2015年1月6日，華北電力大學能源動力與機械工程學院徐超教授等發(fā)明的《一種太陽能熱發(fā)電用單罐雙罐復合儲熱系統(tǒng)及儲熱方法》獲得國家知識產權局的發(fā)明專利授權。
該發(fā)明采用了將單罐斜溫層儲熱子系統(tǒng)和雙罐儲熱子系統(tǒng)進行耦合的思路，將兩種儲熱系統(tǒng)的優(yōu)勢結合起來，解決了單罐斜溫層儲熱技術效率低、運行方式單一等固有缺點，具有儲熱成本低、系統(tǒng)效率高、運行方式靈活等技術優(yōu)勢，為光熱發(fā)電儲熱技術的開發(fā)應用提供了一種新方案。
儲熱系統(tǒng)是光熱發(fā)電的核心競爭力體現(xiàn)，雙罐熔鹽儲熱技術是當前應用最為成熟、最為廣泛的儲熱技術。雙罐儲熱系統(tǒng)結構簡單、技術成熟，但由于其具有兩個儲熱罐，需要的儲熱介質更多，系統(tǒng)成本較高。
單罐儲熱系統(tǒng)只有一個儲熱罐，具有成本較低的優(yōu)點，又稱為斜溫層儲熱系統(tǒng)。放熱時高溫儲熱工質在罐的頂部被高溫泵抽出，經過換熱器放熱冷卻后，由罐底部進入罐內；充熱時低溫儲熱工質在罐的底部被低溫泵抽出，經過換熱器加熱后，由罐的頂部進入罐內。但由于太陽輻照強度的復雜波動，單罐系統(tǒng)的頻繁充放熱切換將加劇進出口的局部紊流，使其效率逐漸下降，導致系統(tǒng)運行不夠穩(wěn)定；另外，單罐系統(tǒng)難以實現(xiàn)同時進行充、放熱等操作，運行方式受到強烈限制。
單罐-雙罐儲熱系統(tǒng)結構示意圖
徐超等的此項新發(fā)明基于“大單罐加小雙罐”的配置，結合了單罐系統(tǒng)成本更低和雙罐系統(tǒng)穩(wěn)定性更佳的雙重優(yōu)點，對儲熱技術的革新具有一定參考意義和價值。其主要的優(yōu)點表現(xiàn)在以下五個方面：
1、單罐斜溫層儲熱子系統(tǒng)承擔大部分的儲熱容量，可以有效利用單罐斜溫層儲熱技術的成本優(yōu)勢，而耦合雙罐儲熱子系統(tǒng)，增大儲熱量同時共用冷熱流體泵及管路設備，從而降低儲熱成本。
2、雙罐儲熱子系統(tǒng)承擔小部分的儲熱容量，主要作為緩沖系統(tǒng)應對白天日照波動，避免了對單罐斜溫層儲罐頻繁充、放熱切換操作而加劇斜溫層膨脹和擴張的缺點，有效減小斜溫層的退化，提高儲熱效率和系統(tǒng)靈活性。
3、單罐雙罐復合儲熱系統(tǒng)將單罐斜溫層儲罐在完成設定出口閾值放熱后繼續(xù)深度放熱，這部分低于閾值溫度的熱流體存儲在熱流體儲罐中，這樣不僅減少了留在單罐斜溫層儲罐中導致這部分熱流體與低溫流體逐漸混合品質降低的影響，提高單罐斜溫層儲罐的儲熱能力，而且還實現(xiàn)了溫度梯級利用，提高系統(tǒng)的熱利用效率，減小了不可逆損失。
4、冷熱流體泵布置在體積相對較小的雙罐儲熱子系統(tǒng)的高、低溫儲熱罐內（斜溫層單罐內沒有流體泵），可能降低泵的液下深度等要求，從而降低流體泵的成本。
5、單罐雙罐復合儲熱系統(tǒng)適用范圍廣，可通過采用不同的操作策略來應對復雜輻照波動；可用于多種采用液體做傳熱介質的槽式或塔式等太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。
光熱發(fā)電配儲熱系統(tǒng)已成為在中國開發(fā)光熱電站的必要前提，在此背景下，國內已有不少企業(yè)和科研機構在著力推進新一代儲熱系統(tǒng)的研發(fā)和示范。對于熔鹽儲熱系統(tǒng)的革新可以從兩方面著手，一是熔鹽儲熱材料的革新，如采用低熔點熔鹽產品提升系統(tǒng)換熱效率，二是革新儲熱系統(tǒng)設計，如本文所述的這種新型儲熱系統(tǒng)。這兩點也是全球范圍內行業(yè)人士所致力于尋求突破的關鍵點。
徐超表示，他針對熔融鹽單罐斜溫層儲熱已經進行了四年多的研究，在國際權威SCI期刊上發(fā)表了多篇學術論文，日前授權的發(fā)明專利解決了單罐儲熱系統(tǒng)的一些固有缺點。目前他正在就該專利技術具體的系統(tǒng)集成特性和經濟性分析作進一步的研究，希望能藉此推動國內CSP儲熱技術的應用和技術創(chuàng)新。同時，為了盡快推動該項專利技術的示范應用進程，也歡迎對該技術感興趣的相關企業(yè)與其共同探討進行一些實際的合作。
該專利的第一發(fā)明人徐超原就職于中科院電工研究所，該項發(fā)明是其在該所工作時牽頭的項目研發(fā)成果。該專利的聯(lián)合發(fā)明人還包括常哲韶、李鑫和王志峰三人。該項專利于2013年5月11日提交專利申請，2015年1月6日獲得授權，專利權人為中國科學院電工研究所。
