中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘要：新型儲(chǔ)能技術(shù)日益成為中國(guó)建設(shè)新型能源體系和新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，已成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)能，將在促進(jìn)可再生能源消納、實(shí)現(xiàn)能源體系轉(zhuǎn)型、提高能源利用效率、減少環(huán)境污染等方面發(fā)揮重要作用，相關(guān)技術(shù)研究也在快速發(fā)展。開(kāi)展了該領(lǐng)域的系列評(píng)價(jià)性綜述工作，分為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、物理儲(chǔ)能與儲(chǔ)熱技術(shù)、儲(chǔ)能集成與規(guī)劃3個(gè)部分，對(duì)各類新型儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域、最新研究進(jìn)展及局限性等問(wèn)題進(jìn)行了全面系統(tǒng)的對(duì)比分析，并進(jìn)一步探討了儲(chǔ)能集成、安全、規(guī)劃調(diào)度等儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)。
第2部分為物理儲(chǔ)能與儲(chǔ)熱技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)物理儲(chǔ)能與儲(chǔ)熱技術(shù)中的壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)熱、熱化學(xué)儲(chǔ)熱和卡諾電池技術(shù)與工程的相關(guān)成果進(jìn)行了綜合分析與討論?？傮w而言，物理儲(chǔ)能和儲(chǔ)熱技術(shù)大多具有使用壽命長(zhǎng)、安全性高的特點(diǎn)，且在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中自身多具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，屬于電網(wǎng)支撐型的儲(chǔ)能技術(shù)，可滿足從大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能到高功率快速響應(yīng)的不同需求。在新興的物理儲(chǔ)能和儲(chǔ)熱技術(shù)中，重力儲(chǔ)能和卡諾電池的相關(guān)技術(shù)顯示出良好的發(fā)展前景。
引言
全面系統(tǒng)地對(duì)比分析各種儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)特性、技術(shù)成熟度、挑戰(zhàn)和局限性具有重大意義，有助于明確新型儲(chǔ)能技術(shù)未來(lái)主要的發(fā)展方向，為從事儲(chǔ)能技術(shù)研究攻關(guān)的科研工作者提供參考與借鑒?；诖?，本工作開(kāi)展新型儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的系列評(píng)價(jià)性綜述，以新型儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)為主線，重點(diǎn)分為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、物理儲(chǔ)能與儲(chǔ)熱技術(shù)、儲(chǔ)能集成和規(guī)劃3個(gè)部分，對(duì)新型儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題等進(jìn)行綜述與討論。
新型儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速，其市場(chǎng)份額從2019年的不足8%上升至2023年的超過(guò)30%。其中，物理儲(chǔ)能和儲(chǔ)熱技術(shù)以熔鹽儲(chǔ)熱、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能為代表，各自市場(chǎng)份額占新型儲(chǔ)能技術(shù)市場(chǎng)份額的比重分別為3.0%、0.9%和0.2%。本文為該系列論文的第2部分——物理儲(chǔ)能與儲(chǔ)熱技術(shù)，主要針對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)熱、熱化學(xué)儲(chǔ)熱和卡諾電池的應(yīng)用領(lǐng)域、最新研究進(jìn)展及局限性等問(wèn)題進(jìn)行討論。
1)在物理儲(chǔ)能技術(shù)方面：壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)技術(shù)近年來(lái)取得了顯著的進(jìn)步，在中國(guó)，該技術(shù)的商業(yè)化項(xiàng)目正在快速推進(jìn)，比如：張家口100 MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范項(xiàng)目的成功并網(wǎng)，標(biāo)志著壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)正逐步進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)因具有功率密度大、使用壽命長(zhǎng)和響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)和短時(shí)能量平衡。近年來(lái)，真空環(huán)境和磁懸浮軸承技術(shù)的應(yīng)用大幅減少了摩擦損失和能量消耗，進(jìn)一步提升了儲(chǔ)能效率。重力儲(chǔ)能技術(shù)作為一種新興的儲(chǔ)能方式，具有環(huán)保、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)該技術(shù)的研究重點(diǎn)主要集中在系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、材料選擇和施工技術(shù)等方面，以提高儲(chǔ)能效率和降低成本。
2)在儲(chǔ)熱技術(shù)方面：隨著新型相變材料(PCM)(例如：有機(jī)相變材料、納米復(fù)合相變材料等)的研發(fā)，相變材料的儲(chǔ)熱密度、熱穩(wěn)定性和循環(huán)性能均得到顯著提升，相變儲(chǔ)熱技術(shù)在太陽(yáng)能利用、建筑節(jié)能、電力調(diào)峰等領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)具有能量密度高、儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，隨著新型熱化學(xué)儲(chǔ)熱材料(例如：金屬氧化物、氫氧化物等)的開(kāi)發(fā)、熱化學(xué)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的集成，以及反應(yīng)器的優(yōu)化，熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)的儲(chǔ)能效率和穩(wěn)定性均得到提高，在太陽(yáng)能熱發(fā)電、工業(yè)過(guò)程熱管理等領(lǐng)域獲得應(yīng)用?？ㄖZ電池技術(shù)結(jié)合了熱力循環(huán)和儲(chǔ)熱技術(shù)，是一種新型的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有更高的理論儲(chǔ)能效率和靈活性。隨著熱力循環(huán)技術(shù)的優(yōu)化和儲(chǔ)熱材料的改進(jìn)，卡諾電池的儲(chǔ)能效率和經(jīng)濟(jì)性均得到了提升，其在電網(wǎng)調(diào)峰、冷熱電聯(lián)供等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
1 物理儲(chǔ)能技術(shù)
1.1 壓縮空氣儲(chǔ)能
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是利用壓縮空氣存儲(chǔ)能量的物理儲(chǔ)能技術(shù)，具有容量大、安全性高、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，是一種可與抽水蓄能相媲美的大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)。由于傳統(tǒng)的非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)存在依賴化石能源燃燒及儲(chǔ)能效率低等問(wèn)題，近年來(lái)，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)和液化壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)等先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)引起了廣泛研究。其中，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展最為成熟，目前已達(dá)到300 MW級(jí)的電站示范階段，系統(tǒng)設(shè)計(jì)額定效率達(dá)到了72.1%；液化壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)目前處于10 MW級(jí)的電站示范階段；等溫壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)目前處于1 MW級(jí)的試驗(yàn)示范階段。
當(dāng)前，眾多研究主要集中在構(gòu)建壓縮空氣儲(chǔ)能與風(fēng)電、聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電及光伏發(fā)電等可再生能源電力集成的耦合系統(tǒng)方面，對(duì)其開(kāi)展了理論分析，并探討了通過(guò)與外部熱源及有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電等集成的方式來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在關(guān)鍵部件層面，研發(fā)主要針對(duì)適應(yīng)壓縮空氣儲(chǔ)能動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性的高效空氣壓縮機(jī)和膨脹機(jī)，同時(shí)也有大量針對(duì)新型蓄熱器的研發(fā)工作。
然而當(dāng)前大部分的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究仍停留在理論研究層面，缺乏與儲(chǔ)能電站試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的對(duì)比研究，尤其是關(guān)鍵數(shù)據(jù)(例如：儲(chǔ)能效率)的理論值與試驗(yàn)值仍存在較大偏差。同時(shí)，實(shí)際儲(chǔ)能電站接入電網(wǎng)后的儲(chǔ)釋能動(dòng)態(tài)過(guò)程、儲(chǔ)能電站與可再生能源發(fā)電場(chǎng)站集成的動(dòng)態(tài)和試驗(yàn)示范等研究仍有待深入開(kāi)展。
1.2 飛輪儲(chǔ)能
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)具有功率密度大、使用壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、全壽命期成本低等特點(diǎn)。該技術(shù)的適用場(chǎng)景包括充當(dāng)不間斷電源、穩(wěn)定電壓、電網(wǎng)輔助調(diào)頻、平抑新能源發(fā)電輸出功率等。由于單臺(tái)飛輪的功率容量有限，不能滿足各場(chǎng)景需求，因此通常以陣列形式應(yīng)用。單臺(tái)飛輪及飛輪儲(chǔ)能陣列的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
在飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的相關(guān)研究中，Zhang等探究了初始偏心對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子的影響。胡東旭等通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兆瓦級(jí)飛輪軸系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。林大方等設(shè)計(jì)了復(fù)雜工況下儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子的傳力支承結(jié)構(gòu)，解決了復(fù)雜工況下的設(shè)計(jì)難題。Wei等提出了基于自抗擾控制的直流母線電壓控制策略，提升了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能。Qin等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的情況下，
圖1 單臺(tái)飛輪及飛輪儲(chǔ)能陣列的結(jié)構(gòu)示意圖
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)可使電網(wǎng)頻率偏差減少57.1%，波動(dòng)范圍減少53.8%，提升了電網(wǎng)頻率質(zhì)量。洪烽等通過(guò)將飛輪儲(chǔ)能技術(shù)用于火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型，降低了系統(tǒng)頻率偏差，并延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。梁志宏等優(yōu)化了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的磁軸承性能，通過(guò)工程應(yīng)用驗(yàn)證了電力級(jí)大功率飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)耦合火電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行的協(xié)調(diào)控制策略及其經(jīng)濟(jì)性。
在大功率高速飛輪本體方面，尚存在以下技術(shù)難點(diǎn)需要突破，具體為：1)計(jì)及效率、安全性、儲(chǔ)能量和成本的大功率高速飛輪的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)；2)真空環(huán)境下大功率高速電機(jī)的冷卻與絕緣技術(shù)；3)復(fù)雜工況下，高可靠、強(qiáng)抗擾的飛輪軸系振動(dòng)抑制技術(shù)。
在電網(wǎng)調(diào)頻應(yīng)用方面，尚存在以下技術(shù)難點(diǎn)需要突破，具體為：1)飛輪單機(jī)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制技術(shù)；2)飛輪儲(chǔ)能陣列功率一致性及寬功率域穩(wěn)定控制技術(shù)；3)面向電網(wǎng)主動(dòng)支撐的飛輪儲(chǔ)能陣列協(xié)同調(diào)控和能量管理技術(shù)。
1.3 重力儲(chǔ)能
重力儲(chǔ)能的工作原理與抽水蓄能的工作原理類似，但其采用固體儲(chǔ)能介質(zhì)，擺脫了抽水蓄能受地理?xiàng)l件限制的問(wèn)題，適用于風(fēng)光資源豐富且地理環(huán)境復(fù)雜的新能源大基地，具有長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能、大容量?jī)?chǔ)能、儲(chǔ)能介質(zhì)無(wú)衰減、建設(shè)周期短、使用壽命長(zhǎng)及環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。
雖然重力儲(chǔ)能的工作原理簡(jiǎn)單，但其形式多樣，根據(jù)固體儲(chǔ)能介質(zhì)(即儲(chǔ)能質(zhì)量塊)的運(yùn)行軌跡，重力儲(chǔ)能可分為垂直式重力儲(chǔ)能和斜坡式重力儲(chǔ)能兩大類，工作原理示意圖如圖2所示。圖中：h1、h2、h3分別為加速區(qū)、勻速區(qū)、減速區(qū)的高度；m為儲(chǔ)能質(zhì)量塊的質(zhì)量；h為斜坡高度；θ為斜坡傾角。
按儲(chǔ)能塔不同的結(jié)構(gòu)形式，垂直式重力儲(chǔ)能可細(xì)分為塔式、矩陣式及豎井式重力儲(chǔ)能；按固體儲(chǔ)能介質(zhì)不同的傳動(dòng)方式，斜坡式重力儲(chǔ)能可細(xì)分為斜坡軌道式、懸架纜車式與斜坡纜軌式重力儲(chǔ)能。
圖2 垂直式重力儲(chǔ)能與斜坡式重力儲(chǔ)能的工作原理示意圖
國(guó)際方面，瑞士Enegy Vault(EV)公司、英國(guó)Gravitricity公司、美國(guó)Advanced Rail Energy Storage(ARES)公司、奧地利IIASA研究所與美國(guó)Energy Cache公司都開(kāi)展了針對(duì)不同類型重力儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)路徑的研究。2019年，瑞士EV公司在瑞士的提契諾州建設(shè)了5MW/35MWh儲(chǔ)能塔式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，并于2020年實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)驗(yàn)證；同年，該技術(shù)被世界經(jīng)濟(jì)論壇評(píng)為“2020年技術(shù)先鋒”之一，并在此后成為全球新型儲(chǔ)能技術(shù)研究的熱點(diǎn)。
國(guó)內(nèi)方面，中電普瑞電力工程有限公司、華北電力大學(xué)、國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司聯(lián)合開(kāi)展了斜坡式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與控制技術(shù)研究；國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院和華北電力大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展了垂直式矩陣型重力儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究；中國(guó)南方電網(wǎng)貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司(下文簡(jiǎn)稱為“南網(wǎng)貴州電網(wǎng)公司”)、華北電力大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展了斜坡式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及工程全景方案設(shè)計(jì)；華北電力大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院電工研究所等單位也聯(lián)合開(kāi)展了垂直式和斜坡式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、并網(wǎng)及運(yùn)行控制技術(shù)的相關(guān)研究。
在垂直式重力儲(chǔ)能應(yīng)用方面，中國(guó)天楹股份有限公司(下文簡(jiǎn)稱為“中國(guó)天楹公司”)引進(jìn)EVx技術(shù)方案，在江蘇省投資建設(shè)了全球首個(gè)百兆瓦時(shí)重力儲(chǔ)能示范工程——如東25MW/100MWh垂直式重力儲(chǔ)能項(xiàng)目。該工程于2023年9月封頂，并于2024年5月完成首套充放電單元的測(cè)試。同時(shí)，中國(guó)天楹公司擬在甘肅省張掖市、酒泉市，河北省張家口市懷來(lái)縣建設(shè)3套垂直式重力儲(chǔ)能示范工程。2024年4月，中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司擬在河北省張家口市赤城縣建設(shè)60MW/360MWh豎井式重力儲(chǔ)能示范工程，并與華北電力大學(xué)簽署了重力儲(chǔ)能全場(chǎng)景動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)共建合作協(xié)議。
在斜坡式重力儲(chǔ)能應(yīng)用方面，美國(guó)ARES公司建設(shè)了50MW/12.5MWh的斜坡軌道式重力儲(chǔ)能示范工程；美國(guó)Energy Cache公司建設(shè)了50 kWh的懸架纜車式重力儲(chǔ)能工程；南網(wǎng)貴州電網(wǎng)公司建設(shè)了基于鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)的10kW斜坡軌道式重力儲(chǔ)能樣機(jī)。
重力儲(chǔ)能具體分類及應(yīng)用情況如圖3所示。
圖3 重力儲(chǔ)能的具體分類及應(yīng)用情況
重力儲(chǔ)能的技術(shù)挑戰(zhàn)在于如何突破儲(chǔ)能質(zhì)量塊重量與勢(shì)能位高度的限制，在考慮低成本、短周期、長(zhǎng)時(shí)、大容量、高儲(chǔ)能效率的前提下，設(shè)計(jì)儲(chǔ)能質(zhì)量塊重量、儲(chǔ)能高度差與構(gòu)筑結(jié)構(gòu)的最佳組合及最優(yōu)結(jié)構(gòu)；同時(shí)，重力儲(chǔ)能的機(jī)電耦聯(lián)系統(tǒng)復(fù)雜，使機(jī)網(wǎng)(即重力儲(chǔ)能發(fā)電電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)之間)互動(dòng)與精密控制的難度大，亟待突破系統(tǒng)建模理論、系統(tǒng)能效提升、機(jī)網(wǎng)聯(lián)合調(diào)控等核心技術(shù)，為國(guó)產(chǎn)化重力儲(chǔ)能的成套方案設(shè)計(jì)與示范工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。
2 儲(chǔ)熱技術(shù)
2.1 相變儲(chǔ)熱
相變儲(chǔ)熱技術(shù)在建筑節(jié)能、電子器件及鋰電池的熱管理、工業(yè)余熱回收、電力儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。相變儲(chǔ)熱的基本原理是利用材料相變潛熱的釋放與吸收來(lái)存儲(chǔ)熱量，具有儲(chǔ)熱密度高、溫度變化小的特點(diǎn)。由于傳統(tǒng)相變儲(chǔ)熱材料本身具有導(dǎo)熱系數(shù)低、易泄露等問(wèn)題，因此新型相變儲(chǔ)熱材料的開(kāi)發(fā)和改性增強(qiáng)，以及相變儲(chǔ)熱單元的設(shè)計(jì)及強(qiáng)化傳熱成為當(dāng)前相變儲(chǔ)熱的研究熱點(diǎn)。
在新型相變儲(chǔ)熱材料的開(kāi)發(fā)和改性增強(qiáng)方面，在儲(chǔ)熱材料中添加高導(dǎo)熱系數(shù)的納米材料(例如：二氧化硅納米顆粒及碳納米管)制備高性能納米復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料、與高導(dǎo)熱系數(shù)的材料基體(例如：石墨烯及膨脹石墨等)復(fù)合制備定型復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料，以及利用化學(xué)或物理化學(xué)等方法對(duì)相變儲(chǔ)熱材料進(jìn)行微封裝，將其制成高儲(chǔ)熱性能的核殼結(jié)構(gòu)相變微膠囊是當(dāng)前研究最多的相變儲(chǔ)熱材料的改性增強(qiáng)方式。
在相變儲(chǔ)熱單元的強(qiáng)化傳熱方面，在相變儲(chǔ)熱裝置內(nèi)添加各式各樣的高導(dǎo)熱翅片，添加多孔泡沫導(dǎo)熱系數(shù)金屬，施加超聲波、電場(chǎng)及磁場(chǎng)等外部場(chǎng)手段，以及施加外部壓力或旋轉(zhuǎn)等方式都是相變儲(chǔ)熱單元強(qiáng)化傳熱的常見(jiàn)手段。
雖然已有的研究結(jié)果表明了相變儲(chǔ)熱材料的性能及相變儲(chǔ)熱單元的儲(chǔ)熱、釋熱速率都有所提升，但是相變儲(chǔ)熱材料改性增強(qiáng)后的循環(huán)穩(wěn)定性及其導(dǎo)致的成本提升給相變儲(chǔ)熱技術(shù)的推廣帶來(lái)了難題。因此，在深入理解各種增強(qiáng)方式的機(jī)理上，尋找兼具性能與經(jīng)濟(jì)性的相變儲(chǔ)熱技術(shù)是研究人員面臨的重要挑戰(zhàn)。
2.2 熱化學(xué)儲(chǔ)熱
熱化學(xué)儲(chǔ)熱是利用可逆反應(yīng)，將高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)換為化學(xué)能并儲(chǔ)存于反應(yīng)介質(zhì)中，需要使用時(shí)再通過(guò)逆向熱化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能逆轉(zhuǎn)成熱能，并釋放出來(lái)，示意圖如圖4所示。圖中：A、B、C代表不同物質(zhì)；ΔH為焓值。與顯熱儲(chǔ)熱和潛熱儲(chǔ)熱相比，熱化學(xué)儲(chǔ)熱具有儲(chǔ)熱密度高、儲(chǔ)熱時(shí)間長(zhǎng)、能量損失小等優(yōu)點(diǎn)。因此，熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)在具有波動(dòng)性的綠色能源整合、太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，以及工業(yè)余熱回收和再利用等多個(gè)方面都具有廣泛的應(yīng)用前景。
圖4 熱化學(xué)儲(chǔ)熱、釋熱示意圖
當(dāng)前，針對(duì)熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)的研究眾多，研究領(lǐng)域主要涉及儲(chǔ)熱材料和反應(yīng)器等方面。目前已開(kāi)發(fā)的熱化學(xué)儲(chǔ)熱循環(huán)有70種以上，具有較寬的適用工作溫度范圍和較大的儲(chǔ)熱密度范圍。常見(jiàn)熱化學(xué)儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱密度與工作溫度對(duì)比如圖5所示。華北電力大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)等院校對(duì)碳酸鹽、氫氧化物、水合鹽熱分解和金屬氧化物等典型熱化學(xué)儲(chǔ)熱體系開(kāi)展了研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了各熱化學(xué)儲(chǔ)熱體系的可行性。
圖5 常見(jiàn)熱化學(xué)儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱密度與工作溫度對(duì)比
熱化學(xué)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率在很大程度上取決于反應(yīng)器的選擇和設(shè)計(jì)。目前，已開(kāi)發(fā)的典型反應(yīng)器類型主要有：固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器、旋風(fēng)反應(yīng)器等，如圖6所示。
圖6 已開(kāi)發(fā)的典型熱化學(xué)儲(chǔ)熱系統(tǒng)反應(yīng)器類型
其中，固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是目前熱化學(xué)儲(chǔ)熱系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的反應(yīng)器；流化床反應(yīng)器的應(yīng)用也較為廣泛；回轉(zhuǎn)窯反應(yīng)器和旋風(fēng)反應(yīng)器均屬于動(dòng)力輔助反應(yīng)器，在動(dòng)力輔助反應(yīng)器中發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)時(shí)，多余的熱量能及時(shí)被導(dǎo)出，具有較強(qiáng)的傳熱能力和較好的反應(yīng)能力。
熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)的研究大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究、初試及中試階段。中國(guó)在熱化學(xué)儲(chǔ)熱領(lǐng)域的研究仍處于起步階段，尚未有規(guī)?；瘧?yīng)用的商業(yè)熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)，眾多基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和應(yīng)用技術(shù)仍待發(fā)展。
2.3 卡諾電池
卡諾電池(也稱為熱泵儲(chǔ)電，pumped thermal electricity storage，PTES)基于經(jīng)典熱力學(xué)循環(huán)，通過(guò)“電-熱-電”轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電能的大規(guī)模儲(chǔ)存。以基于布雷頓循環(huán)的卡諾電池技術(shù)為代表，其工作原理為：通常采用氣相工質(zhì)作為充放電循環(huán)的工質(zhì)；在儲(chǔ)能期間，可逆壓縮機(jī)與膨脹機(jī)組成高溫度比的熱泵，通過(guò)充電循環(huán)將輸入的電能轉(zhuǎn)換為熱能存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱單元中；在釋能期間，可逆壓縮機(jī)作為熱機(jī)，將熱能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行輸出利用。布雷頓循環(huán)卡諾電池系統(tǒng)具有儲(chǔ)能溫度高、往返效率(即電-電轉(zhuǎn)換效率)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前最主流的高溫卡諾電池系統(tǒng)。
卡諾電池技術(shù)不受地理?xiàng)l件和材料限制，成本低廉，有望實(shí)現(xiàn)吉瓦時(shí)級(jí)的電量?jī)?chǔ)存。此外，將卡諾電池技術(shù)與燃煤發(fā)電機(jī)組的熱力系統(tǒng)集成，能提升燃煤發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰性能，適用于燃煤電廠退役改造為儲(chǔ)能電站。
為了降低壓縮機(jī)中的升溫比和提高循環(huán)效率，通常采用回?zé)嵫h(huán)，因此在卡諾電池系統(tǒng)中設(shè)置回?zé)崞鳎椿責(zé)峥ㄖZ電池系統(tǒng)。以液態(tài)工質(zhì)作為儲(chǔ)能介質(zhì)的回?zé)峥ㄖZ電池系統(tǒng)通過(guò)外部換熱器向環(huán)境散熱，其布局圖及溫度-比熵(T-s)圖如圖7所示。圖7a中的箭頭表示系統(tǒng)充能過(guò)程中工質(zhì)的流動(dòng)方向，釋能過(guò)程中工質(zhì)的流動(dòng)方向與之相反。
圖7 以液態(tài)工質(zhì)作為儲(chǔ)能介質(zhì)的回?zé)峥ㄖZ電池系統(tǒng)的布局圖及溫度-比熵圖
楊鶴等以氮?dú)庾鳛槌浞烹娧h(huán)工質(zhì)，基于遺傳算法實(shí)現(xiàn)了回?zé)峥ㄖZ電池系統(tǒng)的往返效率、儲(chǔ)能密度、功率密度的多目標(biāo)優(yōu)化。利用LINMAP決策方法在帕累托(Pareto)前沿解集中確定了該回?zé)峥ㄖZ電池系統(tǒng)集成的最優(yōu)運(yùn)行方案，優(yōu)化后系統(tǒng)的往返效率為65.6%、儲(chǔ)能密度為25.6 kWh/m3、功率密度為2.45 MW?(m3/s)-1，提升了往返效率并相應(yīng)降低了儲(chǔ)罐、儲(chǔ)能介質(zhì)、絕熱材料和占地面積的成本。
卡諾電池經(jīng)常處于非額定工況狀態(tài)，需深入研究其動(dòng)態(tài)特性，但當(dāng)前研究多集中在穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)與控制參數(shù)方面，針對(duì)動(dòng)態(tài)特性的研究不足。Yang等基于渦輪機(jī)械和換熱器模型建立了卡諾電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，通過(guò)采用庫(kù)存控制策略，對(duì)電功率和負(fù)荷擾動(dòng)進(jìn)行研究，并通過(guò)張北地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，證明了該庫(kù)存控制策略的可行性和有效性。
利用卡諾電池代替燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐，構(gòu)成了熔鹽卡諾電池儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)。此類系統(tǒng)選用高溫?zé)岜孟到y(tǒng)作為電轉(zhuǎn)熱部分，以高低溫熔鹽系統(tǒng)作為儲(chǔ)熱部分，同時(shí)保留燃煤電廠的發(fā)電循環(huán)作為熱轉(zhuǎn)電部分。熔鹽卡諾電池儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的布局圖如圖8所示，該系統(tǒng)通過(guò)可再生能源電廠的“棄電”或電網(wǎng)的低谷電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將循環(huán)工質(zhì)絕熱壓縮為高溫高壓狀態(tài)，高溫工質(zhì)通過(guò)換熱器加熱熔鹽，進(jìn)而將熱量?jī)?chǔ)存于高溫熔鹽罐中；熔鹽流體加熱蒸汽后，高溫高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。熔鹽卡諾電池儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)有效利用了原燃煤電廠的設(shè)備，降低了改造成本，在可再生能源消納、儲(chǔ)電系統(tǒng)建設(shè)方面具有巨大應(yīng)用潛力，并可為退役后的燃煤電廠提供新的利用途徑。
圖8 熔鹽卡諾電池儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的布局圖
熔鹽卡諾電池儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是基于經(jīng)典熱力學(xué)循環(huán)，其熱泵系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)對(duì)制熱系數(shù)和儲(chǔ)能性能至關(guān)重要。為優(yōu)化熔鹽卡諾電池儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率、儲(chǔ)能密度，需對(duì)循環(huán)參數(shù)、工質(zhì)的選擇、高溫儲(chǔ)熱技術(shù)，以及強(qiáng)化傳熱技術(shù)進(jìn)行深入研究；同時(shí)，大容量極端高溫?zé)岜弥茻峒夹g(shù)和關(guān)鍵裝備(例如：壓縮機(jī)/膨脹機(jī))也需突破。
3 總結(jié)與展望
作為新型儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域系列評(píng)價(jià)性綜述的第2部分，本文對(duì)重要的物理儲(chǔ)能與儲(chǔ)熱技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域、最新研究進(jìn)展及局限性等問(wèn)題進(jìn)行了闡述和討論?？傮w而言，物理儲(chǔ)能和儲(chǔ)熱技術(shù)大多具有使用壽命長(zhǎng)、安全性高的特點(diǎn)，且在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中自身多具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，屬于電網(wǎng)支撐型的儲(chǔ)能技術(shù)，可滿足從大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能到高功率快速響應(yīng)的不同需求。在新興的物理儲(chǔ)能和儲(chǔ)熱技術(shù)中，重力儲(chǔ)能和卡諾電池的相關(guān)技術(shù)顯示出良好的發(fā)展前景。
1)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，尤其是絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)已達(dá)到300MW規(guī)模級(jí)電站示范階段，系統(tǒng)設(shè)計(jì)額定效率高達(dá)72.1%。該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)主要包括：在關(guān)鍵數(shù)據(jù)(例如：儲(chǔ)能效率)上理論值與試驗(yàn)值存在較大偏差，對(duì)實(shí)際儲(chǔ)能電站接入電網(wǎng)后的儲(chǔ)釋能動(dòng)態(tài)過(guò)程及其與可再生能源發(fā)電場(chǎng)站集成的研究不足。未來(lái)研究需加強(qiáng)試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以推動(dòng)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
2)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的研究聚焦于飛輪本體設(shè)計(jì)、控制策略及電網(wǎng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證和頻率質(zhì)量提升。然而，大功率高速飛輪面臨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)優(yōu)化、冷卻與絕緣技術(shù)、振動(dòng)抑制等挑戰(zhàn)，而電網(wǎng)調(diào)頻也需要突破單機(jī)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、飛輪儲(chǔ)能陣列功率一致性及協(xié)同調(diào)控等難點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)更高效、可靠的能源存儲(chǔ)與管理。
3)重力儲(chǔ)能技術(shù)通過(guò)固體介質(zhì)突破了地理限制，建設(shè)周期短且環(huán)境友好。國(guó)內(nèi)外企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)在垂直式和斜坡式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)方面取得顯著進(jìn)展，并建設(shè)多個(gè)示范工程。在技術(shù)發(fā)展方面還需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)與構(gòu)筑結(jié)構(gòu)，并突破機(jī)網(wǎng)互動(dòng)與精密控制等核心技術(shù)，為重力儲(chǔ)能技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
4)相變儲(chǔ)能技術(shù)以其高儲(chǔ)熱密度和溫度穩(wěn)定性在建筑節(jié)能領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)前研究集中在新型相變儲(chǔ)熱材料的開(kāi)發(fā)、改性增強(qiáng)，以及相變儲(chǔ)熱單元的強(qiáng)化傳熱方面。然而，循環(huán)穩(wěn)定性和成本問(wèn)題仍是相變儲(chǔ)熱技術(shù)推廣應(yīng)用的挑戰(zhàn)，尋找兼具性能與經(jīng)濟(jì)性的相變儲(chǔ)熱技術(shù)是未來(lái)研究的重要方向。
5)熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)以其高儲(chǔ)熱密度、長(zhǎng)儲(chǔ)熱時(shí)間和低能量損失展現(xiàn)出巨大潛力，目前的研究方向涵蓋了多種熱化學(xué)儲(chǔ)熱體系和反應(yīng)器類型；優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)新型反應(yīng)器是提高儲(chǔ)熱效率的關(guān)鍵。
6)卡諾電池技術(shù)基于熱力學(xué)循環(huán)實(shí)現(xiàn)電能與熱能的轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存，具有理論清晰、無(wú)地理?xiàng)l件和材料限制的優(yōu)勢(shì)，尤其在吉瓦時(shí)級(jí)電量?jī)?chǔ)存和燃煤機(jī)組改造方面展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。目前，該技術(shù)仍需深入研究系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化、工質(zhì)選擇、高溫儲(chǔ)熱技術(shù)及強(qiáng)化傳熱技術(shù)，并突破大容量、高性能系數(shù)(COP)的極端高溫?zé)岜弥茻峒夹g(shù)和關(guān)鍵裝備的研發(fā)，克服這些挑戰(zhàn)將有助于卡諾電池技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
