固体储热技术研究进展

刘冠杰;韩立鹏;王永鹏;江建忠

【摘 要】储能系统是能源转化与利用技术中重要的一个组成部分,尤其在太阳能、风能以及燃煤机组灵活性调峰等领域起着关键的角色.选择合适的储能技术路线对于提高可再生能源利用效率、增强火力发电调峰能力以及缓解电网调度压力都有着重要的意义.文中对固体储热技术的发展现状、相关应用、发展趋势及其优缺点作简要综述.

【期刊名称】《应用能源技术》

【年(卷),期】2018(000)003

【总页数】4页(P1-4)

【关键词】储热;材料;显热;潜热

【作 者】刘冠杰;韩立鹏;王永鹏;江建忠

【作者单位】中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司,北京102209;煤基清洁能源国家重点实验室,北京102209;中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司,北京102209;中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司,北京102209;中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司,北京102209;煤基清洁能源国家重点实验室,北京102209

【正文语种】中 文

【中图分类】TK-02

0 引 言

储能系统是能源转化与利用技术中重要的一个组成部分，尤其在太阳能、风能以及燃煤机组灵活性调峰等领域起着关键的角色。选择合适的储能技术路线对于提高可再生能源利用效率、增强火力发电调峰能力以及缓解电网调度压力都有着重要的意义。

固体储热技术是指以固体为主要储热介质或储热体主要组成部分的储热技术。其具有体积相对恒定、材料来源广泛、化学性能稳定、成本低、储热能力好等诸多优点，极具商业潜力。文中就固体储热技术的发展现状、相关应用、发展趋势及其相对其他储热技术的优缺点作简要综述。

1 固体储热主要技术及其发展趋势

储热系统以换热器方式可分为填充床储热、热罐储热等；以储热体结构形状划分，常见的有蜂窝型和球型；以储热介质划分，目前研究较多的有地下天然土壤(岩石)、混凝土、陶瓷材料、硅质材料、金属材料、无机盐复合材料等。下面就其中的一些研究热点给以介绍。

1.1 填充床储热

填充床储热是显热储热中比较常见的一种储热方式，它是指热流体流过充满填充材料的填充床完成储热和释热。填充床储热具有单位床层体积传热面积大、传热性能良好和安全可靠等优点。填充床内的热量传递类型包括壁面和流体之间的对流换热、流体和填充物之间的对流换热、壁面和填充物之间的导热、填充物之间的相互导热、辐射热以及流体掺混传热，其中最主要的是流体与填充物之间的对流换热[1]。

1.2 蜂窝型储热体

蓄热式换热器的关键部件是蓄热体，工业应用最多的蓄热体有蓄热球和蜂窝状蓄热体，与蓄热球相比，蜂窝状蓄热体在换热面积、蓄放热速度和阻力损失方面更具优越性，在工业炉窑上的得到了很好的推广应用。

浙江大学的袁炜东[2]对不同通道形状的换热流动特性进行了数值模拟，发现不同孔型的蓄热体换热效果从高到低依次为：圆孔型>六边形孔型>方孔型，不同孔型的蓄热体阻力从大到小依次为：方形孔>六边形孔≈圆形孔。综合来看，当蓄热体的孔型为圆形且当量直径和孔隙率适中时蓄热体具有最佳的蓄热效果。

此外，针对上述情况，许多学者对其进行了改进。封红燕等[3]在研究常规蜂窝蓄热体的基础上提出了一种新的形式——缩放通道蓄热体，并采用数值分析的方法对蓄热体的传热过程进行了分析。结果表明，缩放通道蓄热体在烟气出口温度、传热速率等方面都要优于等截面直通道蓄热体，传热速率增大5%以上。冯毅等[4]通过实验研究了环状蓄热体和蜂窝蓄热体的传热和阻力特性，对比分析实验结果后认为装置入口速度较低时，环状蓄热体的综合性能更佳。

1.3 岩土储热

地下天然土壤(岩石)储热材料大多是卵石、岩石、砂石和土壤。这些材料在高温下不产生相变或气化。它们的比热容比水低得多，但密度比水高，所以其容积比热容大约是水的40%。其显热储存多用堆积床储热，以热空气为载热流体，空气穿过固体堆积床空隙进行储热与取热。

图1 砂石堆积床储热系统示意图

以砂石堆积床作为蓄热单元适合于空气作为流动介质的太阳能热发电等系统[5]。其具有以下优点：(1)消除了材料化学不稳定性导致的操作温度；(2)运行压力接近于常压，避免了复杂密封件的使用；(3)从集热器出来的热流体直接将热量储存在蓄热单元，减少了中间换热装置。

1.4 混凝土储热

混凝土储热材料化学性能稳定，成本低，储热能力好，热胀系数与钢材相当(即可与钢管良好匹配)，每储热1 kWh成本在所有储热材料中最低，是用于太阳能热发电等系统的理想储热材料之一[5]。

混凝土蓄热系统一般指采用混凝土作为蓄热材料，导热油作为换热流体，在混凝土中埋设钢管作为换热流体通道，导热油流经钢管与混凝土之间进行热量的存储或释放。混凝土蓄热系统是一个冷热流体交替的周期循环蓄热系统。在吸热阶段，热流体加热蓄热体，混凝土温度上升；放热阶段，冷流体流过蓄热体被加热。

图2 混凝土储热系统实物图

储热混凝土储存的热量可用于供暖或发电[6]，比如德国图宾根的Kreissparkasse Tuebingen银行，其主楼是用深度为18～22 m的150个混凝土桩做为热交换器，进行供暖和制冷。

Laning D团队以混凝土为蓄热介质，建立了固体蓄热模块，测试了500 ℃以下材料的稳定性以及200～500 ℃环境中长期蓄热时材料的损耗，通过循环实验与仿真认为混凝土是适合高温蓄热的材料，并从结果分析得出使用高热导率的材料可减少60%的换热管[7]。

1.5 蜂窝陶瓷储热

蜂窝陶瓷蓄热体由于陶瓷材料可以耐受高温、热惯性化，其有序多孔结构决定了流动阻力较低且比表面积较大，被广泛用于高温空气及烟气的蓄热材料。由于蜂窝陶瓷的换热面积大，蓄热体和空气的传热过程加快，热效率提高；其直流通道结构使得流体的流动阻力损失减少，而且蜂窝陶瓷的比热容和热导率较之混凝土高。蜂窝陶瓷之前多用于锅炉中的高温空气燃烧技术，用于太阳能等系统蓄热时，蓄放热的时间都大大延长了。研究发现，蜂窝陶瓷蓄热体的蓄放热速率较快，停止对蜂窝陶瓷输入热量，蓄热体自身能缓慢达到热平衡状态，蓄热体内部的温度场趋于平衡。近年来蜂窝陶瓷蓄热体的研究热点是提高其在高温时的稳定性[8]，常见的莫来石质、氧化铝质、碳化硅质、钛酸铝质以及它们的复相蜂窝陶瓷均在机械强度、耐磨性、耐高温性等方面有所提高。

2 固体储热技术的应用

随着固体储热技术的发展，目前广泛应用于太阳能、工业余热能、风电供热、热电机组深度调峰、建筑节能以及纺织业等各个领域当中，取得了相当不错的效果。

2.1 太阳能领域的应用

太阳能是巨大的能源宝库，是解决当前能源危机和环境污染的理想能源，但是到达地球表面的太阳辐射能量密度偏低，且受到地理、季节、昼夜及天气变化等因素的制约，表现出稀薄性、间断性和不稳定性等特点。为了保证供热或供电装置的稳定不问断的运行，需要利用到储能装置，在能量富裕时储能，在能量不足时释能[9]。

在固体显热蓄热系统方面已有大量实例。如德国航天航空研究中心(DLR)的Doerte Laing等人在研究沙石混凝土和玄武岩混凝土的基础上，研究开发耐高温混凝土和铸造陶瓷等固体蓄热材料，耐高温混凝土的骨料主要是氧化铁，水泥为黏结剂；铸造陶瓷骨料也主要是氧化铁，黏结剂包括氧化铝等。蓄热系统包括蓄热材料、高温传热流体和嵌入固体材料的圆管式换热管组成。在蓄热阶段，热流体沿着换热管流动把高温热能传递到蓄热材料中。在放热阶段，冷流体沿着相反方向流动把蓄热材料中的热能吸收到流体中用来发电。这种传热流体与蓄热材料之间有换热器的布置方式称为间接蓄热，发电系统如图3所示[10]。

图3 太阳能热发电与固体蓄热装置联合的系统图

太阳能跨季节储热也是一个研究热点，其中的储热模块多用低成本的显热储热和目前技术较为成熟的潜热储热，而化学反应蓄热由于技术复杂、一次性投资较大以及整体效率不高等缺点，目前多处于实验室研究阶段。

2.2 风电供热

风电出力具有不确定性，并常常呈现反调峰特性，电网表现为接纳能力不足。蓄热电采暖具备储热能力，其耗电功率能够根据需要进行调节，具有可调节负荷的特性，因此协调风电、火电和蓄热电采暖的运行，可以提高热电机组的调峰容量，并使蓄热电采暖主要利用弃风电量进行工作从而提升风电的接纳水平，减少弃风电量。同时风电消纳电量的增加以及系统煤耗的降低也带来了额外的效益，分析计算综合效益增量并给予蓄热电采暖侧合理的补贴，可以弥补其经济性不佳的问题，有利于蓄热电采暖的推广应用和风电的消纳。

风电与蓄热电采暖联合模式示意如图4所示[11]。

图4 风电与蓄热电采暖联合模式示意图

2.3 热电机组深度调峰

目前，“以热定电”的运行模式已成为制约供热机组调峰能力的主要因素，为此在满足用户供热需求的前提条件下，解耦供热机组的传统运行方式成为提高机组调峰能力的一种方案。其中一种有效手段就是通过给供热机组配置蓄热装置提高机组调峰能力：在白天电负荷大而热负荷小的时段热电机组高负荷运行对蓄热装置进行储热；而在夜间电负荷小时段降低机组出力(甚至停机)进行调峰，而供热不足部分则利用蓄热装置的储热进行补偿

供热[12]。在风电利用率较高的丹麦实现其未来100%可再生能源系统的一个重要手段就是利用蓄热装置提高供热机组的调峰能力。

2.4 其他方面的应用

将储能材料用于农业果蔬大棚温度调节，有效地降低了对成本较高和易污染的煤、电设备的使用。利用复合相变储能材料把发动机排气的余热储存起来，当发动机在低温条件下启动时，复合相变储能材料再释放热量可改善发动机冷启动时燃烧状况，减少有害污染物的排放。

3 结束语

以上所述三种储热技术中，由于显热储热已充分发展,潜热储热亦趋于成熟，未来储热技术的突破重点将是热化学储热。三种储热技术各具特

色, 热化学储能密度相对具有优势，但成本仍然较高，且技术不成熟，而显热储热的储能密度最小, 但成本最低且适合大规模储能; 潜热储热的性能基本居于二者之间, 但其技术优点是可以在恒定的温度放热。因此各技术的选择和使用还要针对应用场合和用途加以对比分析，选择最为合适的技术路线才能够达到经济高效的能源储存和转化。

参考文献

【相关文献】

[1] 杨 亮，刘 佳，岳 雷，等. 岩石填充床蓄热性能试验研究[J]. 可再生能源,2013(8):88-92.

[2] 袁炜东. 蜂窝蓄热体换热及阻力特性的试验研究[D]. 浙江大学,2013.

[3] 封红燕，冯 毅. 新型蜂窝蓄热体热工特性的数值模拟[J].

[4] 冯 毅，田丽军，陈 佳. 环状与蜂窝蓄热体传热与阻力特性试验研究[J]. 压力容器,2014(9):14-22.

[5] 朱教群，李圆圆，周卫兵，等. 储热混凝土单元设计与储热模拟[J]. 节能,2009(1):13-15.

[6] 李守圣. 地下混凝土储热桩热能存储试验与研究[D]. 吉林大学,2010.

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[8] 张 云，郑化安，苏艳敏，等. 蜂窝陶瓷蓄热材料的研究现状[J]. 广州化工,2014(21):15-17.

[9] 汪 翔，陈海生，徐玉杰，等. 储热技术研究进展与趋势[J]. 科学通报,2017(15):1602-1610.

[10] 杨小平，杨晓西，丁 静，等. 太阳能高温热发电蓄热技术研究进展[J]. 热能动力工程,2011(1):1-6.

[11] 黎华林，陈红坤，徐 坤，等. 风电与蓄热电采暖的联合运行及其效益分析[J]. 电力系统及其自动化学报,2017(8):82-88.

[12] 唐海峰，华正生，王 勇，等. 供热机组深度调峰能力提高方法研究进展概述[J]. 科技创新导报,2015(14):15-16.