|
摘要：构建清洁低碳安全高效的能源体系是我国实现碳中和的必由之路。作为未来规模储能的中坚力量，热储能在推动能源绿色低碳发展方面发挥着不可替代的重要作用。热储能技术可以解决热电供需间的时空与强度不匹配问题，是供热和发电技术创新突破的核心支撑。 本文首先梳理并总结不同工作原理热储能技术的研究现状；然后针对最近十年Web of Science核心合集引文数据库的文献，基于可视化图谱分析热储能的研究热点和发展趋势，结果表明中国已成为热储能研究领域的全球学术中心，相变储热技术是当前最受关注的学术热点和未来的发展趋势；最后简要介绍了热储能技术在蓄热式供热和热电解耦领域的应用进展情况。 储热水罐和固体储热技术成熟，相变储热技术快速发展，基于熔盐储热的燃煤发电机组高效灵活热电解耦技术将具有巨大的工程应用潜力。本文可为可再生能源供热技术研发和高效灵活热电解耦技术突破提供方向指引和理论借鉴。 1 引言 为达成碳中和，构建清洁低碳安全高效的能源体系已成为当今科技研究的核心诉求和首要目标。我国富煤、贫油、少气的资源禀赋使能源体系对煤炭的依存度较高，以关系民生需求的冬季供热为例：我国北方地区城乡建筑取暖总面积约206亿平方米，其中83%以煤炭作为热量来源，年消耗约4亿吨标煤。随着城市规模不断扩大，供热需求日益增长，仅2022年1-2月中国供热耗用原煤量就达到9813万吨。因此，为减少碳排放，亟需开展燃煤热电联产机组热负荷供需间的综合灵活调度、有效利用可再生能源电力，提高能量利用效率，开展清洁高效新能源供热。 安全稳定的电力供给是维持社会正常运转和推动工业稳步发展的基石。实现双碳目标，能源是主战场，电力是主力军，构建适应新能源占比逐渐提高的新型电力系统是能源结构转型升级的必由之路。然而，风、光等可再生能源发电具有波动性和弱可控性，其高比例接入会对电网的稳定运行提出安全性挑战。火力发电具有转动惯量和无功功率，有利于维持电网的频率和压力，应充当电力安全保障的压舱石，但其尚显不足的灵活性无法满足新能源电力高速增长的需求，如图1所示，截至2021年底，我国仍有多个地区风、光弃电率高于5%，电量浪费超过250亿kW·h。 以“三北”部分地区为例，新能源发电渗透率已超过40%，灵活性资源却不足3%，新能源消纳和电网频率稳定问题日渐突出。特别是在冬季供热期间，装机占比约50%的燃煤热电联产机组热力、电力输出深度耦合，为保证热负荷供应，需要采取以热定电运行方式，严重限制了机组调峰能力和运行灵活性，影响电网接纳新能源电力。现有热电解耦技术效率偏低、应用单一，甚至存在直接将高品位电能用于加热给水供热的现象，其能效比普通热水锅炉低60%左右。因此，实现高效灵活热电解耦、提高能量利用效率，正成为燃煤碳减排领域的重要突破方向。
1a.风电
1b.光电 图1.2021年中国各省份风光弃电比例 热储能技术能够解决由于时间、空间或强度上的能量供给与需求间不匹配所带来的问题，存储供给高峰时的冗余能量并在需求时释放，平抑可再生能源发电波动性。热量存储设备运行灵活，长时储存性能优良；结合低谷电价和调峰政策，可适时放热于蒸汽发电工质和/或供热给水，满足清洁供热需求，实现高效灵活热电解耦，有效提高可再生能源发电渗透率。 现有热储能研究领域综述文献主要包括几个方面：热储能研究现状的总述；单项热储能技术的研究进展；不同工作温度热储能技术的归纳；聚焦某个应用场景的热储能技术概述。缺乏基于工作原理分类的热储能技术研究现状、热点趋势分析及其在清洁供热和热电解耦领域应用进展的全面综述。 因此，本文首先梳理并总结不同原理热储能技术的研究现状；然后根据2013-2022年间Web of Science核心合集引文数据库的文献，分析热储能的研究热点和发展趋势；最后简要介绍热储能技术在蓄热式供热和热电解耦领域的应用进展。本文可为基于热储能的可再生能源供热技术研发和高效灵活热电解耦技术突破提供方向指引和理论借鉴。 2 热储能研究现状 热储能技术按照工作原理可分为显热储热、潜热储热和热化学储热。显热储热基于介质比热容，通过升/降温过程完成热能存储和释放；潜热储热利用介质相变过程吸收或放出潜热来存储与释放热量，又称为相变储热；热化学储热则依靠可逆化学反应或吸/脱附过程中的反应焓实现储放热。本文将梳理不同热储能技术特点，总结常用储热介质的材料性能参数，并介绍相关技术的发展现状。 2.1显热储热 显热储热原理简单，易于调控，无化学反应和相态变化，其介质来源广泛、成本低廉、便于规模化应用，是最早开始研究的储热技术，成熟度最高，应用最为广泛；但存在着储能密度低、体积庞大、长时储存热损失大和输出温度波动等不足。
式中：Qs(kJ)和Vs(m³)分别为显热储热系统蓄热量和介质容积，ρs(kg·m-³)和Cp,s(kJ·(kg·K)-¹)分别为介质的密度和比热容。 可以发现，显热储热系统蓄热量与介质的比热容、密度、温度变化范围和容积成正比。此外，在系统设计和工程应用中还需要综合考虑储热介质的输运特性、热稳定性、材料相容性及传热性能参数。气体最易输送，但低密度、低比热容和受限的导热系数限制了其在热储能领域的推广应用，因此显热储热介质通常在液态和固态材料中筛选。 常用的液态储热介质有水、导热油、熔盐和液态金属等。相较于固态储热介质，液态储热介质质量比热容更大，传热性能更好，但也存在成本高和难以实现高温热量长期稳定储存等问题。水储热的温度一般不超过100℃，安全稳定，广泛应用于太阳能生活热水系统和空间供暖。 近年来，随着大容量斜温层储热水罐技术的成熟，水储热技术开始应用在消纳需求低谷的冗余电力和火电机组热电联供领域，目前华能丹东电厂已建设最大蓄热量为5040 GJ的超大容量斜温层储热水罐，增强燃煤热电联产机组的电网调峰能力和供热能力。然而，水储热仅能满足低温需求，且利用电能和中高温抽汽生产热水会造成较大㶲损失，能量转换效率降低。导热油以其良好的传热性能和较宽的工作温度范围，很早就被应用到中高温热储能领域。 1982年美国建成首个10 MWe聚光太阳能热发电试验电站Solar One，采用导热油作为储热介质和传热流体。除了价格高昂，导热油易燃，需在封闭系统中工作，而较高的蒸汽侧压力又造成了严重的安全隐患，因此在中高温领域导热油逐渐被熔盐所替代。熔盐在当今主流蒸汽参数对应的温度下具有低饱和蒸汽压、低粘度、高热导率、不易燃和无毒性的特点，并且成本较低，被视为太阳能热发电的理想储热介质。然而，熔盐在高温下会腐蚀管道和循环输送设备，甚至会发生高温分解，因此优化高温下熔盐与不锈钢材料的相容性和热稳定性是未来技术重点突破方向。液态金属以其超高的导热系数有望在更高的工作温度下（＞600℃）成为新的储热介质选择，但其极不稳定的化学性质使系统需要引入额外的安全措施，加之材料成本的高昂，造成该技术经济性较差，尚处于基础研究阶段。 常用的固态储热介质有混凝土、岩石及耐火砖等，相比液态储热介质，固态储热介质的工作温度更高，相同体积时蓄热量增加，所需介质材料减少，成本降低。固体储热装置按照储热介质与传热流体是否直接接触可分为直接接触式和间接接触式两种类型。直接接触式储热装置的传热流体多为空气，储热环节利用电能或太阳能加热固体，放热环节空气流经多孔介质或固体颗粒的空隙使自身温度升高，然后用于供暖、布雷顿循环发电、作物和木材烘干等需求。 传热流体种类在深入的研究中也得到了扩展，Battisti等采用一维多孔介质模型验证了超临界CO2直接接触式填充床储热装置的应用可行性，基于系统的详细成本和典型气象数据，考虑了环境热损失和辅助加热过程的碳排放，进行了系统瞬态性能的年度仿真，研究了综合经济性和环境影响，获得了发电平准化成本。间接接触式储热装置的传热介质可为水、导热油和熔盐等，通过浸没在固体中的换热管束传递热量。研究者的广泛关注使该技术得到了快速发展，Laing等开发的高温混凝土材料工作温度可达390℃，其热膨胀系数与钢材相当，能够与换热管匹配良好，并在槽式聚光太阳能热发电领域进行了应用尝试。 大部分固态储热介质具有热导率低、传热性能受限等特性，不过沙颗粒能够在1100℃高温下保持热稳定，通过气固流动可有效提高传热系数。学者们提出了聚光太阳能颗粒热接收器、空沙管壳式换热器、颗粒帘换热器、移动床换热器等储热模式；放热环节采用流化床、鼓泡床等气固流态化换热器实现热能的高效利用。然而，当前沙颗粒储热系统工程应用尚未成熟，流动阻力损失较大，规模较小。 由于固体储热介质与传热流体不可避免的存在传热温差，一方面传热流体无法升到最高的储热工作温度，另一方面传热流体与环境发生导热和对流的传热损失也降低了储放热循环的能量利用效率。因此，优化储热/放热过程、降低长期储热耗散、减小㶲损失是当前各种固态显热储热技术的主要研究目标。表1总结了常用的液态及固态显热储热介质的材料性能，包括工作温度、密度、比热容等系统设计关键参数。 表1常用显热储热介质的材料性能
2.2潜热储热 潜热储热具有储能密度高、储热/放热过程温度近乎恒定等优点，根据相态可分为固—固、液—气、固—液相变三类。固—固相变材料存在相变潜热小和塑晶现象严重等缺点，液—气相变材料在恒压和恒容系统中分别存在体积和压力波动剧烈的问题，固—液相变材料具有相变潜热较大、运行过程稳定等优势，是目前主要的研究方向和应用介质。固—液相变储热通常伴随着固相和液相的显热储热过程共同进行，储热量可由式2计算：
式中：Ql(kJ)为潜热储热系统蓄热量，VS(m³)和VL(m³)分别为储热介质固态及液态时的体积，ρS(kg·m-³)和Cp,S(kJ·(kg·K)-¹)分别为固态介质的密度和比热容，ΔH为相变过程的熔融焓，ρL(kg·m-³)和Cp,L(kJ·(kg·K)-¹)分别为液态介质的密度和比热容。 固—液相变材料分为无机和有机相变材料。无机相变材料具有潜热较大、不易燃等优势，主要包括水合盐、熔融盐和金属合金。水合盐适用于中低温储热领域，具有相变温度恒定、价格低廉等优点，但存在相分离和过冷等问题。相分离会使系统储热能力降低甚至失效。因此学者们提出加入增稠剂、胶囊封装和化学改性等方法缓解相分离现象。在实际储放热过程中，无机相变材料很难在理论熔点下立即凝固，需要在低于熔点的某个温度下才开始结晶，发生过冷现象，这会严重降低相变材料的放热量，并且放热温度会出现波动，使系统丧失近似恒温热输出的优势。 由于在相变过程中的成核性能较差，水合盐的过冷现象可通过主动成核和被动成核来缓解甚至防止。主动成核基于振动、超声波和搅拌等措施产生凝结核心，被动成核则通过添加成核剂、多孔基体吸附和微胶囊封装等降低液相与固相之间的界面能，促进自发结晶。当前，开发成熟可靠的成核剂、探索行之有效的过冷度降低方法是研究重点。 熔融盐及金属合金可应用在中高温储热场景，具有相变焓较大、密度较高等优势，但其腐蚀性、含毒性和高成本等缺陷仍有待解决，限制了其规模化应用。无机相变材料对储存和输运装置的腐蚀性是普遍存在的，中高温下熔融盐和金属合金的腐蚀性对储热装置的长期稳定性和使用寿命的影响尤其值得关注。学者针对熔融盐和金属合金的腐蚀机理进行了广泛研究，也开发了保护性涂层等减轻腐蚀的方法。目前熔融盐在中高温领域得到了广泛工程应用，如槽式太阳能电站采用日晒盐作为储热材料。 有机相变材料由于熔点较低，相关研究集中在低温储热领域，其稳定性好、无腐蚀性、过冷度小且近乎无相分离现象，但其体积储热密度较小、热导率低，传热性能有限。此外，有机相变材料存在泄露隐患，由于其会与矿物材料通过静电、毛细效应等发生相互作用，采用多孔矿物材料封装成为解决泄露问题的普遍方案。石墨掺混能够使相变材料的导热系数大幅增加，有效提高了储热系统的传热性能。最常用的有机相变材料是石蜡，其是直链烷烃的混合物，物化性能稳定，应用于建筑保温领域，转移温度峰值荷载，降低建筑能耗。大部分有机相变材料具有易燃性，需要考虑工作温度和安全措施。 由于相分离、过冷、泄露等问题多发生在固化过程中，因此相变储热的研究大多集中在材料的凝结方面。图2总结了不同相变材料的熔融温度和熔融焓的分布，可指导不同应用场景下储热材料的选择。
图2常用相变储热材料的熔融焓和熔融温度 2.3热化学储热 热化学储热的单位体积储能密度高达GJ/m3数量级，可达显热储热材料的8～10倍、潜热储热材料的2倍以上；通过反应物的分别存放可以实现室温下热能的无损存储，被认为是最有前景的大规模长期储热技术。按照反应过程键断裂的类型，可分为化学吸附储热和化学反应储热两种类型。 化学吸附储热适用于低温场景，通过固态吸附剂对气态吸附质分子的吸附和解吸完成，实质是由范德华力、静电力、氢键等分子间作用力的断裂/聚合来存储和释放热能。主要由以水蒸汽分子为吸附质的水合盐体系和以氨分子为吸附质的氨络合物体系组成。常用化学吸附储热介质的材料、储热/放热温度和储能密度如表2所示。 表2常用化学吸附储热介质的材料特性
水合盐在热化学储热时发生反应如式3所示
式中：MX为盐类；ΔHr是吸附一个水蒸气分子的反应焓。 与水合盐相变储热不同，热化学储热过程中水分子以蒸汽的形式进入或脱离反应体系，水合盐不发生溶解。如果储热过程中温度控制不当，水合盐会熔化为溶液和部分水合物，相应的温度称为熔点。水合盐的熔化焓远低于脱水焓，熔化现象的发生会显著降低储能密度，并导致盐的积累，使渗透率降低，造成系统传热传质性能恶化，甚至堵塞反应器。一般来说，水合盐在不同温度区间会发生多步脱水过程，为避免水合盐熔化，需控制各步骤的脱水温度低于熔点。针对低熔点水合盐，可采取预热的方式维持反应稳定可控。氨络合物体系可实现冷热复合储存，近年来开始受到关注，相关研究围绕吸附式制冷展开，提高储放热效率、开发安全可靠的氨气储存及控制方法是该领域的研究重点。 化学反应储热多应用于中高温场景，可分为甲烷重整、氨合成/分解、金属氢化物、碳酸盐、金属氧化物和金属氢氧化物等体系，通过化学键的断裂/重组实现热能的存储/释放。化学反应储热的反应焓大、储能密度高、工作温度高，但在成本、材料腐蚀性和气体储存等方面仍存在问题，需要进一步探究反应机理，优化反应过程控制。表3总结了不同体系的储热材料及其对应的反应方程式、工作温度范围和储能密度。 由于热化学储热系统复杂、辅助设备多、投资高，仍未发挥出超高储能密度的紧凑度优势；加之化学反应复杂，速率难以精准调控，整体效率仍较低，某些反应还有严格的安全性要求；因此热化学储热技术当前仍需围绕这些问题展开深入研究。 表3常用化学反应储热材料特性
3 热储能研究热点趋势图谱分析 本文在Thomson Reuters公司检索平台Web of Science核心合集引文数据库的科学引文索引扩展中，以“thermal energy storage”和“heatstorage”为关键词，限定文献类型为“article”，对2013-2022年间发表的文献进行检索，共获得14740篇文献数据。以1年为步长，将文献数据划分为10个时段，采用VOSviewer软件对科研合作关系、研究热点与发展趋势开展可视化图谱分析。 国际上热储能研究机构关联性图谱如图3所示，其中节点代表研究机构，节点的大小和颜色分别量化该机构的论文发表数量和平均发文年份，节点间连线则表示机构间的合作关系，连线越粗，代表合作关系越强。研究机构关联性图谱可以从宏观层面定量分析相关研究的合作交流情况，同时各研究机构间联系的密切程度也在一定程度上反应了该领域的研究热度。 由图3可见，研究机构关联性呈现出三大聚类。聚类Ⅰ是以中国科学院、西安交通大学、上海交通大学和清华大学为代表的中国高校和研究院所，其总机构数量及论文发表数量约占统计数量的一半以上；该聚类研究机构的论文发表平均年份为2019年，晚于统计文献年份的中位值2018年，这是因为近年来我国对热储能技术关注逐渐加强，尤其自2020年“双碳”战略提出以来，研究热度不断提高，文章产出持续增加；此外，通过直接合作和经由日韩的间接交流，中国学术机构与全球各个研究机构保持密切联系。聚类Ⅱ由伊朗伊斯兰阿扎德大学、印度理工学院、沙特阿卜杜勒阿齐兹国王大学、沙特法赫德国王石油矿产大学等组成。 根据论文发表平均年份可以看出该聚类为热储能研究领域的新兴力量，其在陈丽萍等基于2007—2017年文献数据的研究中尚未形成。该聚类内研究机构彼此间联系密切，发展迅速，学术影响力逐步提高，与聚类外研究机构的交流合作也日益广泛。聚类Ⅲ主要由西班牙的莱里达大学和巴塞罗那大学组成，该聚类机构较少，论文发表不多，且主要机构论文发表的平均年份都早于2018年，属于早期的主要研究聚类，与聚类内外研究机构的交流也不够紧密。
图3国际上热储能研究机构关联性图谱 热储能技术研究机构聚类的中心随着时间的进展出现了转移，2007—2017年间，热储能技术研究存在西班牙和中国两个学术热区；本文最新的数据分析结果显示我国研究机构聚类规模和学术影响力日渐强大，西班牙的影响力不断减弱，中东国家与印度的研究发展势头迅猛。 图4为国际上热储能研究学者关联性图谱，包括四个聚类，其中前三个学者聚类与上述研究机构聚类有对应关系。学者聚类Ⅰ和Ⅱ具有相似特征，即围绕论文高产量学者形成研究团队，不同研究团队间的交流合作促使多元集合体式聚类的规模扩展。 其中，聚类Ⅰ中Ding Yulong、Fang Xiaoming和Rao Zhonghao为排在论文发表数量前三位的学者，聚类Ⅱ则有Sari、Ahmet、Tyagi,V.V.和Ghalambaz,Mohammad等代表性学者。学者聚类Ⅲ呈现出更加明显的中心性，Cabeza Luisa F.发表的热储能研究论文数量达到222篇，位居全球第一，以其为中心形成放射状的单核集合体，该聚类内学者多来自同一机构，因此造成该研究机构聚类Ⅲ规模较小。 由于核心学者Cabeza Luisa F.近年来论文发表数量减少，相关学者和研究机构聚类的活跃度均随之下降。在多元集合体的聚类模式中，个别论文高产量学者的中心性会被稀释，对聚类的影响相对较小，这有利于聚类的长期发展和影响力保持。聚类Ⅳ是以Kim Sumin、Wi Seunghwan和Jeong Sugwang为代表的韩国学者集合体，其论文发表数量前二的学者均来自韩国延世大学，与中国学者联系密切，尚无法形成一个独立的研究机构聚类。
图4国际上热储能研究学者关联性图谱 研究机构和学者聚类的形成首先与地缘位置具有高度相关性，杰出学者或学者群带动了周边区域甚至国家的热储能技术研究水平的发展和提高。在学者合作图谱中，各聚类均与聚类Ⅰ存在学术交流的纽带，这些纽带多为在海外任职的华人学者以及有过留学经历的中国学者。从总体来看，聚类间的联系仍表现为相对独立的连线，尚未形成规模，特别是中东与欧洲国家几乎无直接的科研合作。因此，研究机构应该多争取国际合作项目并鼓励学者参加国际学术交流，促进规模性合作，推动热储能技术的研究发展。 从论文发表数量和交流合作两方面可以看出，中国已成为热储能研究领域的全球学术中心，这与国家的资金支持和“双碳”战略的提出密不可分。热储能新技术的初始研发和革新成本较高，需要持续、稳定、充足的资金支持，但较高的风险和较长的回报期使其难以受到私募股权和风险资本的青睐，因此在热储能新技术研发阶段的政策支持和公共资本投入显得尤为重要。 关键词是文献检索的重要依据，高度概括了论文的研究主题和方向。热储能研究关键词共现图谱如图5所示，以清晰直观的方式呈现出学者关注的研究方向，代表了热储能领域的研究热点。为使分析结果更加准确，基于VOSviewer软件的词库自定义文件，剔除共用关键词并合并同义词，完成文献数据清洗。
图5.热储能研究关键词共现图谱 由图5可见，相变材料（phase change material）吸引了众多学者的研究兴趣，出现频次高居首位。在同义关键词合并过程中发现相变材料的表达方式高达十余种，说明学术界对此尚无完全确定的命名定式，因此建议对相变材料相关文献检索时采用通配符并慎用固定短语检索，以全面及时获得最新学术文献。此外，潜热（latent heat）的出现频次排在了第五位，综合相变材料和潜热这两个关键词可以发现，在显热储热技术整体趋于成熟及热化学储热尚处于基础研究阶段的情况下，潜热储热，尤其是相变材料的研究和开发，以其较强的应用潜力和丰富的研究内容，成为了热储能领域的研究热点。 世界各国碳中和目标的提出大力推动了热储能技术的研究发展，如何提高运行性能和优化系统成为亟待解决的关键问题，因此性能（performance）和系统（system）的出现频次分列第二、三位。为了有效改善传热，学术界在提高热导率（conductivity）方面也投入了大量精力。表4为2022年被科学引文索引扩展检索的热储能研究文献中出现频次前五位的关键词，除热导率和潜热顺序对调外，统计结果与近十年数据高度吻合，相变材料、潜热储热、性能提升、系统设计和传热强化将是热储能领域未来研究的发展趋势。 表4 2022年热储能研究相关文献热点关键词
4 热储能在供热发电领域的应用进展 4.1蓄热式供热技术 由于热化学储热多处于实验室探索阶段、技术尚未成熟，本文重点阐述显热储热、潜热储热等技术在供热领域的应用进展。
图6.蓄热式供热技术 以水为介质的显热储热技术，系统简单，运行稳定可靠、研发时间较长、技术较为成熟，储热水罐是其中最具代表性的储热设备。Lavan与Thompson对储热水罐中的斜温层现象进行了实验研究，计算了不同的长径比、进出口温差和质量流量下系统的热提取率，采用雷诺数、长径比和基于储罐直径的格拉晓夫数拟合了热提取率的关联式，并提出基于多注水口和布水器布置的储放热性能提升方法，为储热水罐的设计和计算提供了理论指导。欧洲利用基于电力加热的储热水罐解决冬季负荷高峰的供热问题，并在美国工程应用。由于采用高品位电能直接加热给水存在巨大的㶲损失，抽取汽轮发电机组中间级的蒸汽作为热源可提高储放热的能量利用效率。 Verda与Colella采用Fluent软件建立轴对称热流体动力学模型，模拟了放热过程中储热水罐内部的温度场，首先发现湍流对流效应可极大提高有效热导率；然后计算了都灵地区的供热需求，并研究了两种机组配置模式下不同储罐容积对区域热网燃料消耗量、机组热负荷供应比例、发电量、年度总成本的影响，获得了基于燃料和经济性的系统最优储罐容积。结果表明引入储热水罐能够明显降低区域热网的能源消耗和运维成本。 作为单罐储热设备中的独有现象，斜温层及其内的热分层性能吸引了最多的研究关注。Rosen等的研究表明斜温层中的温度分布水平显著影响储放热效率。大量学者通过设计新型布水器、改良挡板形状和结构、优化入口装置和引入低热导率内衬材料等措施减弱混合效应，实现储热水罐热分层性能的改善。 以太阳能为热源的大容量储热水罐能够实现清洁高效供热，但较大的储罐体积会增加投资成本，不便于系统占地规划，且改造和维护困难。多罐模块化水储热装置将数个小体积的储罐相互连接，其造价较低，占地规划更加灵活，系统改造升级也更容易。Dickinson等开展了串联储热—串联放热、并联储热—并联放热和串联储热—并联放热等三种不同配置模式下的实验研究，分析了热分层等级、热水输送温度和太阳能保证率三个关键参数，并与TRNSYS模拟结果进行了对比。研究表明系统并联储热—并联放热运行能够获得最高的太阳能利用率；与具有相同容积和相同性能换热器的单储罐相比，该配置模式太阳能利用率达到97.7%。 然而，第一定律效率不考虑能量品味，㶲分析则关注了储放热过程中的不可逆性损失，因此第二定律效率比较了真实和理想系统性能的接近程度，确定了热力损失的原因和位置，从而为储热系统的改进和优化提供借鉴和参考。Osorio等开发了理论模型，分析放热功率恒定条件下质量流量分布均匀的多储罐系统、质量流量分布不均匀和质量流量可变的两储罐系统的热分层效应，结果表明混合是造成㶲损失的重要因素；采用多储罐能够改善热分层从而提高㶲效率。针对两储罐系统的性能优化，研究给出了以时间为自变量的质量流量分配函数。 此外，以水为介质的显热储热技术是常用的季节性储热解决方案，包括大型水体储热技术、地埋管式储热技术、含水层储热技术和水—砾石储热技术。然而，水储热较低的体积储热密度和储热/放热过程的温度波动会导致能量利用效率降低，需进一步提高储放热效率，减小热损失。 相变材料能够在恒定温度下吸收或释放大量潜热，将其添加到储热水罐可显著增大蓄热量和储能密度，有效提高太阳能供热系统性能。Wu等针对三水合醋酸钠相变材料与太阳能家用热水储罐耦合蓄热系统进行了实验和数值模拟研究，分析了入口流量和相变材料位置对热分层的影响，发现过大的入口流量会导致斜温层增厚并加剧储罐内的混合效应，而相变材料靠近热水入口能够改善热分层、提高系统的储放热性能。 Huang等和Wang等针对不同相变材料耦合水储热系统的研究也得出了相似结论。为缓解流量增加导致的储热水罐中的冷热水混合效应，Wang等提出了具有三层流道结构的新型布水器并进行了实验研究，以改善热分层。相变材料的添加量、布置方式以及与耦合储热介质匹配的罐体部件结构仍有待进一步研究。 固体储热技术上世纪八十年代已在欧美发达国家开展了工程应用。在供热领域，固体储热装置主要包括填充床和以耐火砖为代表的多孔蓄热体。填充床以电能作为热源加热固体颗粒，空气流经间隙与颗粒直接接触完成热量传递，升温后的空气通过换热器加热给水，最后热水用于供热。针对圆柱式球形固体颗粒填充床，Maaliou与McCoy以获得最大经济效益为目标，提出了优化空气流速、填充床结构以及颗粒直径等参数的方法。 以太阳能作为填充床热源，可节省电能，逐渐成为了研究趋势。低温太阳能填充床储热系统以铝、砖、混凝土、铸铁、纯铁、氯化钙、铜、花岗岩和岩石（石灰石、大理石、砂岩）等为填料，易于建设、投资成本低。由于太阳能的间歇性，其集热器出口温度会在午后逐渐降低，此时若持续将空气导入填充床系统，会造成蓄热量减小，热分层水平下降。基于此，Türkakar建立了一维瞬态有限差分模型，考虑了放热过程风扇的寄生功耗，分析了由铸铁、铜、岩石三种不同体积热容材料组成的分层填充床储热系统热、㶲利用性能，依据热分层程度、储热量和㶲以及空间供暖释放热量，确定了最优储热周期，结果表明采用分段床层能够有效提高填充床储热系统的蓄热量和热分层水平。 以硅镁耐火砖为储热介质的固体蓄热式电锅炉技术发展成熟，近年来研究主要集中在优化参数设计、提高传热性能和弃电消纳能力评价等方面。邢作霞等采用流固耦合方法对蓄热结构传热过程进行数值模拟，分析蓄热结构内部温度变化及流体动力学特性，优化了通道结构、隙率及进口空气流速等参数，并完成了250 kW实验台性能验证。曹丽华等提出了热化风电消纳系数，采用两级评价体系，综合考虑能源、运行及经济三个一级目标和多个二级目标，通过计算评价固体蓄热式电锅炉的弃电消纳能力。 此外，近年来相变电储热技术依托于电锅炉和固体电蓄热装置，在供热领域崭露头角。一种是以相变材料替代电锅炉中热水，另一种是将相变材料砖作为固体蓄热介质，存储低谷电制取的热量，并根据需求完成供热负荷调配。当前研究仅集中于应用形式设计和经济性评估方面。此外，潜热储热材料与建筑维护结构结合有助于保持室内温度在舒适范围内，降低室内冷暖调节的能耗。 4.2热电解耦技术 我国北方地区的燃煤热电机组冬季要满足供热需求，由于系统灵活性受限，无法参与深度调峰，造成了严重弃风弃光，亟需高效灵活热电解耦技术促进消纳更多的可再生能源电力。 热储能可有效存储汽轮机抽汽及风光弃电制热，并根据供热负荷需求进行调控放热，增加热电联产机组运行灵活性，提高能量利用效率。如上所述，当前火力发电厂热电解耦主要依靠储热水罐和固体电蓄热装置。在储热装置与火电机组的适配性评价和协调调度方面，金国强等计算了某330 MW抽汽式供热机组加装储热罐前后的安全性，量化了供热和发电解耦指标并进行了对比分析，结果表明储热罐改造能够大幅提升机组的热电解耦和深度调峰能力。 孙鹏等基于ANSYS软件模拟了固态蓄热体的温度场，并分别建立了固体蓄热式电锅炉、供热网络和建筑物热惯性模型，以最小化综合运行成本为优化目标，考虑机组、电网和热负荷需求等约束条件，对东北某热电联供系统进行优化求解，结果表明考虑热力系统多重热惯性的电热联合协调优化运行策略可以有效降低电热耦合强度，提高系统的灵活性和经济性。 在太阳能热发电领域，熔盐是260℃~600℃温度范围典型的储热介质，具有较佳的传热性能和稳定性，已经实现了规模应用。将熔盐储热装置集成到大型火力发电系统，可以深度利用燃煤发电机组的转动惯量和无功功率，是在保持较高热、㶲利用效率同时实现热电解耦的潜在方案。Zhang等提出了基于高温烟气和过热蒸汽的新型熔盐储热系统，模拟了储放热和机组运行性能并进行了㶲分析，结果表明熔盐储热的集成协同改善了热力系统运行灵活性和热效率，在维持锅炉稳定燃烧的前提下，机组最小出力从30%下降到14.5%，通过热源和热存储介质之间的适当匹配，储放热等效循环效率可达85.17%，大大降低㶲损失。 Yong等设计了一种超临界燃煤机组耦合熔盐储热电网级储能系统，基于Ebsilion仿真软件搭建了详细的热力学模型并对比分析经济性。该研究对现有的600MW超临界机组进行工程改造，使用熔盐储热系统取代原有锅炉，在电网负荷低谷时，利用电阻加热器将富裕电力转换为热能并储存在高温熔盐储罐中；在电网负荷高峰时，储存的热能被交换到蒸汽透平做功。热力学分析结果显示：满负荷时耦合储热的燃煤电厂热效率为41.8%，略高于传统燃煤电厂的40.3%；低负荷工况效率可从33.1%提升到36.9%；机组负荷调节范围为15%~100%，爬坡率达到5%/min，最优情况下可获得0.2元/kW·h的平准化度电成本。尽管当前研究仍多为系统的模拟及理论分析层面，但基于熔盐储热的燃煤发电机组高效灵活热电解耦技术具有巨大的工程应用潜力。 5 总结 热储能作为削峰填谷的能量调节技术，能够提高联产机组运行灵活性和供热过程的能量利用效率，并将成为带动热电双供技术创新突破的重要引领。本文首先根据工作原理对热储能技术进行梳理并总结研究现状，之后采用VOSviewer软件分析热储能领域的研究合作情况及热点趋势，最后简要介绍热储能技术在蓄热式供热和热电解耦领域的应用进展，主要结论如下： （1）热储能技术可分为显热储热、潜热储热和热化学储热。显热储热成本低廉、技术成熟度最高，提高储放热循环效率为当前主要突破方向；潜热储热的储能密度高、储热/放热过程温度近乎恒定，已开始规模化应用尝试，仍需解决相分离、过冷等问题；热化学储热储能密度最高，有望实现热能的长期储存，由于系统复杂、辅助设备多，尚处于基础研究阶段。 （2）近10年世界范围内热储能领域研究机构呈现出中国、中东/印度和西班牙三大聚类，随之产生三个对应的主要学者聚类。热储能技术研究中心随着时间的进展出现转移，在我国的资金支持和“双碳”战略的推动下，中国已成为热储能研究领域的全球学术中心。相变材料、潜热储热、性能提升、系统设计和传热强化将是热储能领域未来研究发展的趋势方向。 （3）显热储热和潜热储热技术在利用太阳能和冗余电力供热方面实现了工程应用。当前火力发电厂热电解耦主要依靠储热水罐和固体电蓄热装置。相变材料能够在恒定温度下吸收或释放大量潜热，将其用于水储热和固体蓄热介质可显著增大储能密度，提高能源利用效率。将熔盐储热装置集成到大型燃煤发电机组，可以实现高效灵活热电解耦，提升热/㶲效率，具有巨大的工程应用潜力。 |
|
|
