，該團隊先前已經篩選出各種天然石材，例如石英和濾石，硼矽酸鹽和鈉鈣玻璃，氧化鋁，氧化鋯，矽酸鋯和滑石陶瓷。在500°C下浸泡數週後，他們用掃描電子顯微鏡（SEM）評估了任何損壞，並發現陶瓷具有最佳效能，並選擇了沒有相互作用的矽酸鋯陶瓷。

“因此，對於我們的第一個測試，我們希望有一個僅包含一種填料的床，該填料定義明確並具有已知的特性，” Niedermeier解釋說。“我們可以驗證我們的模擬並使用它進行大量的科學工作。可能會有更便宜的選擇。”

恆溫槽儲存是一個單槽過程，右圖還顯示了熱和冷，以表示CSP專案

IMAGE @ Niedermeier，K.中的那些來源。Müller-Trefzer，F。M. Daubner；馬洛可（L. Weisenburger，A .；Wetzel，T.，《液態金屬雙介質熱能儲存的理論和實驗研究》，第26屆SolarPACES論文集（2020年）。

測試冷熱最佳分離

最初，該團隊僅測試了液態金屬，而沒有使用陶瓷填充劑來進行驗證以驗證其資料。理想的液態金屬應該是在熱線和冷線之間的溫躍線點產生最少混合溫度的金屬。恆溫槽的儲存依賴於頂部的熱流體保持高溫，而其下方的冷流體儘管處於一個儲罐中，仍保持低溫。

因此，理想情況下，所需要的是液態金屬，它實際上不那麼容易混合（傳遞熱量），Neidermeier說：“理想的溫床是冷熱流體彼此靜置而不相互作用的地方，因此不會出現溫躍層降解。您必須使冷熱之間的熱傳遞最小化，以免在較大的區域之間變熱。在最壞的情況下，整個水箱將是溫躍層。這就是為什麼使用低傳導性填充材料的原因，該材料主要儲存熱量並緩衝溫床的膨脹。”

在相同的背景下，鉛和鉍的合金，鉛-鉍共晶（LBE），在高於124°C的熔點時，在模擬中被證明比液體鈉更適合用於熱躍線儲存。

她說：“ LBE的效能比鈉好一些，因為其導熱係數比鈉低三倍。” “它仍然具有很高的導熱率，但是它使分層更好一些，冷熱之間的界限更加清晰。”

第一步，他們在實驗室測試高達380°C的液態金屬迴路中測試了這種小型系統。目前，他們將使用填充材料進入下一輪比賽。然後，第二步將是一個100 kWh的中試規模系統，最高溫度為500°C，然後最高溫度為700°C。因此，在商業化之前還有其他步驟，它們還不是最後一步。（作者：Susan Kraemer 編譯：Lydia）