摘要：構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的必由之路。作為未來(lái)規(guī)模儲(chǔ)能的中堅(jiān)力量，熱儲(chǔ)能在推動(dòng)能源綠色低碳發(fā)展方面發(fā)揮著不可替代的重要作用。熱儲(chǔ)能技術(shù)可以解決熱電供需間的時(shí)空與強(qiáng)度不匹配問(wèn)題，是供熱和發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新突破的核心支撐。

本文首先梳理并總結(jié)不同工作原理熱儲(chǔ)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀；然后針對(duì)最近十年Web of Science核心合集引文數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)，基于可視化圖譜分析熱儲(chǔ)能的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)果表明中國(guó)已成為熱儲(chǔ)能研究領(lǐng)域的全球?qū)W術(shù)中心，相變儲(chǔ)熱技術(shù)是當(dāng)前最受關(guān)注的學(xué)術(shù)熱點(diǎn)和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)；最后簡(jiǎn)要介紹了熱儲(chǔ)能技術(shù)在蓄熱式供熱和熱電解耦領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展情況。

儲(chǔ)熱水罐和固體儲(chǔ)熱技術(shù)成熟，相變儲(chǔ)熱技術(shù)快速發(fā)展，基于熔鹽儲(chǔ)熱的燃煤發(fā)電機(jī)組高效靈活熱電解耦技術(shù)將具有巨大的工程應(yīng)用潛力。本文可為可再生能源供熱技術(shù)研發(fā)和高效靈活熱電解耦技術(shù)突破提供方向指引和理論借鑒。

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引言

為達(dá)成碳中和，構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系已成為當(dāng)今科技研究的核心訴求和首要目標(biāo)。我國(guó)富煤、貧油、少氣的資源稟賦使能源體系對(duì)煤炭的依存度較高，以關(guān)系民生需求的冬季供熱為例：我國(guó)北方地區(qū)城鄉(xiāng)建筑取暖總面積約206億平方米，其中83%以煤炭作為熱量來(lái)源，年消耗約4億噸標(biāo)煤。隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，供熱需求日益增長(zhǎng)，僅2022年1-2月中國(guó)供熱耗用原煤量就達(dá)到9813萬(wàn)噸。因此，為減少碳排放，亟需開(kāi)展燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱負(fù)荷供需間的綜合靈活調(diào)度、有效利用可再生能源電力，提高能量利用效率，開(kāi)展清潔高效新能源供熱。

安全穩(wěn)定的電力供給是維持社會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和推動(dòng)工業(yè)穩(wěn)步發(fā)展的基石。實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，能源是主戰(zhàn)場(chǎng)，電力是主力軍，構(gòu)建適應(yīng)新能源占比逐漸提高的新型電力系統(tǒng)是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必由之路。然而，風(fēng)、光等可再生能源發(fā)電具有波動(dòng)性和弱可控性，其高比例接入會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出安全性挑戰(zhàn)。火力發(fā)電具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和無(wú)功功率，有利于維持電網(wǎng)的頻率和壓力，應(yīng)充當(dāng)電力安全保障的壓艙石，但其尚顯不足的靈活性無(wú)法滿足新能源電力高速增長(zhǎng)的需求，如圖1所示，截至2021年底，我國(guó)仍有多個(gè)地區(qū)風(fēng)、光棄電率高于5%，電量浪費(fèi)超過(guò)250億kW·h。

以“三北”部分地區(qū)為例，新能源發(fā)電滲透率已超過(guò)40%，靈活性資源卻不足3%，新能源消納和電網(wǎng)頻率穩(wěn)定問(wèn)題日漸突出。特別是在冬季供熱期間，裝機(jī)占比約50%的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱力、電力輸出深度耦合，為保證熱負(fù)荷供應(yīng)，需要采取以熱定電運(yùn)行方式，嚴(yán)重限制了機(jī)組調(diào)峰能力和運(yùn)行靈活性，影響電網(wǎng)接納新能源電力。現(xiàn)有熱電解耦技術(shù)效率偏低、應(yīng)用單一，甚至存在直接將高品位電能用于加熱給水供熱的現(xiàn)象，其能效比普通熱水鍋爐低60%左右。因此，實(shí)現(xiàn)高效靈活熱電解耦、提高能量利用效率，正成為燃煤碳減排領(lǐng)域的重要突破方向。

1a.風(fēng)電

1b.光電

圖1.2021年中國(guó)各省份風(fēng)光棄電比例

熱儲(chǔ)能技術(shù)能夠解決由于時(shí)間、空間或強(qiáng)度上的能量供給與需求間不匹配所帶來(lái)的問(wèn)題，存儲(chǔ)供給高峰時(shí)的冗余能量并在需求時(shí)釋放，平抑可再生能源發(fā)電波動(dòng)性。熱量存儲(chǔ)設(shè)備運(yùn)行靈活，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)存性能優(yōu)良；結(jié)合低谷電價(jià)和調(diào)峰政策，可適時(shí)放熱于蒸汽發(fā)電工質(zhì)和/或供熱給水，滿足清潔供熱需求，實(shí)現(xiàn)高效靈活熱電解耦，有效提高可再生能源發(fā)電滲透率。

現(xiàn)有熱儲(chǔ)能研究領(lǐng)域綜述文獻(xiàn)主要包括幾個(gè)方面：熱儲(chǔ)能研究現(xiàn)狀的總述；單項(xiàng)熱儲(chǔ)能技術(shù)的研究進(jìn)展；不同工作溫度熱儲(chǔ)能技術(shù)的歸納；聚焦某個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的熱儲(chǔ)能技術(shù)概述。缺乏基于工作原理分類的熱儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀、熱點(diǎn)趨勢(shì)分析及其在清潔供熱和熱電解耦領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)展的全面綜述。

因此，本文首先梳理并總結(jié)不同原理熱儲(chǔ)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀；然后根據(jù)2013-2022年間Web of Science核心合集引文數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)，分析熱儲(chǔ)能的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)；最后簡(jiǎn)要介紹熱儲(chǔ)能技術(shù)在蓄熱式供熱和熱電解耦領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。本文可為基于熱儲(chǔ)能的可再生能源供熱技術(shù)研發(fā)和高效靈活熱電解耦技術(shù)突破提供方向指引和理論借鑒。

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熱儲(chǔ)能研究現(xiàn)狀

熱儲(chǔ)能技術(shù)按照工作原理可分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱。顯熱儲(chǔ)熱基于介質(zhì)比熱容，通過(guò)升/降溫過(guò)程完成熱能存儲(chǔ)和釋放；潛熱儲(chǔ)熱利用介質(zhì)相變過(guò)程吸收或放出潛熱來(lái)存儲(chǔ)與釋放熱量，又稱為相變儲(chǔ)熱；熱化學(xué)儲(chǔ)熱則依靠可逆化學(xué)反應(yīng)或吸/脫附過(guò)程中的反應(yīng)焓實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)放熱。本文將梳理不同熱儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)常用儲(chǔ)熱介質(zhì)的材料性能參數(shù)，并介紹相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1顯熱儲(chǔ)熱

顯熱儲(chǔ)熱原理簡(jiǎn)單，易于調(diào)控，無(wú)化學(xué)反應(yīng)和相態(tài)變化，其介質(zhì)來(lái)源廣泛、成本低廉、便于規(guī)?；瘧?yīng)用，是最早開(kāi)始研究的儲(chǔ)熱技術(shù)，成熟度最高，應(yīng)用最為廣泛；但存在著儲(chǔ)能密度低、體積龐大、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)存熱損失大和輸出溫度波動(dòng)等不足。

式中：Qs(kJ)和Vs(m3)分別為顯熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)蓄熱量和介質(zhì)容積，ρs(kg·m-3)和Cp,s(kJ·(kg·K)-1)分別為介質(zhì)的密度和比熱容。

可以發(fā)現(xiàn)，顯熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)蓄熱量與介質(zhì)的比熱容、密度、溫度變化范圍和容積成正比。此外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中還需要綜合考慮儲(chǔ)熱介質(zhì)的輸運(yùn)特性、熱穩(wěn)定性、材料相容性及傳熱性能參數(shù)。氣體最易輸送，但低密度、低比熱容和受限的導(dǎo)熱系數(shù)限制了其在熱儲(chǔ)能領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，因此顯熱儲(chǔ)熱介質(zhì)通常在液態(tài)和固態(tài)材料中篩選。

常用的液態(tài)儲(chǔ)熱介質(zhì)有水、導(dǎo)熱油、熔鹽和液態(tài)金屬等。相較于固態(tài)儲(chǔ)熱介質(zhì)，液態(tài)儲(chǔ)熱介質(zhì)質(zhì)量比熱容更大，傳熱性能更好，但也存在成本高和難以實(shí)現(xiàn)高溫?zé)崃块L(zhǎng)期穩(wěn)定儲(chǔ)存等問(wèn)題。水儲(chǔ)熱的溫度一般不超過(guò)100℃，安全穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能生活熱水系統(tǒng)和空間供暖。

近年來(lái)，隨著大容量斜溫層儲(chǔ)熱水罐技術(shù)的成熟，水儲(chǔ)熱技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用在消納需求低谷的冗余電力和火電機(jī)組熱電聯(lián)供領(lǐng)域，目前華能丹東電廠已建設(shè)最大蓄熱量為5040 GJ的超大容量斜溫層儲(chǔ)熱水罐，增強(qiáng)燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電網(wǎng)調(diào)峰能力和供熱能力。然而，水儲(chǔ)熱僅能滿足低溫需求，且利用電能和中高溫抽汽生產(chǎn)熱水會(huì)造成較大?損失，能量轉(zhuǎn)換效率降低。導(dǎo)熱油以其良好的傳熱性能和較寬的工作溫度范圍，很早就被應(yīng)用到中高溫?zé)醿?chǔ)能領(lǐng)域。

1982年美國(guó)建成首個(gè)10 MWe聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)電站Solar One，采用導(dǎo)熱油作為儲(chǔ)熱介質(zhì)和傳熱流體。除了價(jià)格高昂，導(dǎo)熱油易燃，需在封閉系統(tǒng)中工作，而較高的蒸汽側(cè)壓力又造成了嚴(yán)重的安全隱患，因此在中高溫領(lǐng)域?qū)嵊椭饾u被熔鹽所替代。熔鹽在當(dāng)今主流蒸汽參數(shù)對(duì)應(yīng)的溫度下具有低飽和蒸汽壓、低粘度、高熱導(dǎo)率、不易燃和無(wú)毒性的特點(diǎn)，并且成本較低，被視為太陽(yáng)能熱發(fā)電的理想儲(chǔ)熱介質(zhì)。然而，熔鹽在高溫下會(huì)腐蝕管道和循環(huán)輸送設(shè)備，甚至?xí)l(fā)生高溫分解，因此優(yōu)化高溫下熔鹽與不銹鋼材料的相容性和熱穩(wěn)定性是未來(lái)技術(shù)重點(diǎn)突破方向。液態(tài)金屬以其超高的導(dǎo)熱系數(shù)有望在更高的工作溫度下（＞600℃）成為新的儲(chǔ)熱介質(zhì)選擇，但其極不穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)使系統(tǒng)需要引入額外的安全措施，加之材料成本的高昂，造成該技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較差，尚處于基礎(chǔ)研究階段。

常用的固態(tài)儲(chǔ)熱介質(zhì)有混凝土、巖石及耐火磚等，相比液態(tài)儲(chǔ)熱介質(zhì)，固態(tài)儲(chǔ)熱介質(zhì)的工作溫度更高，相同體積時(shí)蓄熱量增加，所需介質(zhì)材料減少，成本降低。固體儲(chǔ)熱裝置按照儲(chǔ)熱介質(zhì)與傳熱流體是否直接接觸可分為直接接觸式和間接接觸式兩種類型。直接接觸式儲(chǔ)熱裝置的傳熱流體多為空氣，儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)利用電能或太陽(yáng)能加熱固體，放熱環(huán)節(jié)空氣流經(jīng)多孔介質(zhì)或固體顆粒的空隙使自身溫度升高，然后用于供暖、布雷頓循環(huán)發(fā)電、作物和木材烘干等需求。

傳熱流體種類在深入的研究中也得到了擴(kuò)展，Battisti等采用一維多孔介質(zhì)模型驗(yàn)證了超臨界CO2直接接觸式填充床儲(chǔ)熱裝置的應(yīng)用可行性，基于系統(tǒng)的詳細(xì)成本和典型氣象數(shù)據(jù)，考慮了環(huán)境熱損失和輔助加熱過(guò)程的碳排放，進(jìn)行了系統(tǒng)瞬態(tài)性能的年度仿真，研究了綜合經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響，獲得了發(fā)電平準(zhǔn)化成本。間接接觸式儲(chǔ)熱裝置的傳熱介質(zhì)可為水、導(dǎo)熱油和熔鹽等，通過(guò)浸沒(méi)在固體中的換熱管束傳遞熱量。研究者的廣泛關(guān)注使該技術(shù)得到了快速發(fā)展，Laing等開(kāi)發(fā)的高溫混凝土材料工作溫度可達(dá)390℃，其熱膨脹系數(shù)與鋼材相當(dāng)，能夠與換熱管匹配良好，并在槽式聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用嘗試。

大部分固態(tài)儲(chǔ)熱介質(zhì)具有熱導(dǎo)率低、傳熱性能受限等特性，不過(guò)沙顆粒能夠在1100℃高溫下保持熱穩(wěn)定，通過(guò)氣固流動(dòng)可有效提高傳熱系數(shù)。學(xué)者們提出了聚光太陽(yáng)能顆粒熱接收器、空沙管殼式換熱器、顆粒簾換熱器、移動(dòng)床換熱器等儲(chǔ)熱模式；放熱環(huán)節(jié)采用流化床、鼓泡床等氣固流態(tài)化換熱器實(shí)現(xiàn)熱能的高效利用。然而，當(dāng)前沙顆粒儲(chǔ)熱系統(tǒng)工程應(yīng)用尚未成熟，流動(dòng)阻力損失較大，規(guī)模較小。

由于固體儲(chǔ)熱介質(zhì)與傳熱流體不可避免的存在傳熱溫差，一方面?zhèn)鳠崃黧w無(wú)法升到最高的儲(chǔ)熱工作溫度，另一方面?zhèn)鳠崃黧w與環(huán)境發(fā)生導(dǎo)熱和對(duì)流的傳熱損失也降低了儲(chǔ)放熱循環(huán)的能量利用效率。因此，優(yōu)化儲(chǔ)熱/放熱過(guò)程、降低長(zhǎng)期儲(chǔ)熱耗散、減小?損失是當(dāng)前各種固態(tài)顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)的主要研究目標(biāo)。表1總結(jié)了常用的液態(tài)及固態(tài)顯熱儲(chǔ)熱介質(zhì)的材料性能，包括工作溫度、密度、比熱容等系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)。

表1常用顯熱儲(chǔ)熱介質(zhì)的材料性能

2.2潛熱儲(chǔ)熱

潛熱儲(chǔ)熱具有儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)熱/放熱過(guò)程溫度近乎恒定等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)相態(tài)可分為固—固、液—?dú)狻⒐獭合嘧內(nèi)?。固—固相變材料存在相變潛熱小和塑晶現(xiàn)象嚴(yán)重等缺點(diǎn)，液—?dú)庀嘧儾牧显诤銐汉秃闳菹到y(tǒng)中分別存在體積和壓力波動(dòng)劇烈的問(wèn)題，固—液相變材料具有相變潛熱較大、運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，是目前主要的研究方向和應(yīng)用介質(zhì)。固—液相變儲(chǔ)熱通常伴隨著固相和液相的顯熱儲(chǔ)熱過(guò)程共同進(jìn)行，儲(chǔ)熱量可由式2計(jì)算：

式中：Ql(kJ)為潛熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)蓄熱量，VS(m3)和VL(m3)分別為儲(chǔ)熱介質(zhì)固態(tài)及液態(tài)時(shí)的體積，ρS(kg·m-3)和Cp,S(kJ·(kg·K)-1)分別為固態(tài)介質(zhì)的密度和比熱容，ΔH為相變過(guò)程的熔融焓，ρL(kg·m-3)和Cp,L(kJ·(kg·K)-1)分別為液態(tài)介質(zhì)的密度和比熱容。

固—液相變材料分為無(wú)機(jī)和有機(jī)相變材料。無(wú)機(jī)相變材料具有潛熱較大、不易燃等優(yōu)勢(shì)，主要包括水合鹽、熔融鹽和金屬合金。水合鹽適用于中低溫儲(chǔ)熱領(lǐng)域，具有相變溫度恒定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但存在相分離和過(guò)冷等問(wèn)題。相分離會(huì)使系統(tǒng)儲(chǔ)熱能力降低甚至失效。因此學(xué)者們提出加入增稠劑、膠囊封裝和化學(xué)改性等方法緩解相分離現(xiàn)象。在實(shí)際儲(chǔ)放熱過(guò)程中，無(wú)機(jī)相變材料很難在理論熔點(diǎn)下立即凝固，需要在低于熔點(diǎn)的某個(gè)溫度下才開(kāi)始結(jié)晶，發(fā)生過(guò)冷現(xiàn)象，這會(huì)嚴(yán)重降低相變材料的放熱量，并且放熱溫度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，使系統(tǒng)喪失近似恒溫?zé)彷敵龅膬?yōu)勢(shì)。

由于在相變過(guò)程中的成核性能較差，水合鹽的過(guò)冷現(xiàn)象可通過(guò)主動(dòng)成核和被動(dòng)成核來(lái)緩解甚至防止。主動(dòng)成核基于振動(dòng)、超聲波和攪拌等措施產(chǎn)生凝結(jié)核心，被動(dòng)成核則通過(guò)添加成核劑、多孔基體吸附和微膠囊封裝等降低液相與固相之間的界面能，促進(jìn)自發(fā)結(jié)晶。當(dāng)前，開(kāi)發(fā)成熟可靠的成核劑、探索行之有效的過(guò)冷度降低方法是研究重點(diǎn)。

熔融鹽及金屬合金可應(yīng)用在中高溫儲(chǔ)熱場(chǎng)景，具有相變焓較大、密度較高等優(yōu)勢(shì)，但其腐蝕性、含毒性和高成本等缺陷仍有待解決，限制了其規(guī)?；瘧?yīng)用。無(wú)機(jī)相變材料對(duì)儲(chǔ)存和輸運(yùn)裝置的腐蝕性是普遍存在的，中高溫下熔融鹽和金屬合金的腐蝕性對(duì)儲(chǔ)熱裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用壽命的影響尤其值得關(guān)注。學(xué)者針對(duì)熔融鹽和金屬合金的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了廣泛研究，也開(kāi)發(fā)了保護(hù)性涂層等減輕腐蝕的方法。目前熔融鹽在中高溫領(lǐng)域得到了廣泛工程應(yīng)用，如槽式太陽(yáng)能電站采用日曬鹽作為儲(chǔ)熱材料。

有機(jī)相變材料由于熔點(diǎn)較低，相關(guān)研究集中在低溫儲(chǔ)熱領(lǐng)域，其穩(wěn)定性好、無(wú)腐蝕性、過(guò)冷度小且近乎無(wú)相分離現(xiàn)象，但其體積儲(chǔ)熱密度較小、熱導(dǎo)率低，傳熱性能有限。此外，有機(jī)相變材料存在泄露隱患，由于其會(huì)與礦物材料通過(guò)靜電、毛細(xì)效應(yīng)等發(fā)生相互作用，采用多孔礦物材料封裝成為解決泄露問(wèn)題的普遍方案。石墨摻混能夠使相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)大幅增加，有效提高了儲(chǔ)熱系統(tǒng)的傳熱性能。最常用的有機(jī)相變材料是石蠟，其是直鏈烷烴的混合物，物化性能穩(wěn)定，應(yīng)用于建筑保溫領(lǐng)域，轉(zhuǎn)移溫度峰值荷載，降低建筑能耗。大部分有機(jī)相變材料具有易燃性，需要考慮工作溫度和安全措施。

由于相分離、過(guò)冷、泄露等問(wèn)題多發(fā)生在固化過(guò)程中，因此相變儲(chǔ)熱的研究大多集中在材料的凝結(jié)方面。圖2總結(jié)了不同相變材料的熔融溫度和熔融焓的分布，可指導(dǎo)不同應(yīng)用場(chǎng)景下儲(chǔ)熱材料的選擇。

圖2常用相變儲(chǔ)熱材料的熔融焓和熔融溫度

2.3熱化學(xué)儲(chǔ)熱

熱化學(xué)儲(chǔ)熱的單位體積儲(chǔ)能密度高達(dá)GJ/m3數(shù)量級(jí)，可達(dá)顯熱儲(chǔ)熱材料的8～10倍、潛熱儲(chǔ)熱材料的2倍以上；通過(guò)反應(yīng)物的分別存放可以實(shí)現(xiàn)室溫下熱能的無(wú)損存儲(chǔ)，被認(rèn)為是最有前景的大規(guī)模長(zhǎng)期儲(chǔ)熱技術(shù)。按照反應(yīng)過(guò)程鍵斷裂的類型，可分為化學(xué)吸附儲(chǔ)熱和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱兩種類型。

化學(xué)吸附儲(chǔ)熱適用于低溫場(chǎng)景，通過(guò)固態(tài)吸附劑對(duì)氣態(tài)吸附質(zhì)分子的吸附和解吸完成，實(shí)質(zhì)是由范德華力、靜電力、氫鍵等分子間作用力的斷裂/聚合來(lái)存儲(chǔ)和釋放熱能。主要由以水蒸汽分子為吸附質(zhì)的水合鹽體系和以氨分子為吸附質(zhì)的氨絡(luò)合物體系組成。常用化學(xué)吸附儲(chǔ)熱介質(zhì)的材料、儲(chǔ)熱/放熱溫度和儲(chǔ)能密度如表2所示。

表2常用化學(xué)吸附儲(chǔ)熱介質(zhì)的材料特性

水合鹽在熱化學(xué)儲(chǔ)熱時(shí)發(fā)生反應(yīng)如式3所示

式中：MX為鹽類；ΔHr是吸附一個(gè)水蒸氣分子的反應(yīng)焓。

與水合鹽相變儲(chǔ)熱不同，熱化學(xué)儲(chǔ)熱過(guò)程中水分子以蒸汽的形式進(jìn)入或脫離反應(yīng)體系，水合鹽不發(fā)生溶解。如果儲(chǔ)熱過(guò)程中溫度控制不當(dāng)，水合鹽會(huì)熔化為溶液和部分水合物，相應(yīng)的溫度稱為熔點(diǎn)。水合鹽的熔化焓遠(yuǎn)低于脫水焓，熔化現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)顯著降低儲(chǔ)能密度，并導(dǎo)致鹽的積累，使?jié)B透率降低，造成系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)性能惡化，甚至堵塞反應(yīng)器。一般來(lái)說(shuō)，水合鹽在不同溫度區(qū)間會(huì)發(fā)生多步脫水過(guò)程，為避免水合鹽熔化，需控制各步驟的脫水溫度低于熔點(diǎn)。針對(duì)低熔點(diǎn)水合鹽，可采取預(yù)熱的方式維持反應(yīng)穩(wěn)定可控。氨絡(luò)合物體系可實(shí)現(xiàn)冷熱復(fù)合儲(chǔ)存，近年來(lái)開(kāi)始受到關(guān)注，相關(guān)研究圍繞吸附式制冷展開(kāi)，提高儲(chǔ)放熱效率、開(kāi)發(fā)安全可靠的氨氣儲(chǔ)存及控制方法是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱多應(yīng)用于中高溫場(chǎng)景，可分為甲烷重整、氨合成/分解、金屬氫化物、碳酸鹽、金屬氧化物和金屬氫氧化物等體系，通過(guò)化學(xué)鍵的斷裂/重組實(shí)現(xiàn)熱能的存儲(chǔ)/釋放。化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱的反應(yīng)焓大、儲(chǔ)能密度高、工作溫度高，但在成本、材料腐蝕性和氣體儲(chǔ)存等方面仍存在問(wèn)題，需要進(jìn)一步探究反應(yīng)機(jī)理，優(yōu)化反應(yīng)過(guò)程控制。表3總結(jié)了不同體系的儲(chǔ)熱材料及其對(duì)應(yīng)的反應(yīng)方程式、工作溫度范圍和儲(chǔ)能密度。

由于熱化學(xué)儲(chǔ)熱系統(tǒng)復(fù)雜、輔助設(shè)備多、投資高，仍未發(fā)揮出超高儲(chǔ)能密度的緊湊度優(yōu)勢(shì)；加之化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，速率難以精準(zhǔn)調(diào)控，整體效率仍較低，某些反應(yīng)還有嚴(yán)格的安全性要求；因此熱化學(xué)儲(chǔ)熱技術(shù)當(dāng)前仍需圍繞這些問(wèn)題展開(kāi)深入研究。

表3常用化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱材料特性

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熱儲(chǔ)能研究熱點(diǎn)趨勢(shì)圖譜分析

本文在Thomson Reuters公司檢索平臺(tái)Web of Science核心合集引文數(shù)據(jù)庫(kù)的科學(xué)引文索引擴(kuò)展中，以“thermal energy storage”和“heatstorage”為關(guān)鍵詞，限定文獻(xiàn)類型為“article”，對(duì)2013-2022年間發(fā)表的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，共獲得14740篇文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。以1年為步長(zhǎng)，將文獻(xiàn)數(shù)據(jù)劃分為10個(gè)時(shí)段，采用VOSviewer軟件對(duì)科研合作關(guān)系、研究熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)開(kāi)展可視化圖譜分析。

國(guó)際上熱儲(chǔ)能研究機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)性圖譜如圖3所示，其中節(jié)點(diǎn)代表研究機(jī)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)的大小和顏色分別量化該機(jī)構(gòu)的論文發(fā)表數(shù)量和平均發(fā)文年份，節(jié)點(diǎn)間連線則表示機(jī)構(gòu)間的合作關(guān)系，連線越粗，代表合作關(guān)系越強(qiáng)。研究機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)性圖譜可以從宏觀層面定量分析相關(guān)研究的合作交流情況，同時(shí)各研究機(jī)構(gòu)間聯(lián)系的密切程度也在一定程度上反應(yīng)了該領(lǐng)域的研究熱度。

由圖3可見(jiàn)，研究機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)性呈現(xiàn)出三大聚類。聚類Ⅰ是以中國(guó)科學(xué)院、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)和清華大學(xué)為代表的中國(guó)高校和研究院所，其總機(jī)構(gòu)數(shù)量及論文發(fā)表數(shù)量約占統(tǒng)計(jì)數(shù)量的一半以上；該聚類研究機(jī)構(gòu)的論文發(fā)表平均年份為2019年，晚于統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)年份的中位值2018年，這是因?yàn)榻陙?lái)我國(guó)對(duì)熱儲(chǔ)能技術(shù)關(guān)注逐漸加強(qiáng)，尤其自2020年“雙碳”戰(zhàn)略提出以來(lái)，研究熱度不斷提高，文章產(chǎn)出持續(xù)增加；此外，通過(guò)直接合作和經(jīng)由日韓的間接交流，中國(guó)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)與全球各個(gè)研究機(jī)構(gòu)保持密切聯(lián)系。聚類Ⅱ由伊朗伊斯蘭阿扎德大學(xué)、印度理工學(xué)院、沙特阿卜杜勒阿齊茲國(guó)王大學(xué)、沙特法赫德國(guó)王石油礦產(chǎn)大學(xué)等組成。

根據(jù)論文發(fā)表平均年份可以看出該聚類為熱儲(chǔ)能研究領(lǐng)域的新興力量，其在陳麗萍等基于2007—2017年文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的研究中尚未形成。該聚類內(nèi)研究機(jī)構(gòu)彼此間聯(lián)系密切，發(fā)展迅速，學(xué)術(shù)影響力逐步提高，與聚類外研究機(jī)構(gòu)的交流合作也日益廣泛。聚類Ⅲ主要由西班牙的萊里達(dá)大學(xué)和巴塞羅那大學(xué)組成，該聚類機(jī)構(gòu)較少，論文發(fā)表不多，且主要機(jī)構(gòu)論文發(fā)表的平均年份都早于2018年，屬于早期的主要研究聚類，與聚類內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的交流也不夠緊密。

圖3國(guó)際上熱儲(chǔ)能研究機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)性圖譜

熱儲(chǔ)能技術(shù)研究機(jī)構(gòu)聚類的中心隨著時(shí)間的進(jìn)展出現(xiàn)了轉(zhuǎn)移，2007—2017年間，熱儲(chǔ)能技術(shù)研究存在西班牙和中國(guó)兩個(gè)學(xué)術(shù)熱區(qū)；本文最新的數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示我國(guó)研究機(jī)構(gòu)聚類規(guī)模和學(xué)術(shù)影響力日漸強(qiáng)大，西班牙的影響力不斷減弱，中東國(guó)家與印度的研究發(fā)展勢(shì)頭迅猛。

圖4為國(guó)際上熱儲(chǔ)能研究學(xué)者關(guān)聯(lián)性圖譜，包括四個(gè)聚類，其中前三個(gè)學(xué)者聚類與上述研究機(jī)構(gòu)聚類有對(duì)應(yīng)關(guān)系。學(xué)者聚類Ⅰ和Ⅱ具有相似特征，即圍繞論文高產(chǎn)量學(xué)者形成研究團(tuán)隊(duì)，不同研究團(tuán)隊(duì)間的交流合作促使多元集合體式聚類的規(guī)模擴(kuò)展。

其中，聚類Ⅰ中Ding Yulong、Fang Xiaoming和Rao Zhonghao為排在論文發(fā)表數(shù)量前三位的學(xué)者，聚類Ⅱ則有Sari、Ahmet、Tyagi,V.V.和Ghalambaz,Mohammad等代表性學(xué)者。學(xué)者聚類Ⅲ呈現(xiàn)出更加明顯的中心性，Cabeza Luisa F.發(fā)表的熱儲(chǔ)能研究論文數(shù)量達(dá)到222篇，位居全球第一，以其為中心形成放射狀的單核集合體，該聚類內(nèi)學(xué)者多來(lái)自同一機(jī)構(gòu)，因此造成該研究機(jī)構(gòu)聚類Ⅲ規(guī)模較小。

由于核心學(xué)者Cabeza Luisa F.近年來(lái)論文發(fā)表數(shù)量減少，相關(guān)學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)聚類的活躍度均隨之下降。在多元集合體的聚類模式中，個(gè)別論文高產(chǎn)量學(xué)者的中心性會(huì)被稀釋，對(duì)聚類的影響相對(duì)較小，這有利于聚類的長(zhǎng)期發(fā)展和影響力保持。聚類Ⅳ是以Kim Sumin、Wi Seunghwan和Jeong Sugwang為代表的韓國(guó)學(xué)者集合體，其論文發(fā)表數(shù)量前二的學(xué)者均來(lái)自韓國(guó)延世大學(xué)，與中國(guó)學(xué)者聯(lián)系密切，尚無(wú)法形成一個(gè)獨(dú)立的研究機(jī)構(gòu)聚類。

圖4國(guó)際上熱儲(chǔ)能研究學(xué)者關(guān)聯(lián)性圖譜

研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者聚類的形成首先與地緣位置具有高度相關(guān)性，杰出學(xué)者或?qū)W者群帶動(dòng)了周邊區(qū)域甚至國(guó)家的熱儲(chǔ)能技術(shù)研究水平的發(fā)展和提高。在學(xué)者合作圖譜中，各聚類均與聚類Ⅰ存在學(xué)術(shù)交流的紐帶，這些紐帶多為在海外任職的華人學(xué)者以及有過(guò)留學(xué)經(jīng)歷的中國(guó)學(xué)者。從總體來(lái)看，聚類間的聯(lián)系仍表現(xiàn)為相對(duì)獨(dú)立的連線，尚未形成規(guī)模，特別是中東與歐洲國(guó)家?guī)缀鯚o(wú)直接的科研合作。因此，研究機(jī)構(gòu)應(yīng)該多爭(zhēng)取國(guó)際合作項(xiàng)目并鼓勵(lì)學(xué)者參加國(guó)際學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)規(guī)模性合作，推動(dòng)熱儲(chǔ)能技術(shù)的研究發(fā)展。

從論文發(fā)表數(shù)量和交流合作兩方面可以看出，中國(guó)已成為熱儲(chǔ)能研究領(lǐng)域的全球?qū)W術(shù)中心，這與國(guó)家的資金支持和“雙碳”戰(zhàn)略的提出密不可分。熱儲(chǔ)能新技術(shù)的初始研發(fā)和革新成本較高，需要持續(xù)、穩(wěn)定、充足的資金支持，但較高的風(fēng)險(xiǎn)和較長(zhǎng)的回報(bào)期使其難以受到私募股權(quán)和風(fēng)險(xiǎn)資本的青睞，因此在熱儲(chǔ)能新技術(shù)研發(fā)階段的政策支持和公共資本投入顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞是文獻(xiàn)檢索的重要依據(jù)，高度概括了論文的研究主題和方向。熱儲(chǔ)能研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜如圖5所示，以清晰直觀的方式呈現(xiàn)出學(xué)者關(guān)注的研究方向，代表了熱儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，基于VOSviewer軟件的詞庫(kù)自定義文件，剔除共用關(guān)鍵詞并合并同義詞，完成文獻(xiàn)數(shù)據(jù)清洗。

圖5.熱儲(chǔ)能研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

由圖5可見(jiàn)，相變材料（phase change material）吸引了眾多學(xué)者的研究興趣，出現(xiàn)頻次高居首位。在同義關(guān)鍵詞合并過(guò)程中發(fā)現(xiàn)相變材料的表達(dá)方式高達(dá)十余種，說(shuō)明學(xué)術(shù)界對(duì)此尚無(wú)完全確定的命名定式，因此建議對(duì)相變材料相關(guān)文獻(xiàn)檢索時(shí)采用通配符并慎用固定短語(yǔ)檢索，以全面及時(shí)獲得最新學(xué)術(shù)文獻(xiàn)。此外，潛熱（latent heat）的出現(xiàn)頻次排在了第五位，綜合相變材料和潛熱這兩個(gè)關(guān)鍵詞可以發(fā)現(xiàn)，在顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)整體趨于成熟及熱化學(xué)儲(chǔ)熱尚處于基礎(chǔ)研究階段的情況下，潛熱儲(chǔ)熱，尤其是相變材料的研究和開(kāi)發(fā)，以其較強(qiáng)的應(yīng)用潛力和豐富的研究?jī)?nèi)容，成為了熱儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

世界各國(guó)碳中和目標(biāo)的提出大力推動(dòng)了熱儲(chǔ)能技術(shù)的研究發(fā)展，如何提高運(yùn)行性能和優(yōu)化系統(tǒng)成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，因此性能（performance）和系統(tǒng)（system）的出現(xiàn)頻次分列第二、三位。為了有效改善傳熱，學(xué)術(shù)界在提高熱導(dǎo)率（conductivity）方面也投入了大量精力。表4為2022年被科學(xué)引文索引擴(kuò)展檢索的熱儲(chǔ)能研究文獻(xiàn)中出現(xiàn)頻次前五位的關(guān)鍵詞，除熱導(dǎo)率和潛熱順序?qū)φ{(diào)外，統(tǒng)計(jì)結(jié)果與近十年數(shù)據(jù)高度吻合，相變材料、潛熱儲(chǔ)熱、性能提升、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和傳熱強(qiáng)化將是熱儲(chǔ)能領(lǐng)域未來(lái)研究的發(fā)展趨勢(shì)。

表4 2022年熱儲(chǔ)能研究相關(guān)文獻(xiàn)熱點(diǎn)關(guān)鍵詞

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熱儲(chǔ)能在供熱發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

4.1蓄熱式供熱技術(shù)

由于熱化學(xué)儲(chǔ)熱多處于實(shí)驗(yàn)室探索階段、技術(shù)尚未成熟，本文重點(diǎn)闡述顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱等技術(shù)在供熱領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。

圖6.蓄熱式供熱技術(shù)

以水為介質(zhì)的顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠、研發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)、技術(shù)較為成熟，儲(chǔ)熱水罐是其中最具代表性的儲(chǔ)熱設(shè)備。Lavan與Thompson對(duì)儲(chǔ)熱水罐中的斜溫層現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，計(jì)算了不同的長(zhǎng)徑比、進(jìn)出口溫差和質(zhì)量流量下系統(tǒng)的熱提取率，采用雷諾數(shù)、長(zhǎng)徑比和基于儲(chǔ)罐直徑的格拉曉夫數(shù)擬合了熱提取率的關(guān)聯(lián)式，并提出基于多注水口和布水器布置的儲(chǔ)放熱性能提升方法，為儲(chǔ)熱水罐的設(shè)計(jì)和計(jì)算提供了理論指導(dǎo)。歐洲利用基于電力加熱的儲(chǔ)熱水罐解決冬季負(fù)荷高峰的供熱問(wèn)題，并在美國(guó)工程應(yīng)用。由于采用高品位電能直接加熱給水存在巨大的?損失，抽取汽輪發(fā)電機(jī)組中間級(jí)的蒸汽作為熱源可提高儲(chǔ)放熱的能量利用效率。

Verda與Colella采用Fluent軟件建立軸對(duì)稱熱流體動(dòng)力學(xué)模型，模擬了放熱過(guò)程中儲(chǔ)熱水罐內(nèi)部的溫度場(chǎng)，首先發(fā)現(xiàn)湍流對(duì)流效應(yīng)可極大提高有效熱導(dǎo)率；然后計(jì)算了都靈地區(qū)的供熱需求，并研究了兩種機(jī)組配置模式下不同儲(chǔ)罐容積對(duì)區(qū)域熱網(wǎng)燃料消耗量、機(jī)組熱負(fù)荷供應(yīng)比例、發(fā)電量、年度總成本的影響，獲得了基于燃料和經(jīng)濟(jì)性的系統(tǒng)最優(yōu)儲(chǔ)罐容積。結(jié)果表明引入儲(chǔ)熱水罐能夠明顯降低區(qū)域熱網(wǎng)的能源消耗和運(yùn)維成本。

作為單罐儲(chǔ)熱設(shè)備中的獨(dú)有現(xiàn)象，斜溫層及其內(nèi)的熱分層性能吸引了最多的研究關(guān)注。Rosen等的研究表明斜溫層中的溫度分布水平顯著影響儲(chǔ)放熱效率。大量學(xué)者通過(guò)設(shè)計(jì)新型布水器、改良擋板形狀和結(jié)構(gòu)、優(yōu)化入口裝置和引入低熱導(dǎo)率內(nèi)襯材料等措施減弱混合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱水罐熱分層性能的改善。

以太陽(yáng)能為熱源的大容量?jī)?chǔ)熱水罐能夠?qū)崿F(xiàn)清潔高效供熱，但較大的儲(chǔ)罐體積會(huì)增加投資成本，不便于系統(tǒng)占地規(guī)劃，且改造和維護(hù)困難。多罐模塊化水儲(chǔ)熱裝置將數(shù)個(gè)小體積的儲(chǔ)罐相互連接，其造價(jià)較低，占地規(guī)劃更加靈活，系統(tǒng)改造升級(jí)也更容易。Dickinson等開(kāi)展了串聯(lián)儲(chǔ)熱—串聯(lián)放熱、并聯(lián)儲(chǔ)熱—并聯(lián)放熱和串聯(lián)儲(chǔ)熱—并聯(lián)放熱等三種不同配置模式下的實(shí)驗(yàn)研究，分析了熱分層等級(jí)、熱水輸送溫度和太陽(yáng)能保證率三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，并與TRNSYS模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究表明系統(tǒng)并聯(lián)儲(chǔ)熱—并聯(lián)放熱運(yùn)行能夠獲得最高的太陽(yáng)能利用率；與具有相同容積和相同性能換熱器的單儲(chǔ)罐相比，該配置模式太陽(yáng)能利用率達(dá)到97.7%。

然而，第一定律效率不考慮能量品味，?分析則關(guān)注了儲(chǔ)放熱過(guò)程中的不可逆性損失，因此第二定律效率比較了真實(shí)和理想系統(tǒng)性能的接近程度，確定了熱力損失的原因和位置，從而為儲(chǔ)熱系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化提供借鑒和參考。Osorio等開(kāi)發(fā)了理論模型，分析放熱功率恒定條件下質(zhì)量流量分布均勻的多儲(chǔ)罐系統(tǒng)、質(zhì)量流量分布不均勻和質(zhì)量流量可變的兩儲(chǔ)罐系統(tǒng)的熱分層效應(yīng)，結(jié)果表明混合是造成?損失的重要因素；采用多儲(chǔ)罐能夠改善熱分層從而提高?效率。針對(duì)兩儲(chǔ)罐系統(tǒng)的性能優(yōu)化，研究給出了以時(shí)間為自變量的質(zhì)量流量分配函數(shù)。

此外，以水為介質(zhì)的顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)是常用的季節(jié)性儲(chǔ)熱解決方案，包括大型水體儲(chǔ)熱技術(shù)、地埋管式儲(chǔ)熱技術(shù)、含水層儲(chǔ)熱技術(shù)和水—礫石儲(chǔ)熱技術(shù)。然而，水儲(chǔ)熱較低的體積儲(chǔ)熱密度和儲(chǔ)熱/放熱過(guò)程的溫度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致能量利用效率降低，需進(jìn)一步提高儲(chǔ)放熱效率，減小熱損失。

相變材料能夠在恒定溫度下吸收或釋放大量潛熱，將其添加到儲(chǔ)熱水罐可顯著增大蓄熱量和儲(chǔ)能密度，有效提高太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)性能。Wu等針對(duì)三水合醋酸鈉相變材料與太陽(yáng)能家用熱水儲(chǔ)罐耦合蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，分析了入口流量和相變材料位置對(duì)熱分層的影響，發(fā)現(xiàn)過(guò)大的入口流量會(huì)導(dǎo)致斜溫層增厚并加劇儲(chǔ)罐內(nèi)的混合效應(yīng)，而相變材料靠近熱水入口能夠改善熱分層、提高系統(tǒng)的儲(chǔ)放熱性能。

Huang等和Wang等針對(duì)不同相變材料耦合水儲(chǔ)熱系統(tǒng)的研究也得出了相似結(jié)論。為緩解流量增加導(dǎo)致的儲(chǔ)熱水罐中的冷熱水混合效應(yīng)，Wang等提出了具有三層流道結(jié)構(gòu)的新型布水器并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以改善熱分層。相變材料的添加量、布置方式以及與耦合儲(chǔ)熱介質(zhì)匹配的罐體部件結(jié)構(gòu)仍有待進(jìn)一步研究。

固體儲(chǔ)熱技術(shù)上世紀(jì)八十年代已在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展了工程應(yīng)用。在供熱領(lǐng)域，固體儲(chǔ)熱裝置主要包括填充床和以耐火磚為代表的多孔蓄熱體。填充床以電能作為熱源加熱固體顆粒，空氣流經(jīng)間隙與顆粒直接接觸完成熱量傳遞，升溫后的空氣通過(guò)換熱器加熱給水，最后熱水用于供熱。針對(duì)圓柱式球形固體顆粒填充床，Maaliou與McCoy以獲得最大經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，提出了優(yōu)化空氣流速、填充床結(jié)構(gòu)以及顆粒直徑等參數(shù)的方法。

以太陽(yáng)能作為填充床熱源，可節(jié)省電能，逐漸成為了研究趨勢(shì)。低溫太陽(yáng)能填充床儲(chǔ)熱系統(tǒng)以鋁、磚、混凝土、鑄鐵、純鐵、氯化鈣、銅、花崗巖和巖石（石灰石、大理石、砂巖）等為填料，易于建設(shè)、投資成本低。由于太陽(yáng)能的間歇性，其集熱器出口溫度會(huì)在午后逐漸降低，此時(shí)若持續(xù)將空氣導(dǎo)入填充床系統(tǒng)，會(huì)造成蓄熱量減小，熱分層水平下降。基于此，Türkakar建立了一維瞬態(tài)有限差分模型，考慮了放熱過(guò)程風(fēng)扇的寄生功耗，分析了由鑄鐵、銅、巖石三種不同體積熱容材料組成的分層填充床儲(chǔ)熱系統(tǒng)熱、?利用性能，依據(jù)熱分層程度、儲(chǔ)熱量和?以及空間供暖釋放熱量，確定了最優(yōu)儲(chǔ)熱周期，結(jié)果表明采用分段床層能夠有效提高填充床儲(chǔ)熱系統(tǒng)的蓄熱量和熱分層水平。

以硅鎂耐火磚為儲(chǔ)熱介質(zhì)的固體蓄熱式電鍋爐技術(shù)發(fā)展成熟，近年來(lái)研究主要集中在優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)、提高傳熱性能和棄電消納能力評(píng)價(jià)等方面。邢作霞等采用流固耦合方法對(duì)蓄熱結(jié)構(gòu)傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析蓄熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度變化及流體動(dòng)力學(xué)特性，優(yōu)化了通道結(jié)構(gòu)、隙率及進(jìn)口空氣流速等參數(shù)，并完成了250 kW實(shí)驗(yàn)臺(tái)性能驗(yàn)證。曹麗華等提出了熱化風(fēng)電消納系數(shù)，采用兩級(jí)評(píng)價(jià)體系，綜合考慮能源、運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)三個(gè)一級(jí)目標(biāo)和多個(gè)二級(jí)目標(biāo)，通過(guò)計(jì)算評(píng)價(jià)固體蓄熱式電鍋爐的棄電消納能力。

此外，近年來(lái)相變電儲(chǔ)熱技術(shù)依托于電鍋爐和固體電蓄熱裝置，在供熱領(lǐng)域嶄露頭角。一種是以相變材料替代電鍋爐中熱水，另一種是將相變材料磚作為固體蓄熱介質(zhì)，存儲(chǔ)低谷電制取的熱量，并根據(jù)需求完成供熱負(fù)荷調(diào)配。當(dāng)前研究?jī)H集中于應(yīng)用形式設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方面。此外，潛熱儲(chǔ)熱材料與建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合有助于保持室內(nèi)溫度在舒適范圍內(nèi)，降低室內(nèi)冷暖調(diào)節(jié)的能耗。

4.2熱電解耦技術(shù)

我國(guó)北方地區(qū)的燃煤熱電機(jī)組冬季要滿足供熱需求，由于系統(tǒng)靈活性受限，無(wú)法參與深度調(diào)峰，造成了嚴(yán)重棄風(fēng)棄光，亟需高效靈活熱電解耦技術(shù)促進(jìn)消納更多的可再生能源電力。

熱儲(chǔ)能可有效存儲(chǔ)汽輪機(jī)抽汽及風(fēng)光棄電制熱，并根據(jù)供熱負(fù)荷需求進(jìn)行調(diào)控放熱，增加熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行靈活性，提高能量利用效率。如上所述，當(dāng)前火力發(fā)電廠熱電解耦主要依靠?jī)?chǔ)熱水罐和固體電蓄熱裝置。在儲(chǔ)熱裝置與火電機(jī)組的適配性評(píng)價(jià)和協(xié)調(diào)調(diào)度方面，金國(guó)強(qiáng)等計(jì)算了某330 MW抽汽式供熱機(jī)組加裝儲(chǔ)熱罐前后的安全性，量化了供熱和發(fā)電解耦指標(biāo)并進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明儲(chǔ)熱罐改造能夠大幅提升機(jī)組的熱電解耦和深度調(diào)峰能力。

孫鵬等基于ANSYS軟件模擬了固態(tài)蓄熱體的溫度場(chǎng)，并分別建立了固體蓄熱式電鍋爐、供熱網(wǎng)絡(luò)和建筑物熱慣性模型，以最小化綜合運(yùn)行成本為優(yōu)化目標(biāo)，考慮機(jī)組、電網(wǎng)和熱負(fù)荷需求等約束條件，對(duì)東北某熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化求解，結(jié)果表明考慮熱力系統(tǒng)多重?zé)釕T性的電熱聯(lián)合協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行策略可以有效降低電熱耦合強(qiáng)度，提高系統(tǒng)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。

在太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域，熔鹽是260℃~600℃溫度范圍典型的儲(chǔ)熱介質(zhì)，具有較佳的傳熱性能和穩(wěn)定性，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模應(yīng)用。將熔鹽儲(chǔ)熱裝置集成到大型火力發(fā)電系統(tǒng)，可以深度利用燃煤發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和無(wú)功功率，是在保持較高熱、?利用效率同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱電解耦的潛在方案。Zhang等提出了基于高溫?zé)煔夂瓦^(guò)熱蒸汽的新型熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，模擬了儲(chǔ)放熱和機(jī)組運(yùn)行性能并進(jìn)行了?分析，結(jié)果表明熔鹽儲(chǔ)熱的集成協(xié)同改善了熱力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性和熱效率，在維持鍋爐穩(wěn)定燃燒的前提下，機(jī)組最小出力從30%下降到14.5%，通過(guò)熱源和熱存儲(chǔ)介質(zhì)之間的適當(dāng)匹配，儲(chǔ)放熱等效循環(huán)效率可達(dá)85.17%，大大降低?損失。

Yong等設(shè)計(jì)了一種超臨界燃煤機(jī)組耦合熔鹽儲(chǔ)熱電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，基于Ebsilion仿真軟件搭建了詳細(xì)的熱力學(xué)模型并對(duì)比分析經(jīng)濟(jì)性。該研究對(duì)現(xiàn)有的600MW超臨界機(jī)組進(jìn)行工程改造，使用熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)取代原有鍋爐，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)，利用電阻加熱器將富裕電力轉(zhuǎn)換為熱能并儲(chǔ)存在高溫熔鹽儲(chǔ)罐中；在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)，儲(chǔ)存的熱能被交換到蒸汽透平做功。熱力學(xué)分析結(jié)果顯示：滿負(fù)荷時(shí)耦合儲(chǔ)熱的燃煤電廠熱效率為41.8%，略高于傳統(tǒng)燃煤電廠的40.3%；低負(fù)荷工況效率可從33.1%提升到36.9%；機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍為15%~100%，爬坡率達(dá)到5%/min，最優(yōu)情況下可獲得0.2元/kW·h的平準(zhǔn)化度電成本。盡管當(dāng)前研究仍多為系統(tǒng)的模擬及理論分析層面，但基于熔鹽儲(chǔ)熱的燃煤發(fā)電機(jī)組高效靈活熱電解耦技術(shù)具有巨大的工程應(yīng)用潛力。

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總結(jié)

熱儲(chǔ)能作為削峰填谷的能量調(diào)節(jié)技術(shù)，能夠提高聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行靈活性和供熱過(guò)程的能量利用效率，并將成為帶動(dòng)熱電雙供技術(shù)創(chuàng)新突破的重要引領(lǐng)。本文首先根據(jù)工作原理對(duì)熱儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行梳理并總結(jié)研究現(xiàn)狀，之后采用VOSviewer軟件分析熱儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究合作情況及熱點(diǎn)趨勢(shì)，最后簡(jiǎn)要介紹熱儲(chǔ)能技術(shù)在蓄熱式供熱和熱電解耦領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，主要結(jié)論如下：

（1）熱儲(chǔ)能技術(shù)可分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱。顯熱儲(chǔ)熱成本低廉、技術(shù)成熟度最高，提高儲(chǔ)放熱循環(huán)效率為當(dāng)前主要突破方向；潛熱儲(chǔ)熱的儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)熱/放熱過(guò)程溫度近乎恒定，已開(kāi)始規(guī)?；瘧?yīng)用嘗試，仍需解決相分離、過(guò)冷等問(wèn)題；熱化學(xué)儲(chǔ)熱儲(chǔ)能密度最高，有望實(shí)現(xiàn)熱能的長(zhǎng)期儲(chǔ)存，由于系統(tǒng)復(fù)雜、輔助設(shè)備多，尚處于基礎(chǔ)研究階段。

（2）近10年世界范圍內(nèi)熱儲(chǔ)能領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)呈現(xiàn)出中國(guó)、中東/印度和西班牙三大聚類，隨之產(chǎn)生三個(gè)對(duì)應(yīng)的主要學(xué)者聚類。熱儲(chǔ)能技術(shù)研究中心隨著時(shí)間的進(jìn)展出現(xiàn)轉(zhuǎn)移，在我國(guó)的資金支持和“雙碳”戰(zhàn)略的推動(dòng)下，中國(guó)已成為熱儲(chǔ)能研究領(lǐng)域的全球?qū)W術(shù)中心。相變材料、潛熱儲(chǔ)熱、性能提升、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和傳熱強(qiáng)化將是熱儲(chǔ)能領(lǐng)域未來(lái)研究發(fā)展的趨勢(shì)方向。

（3）顯熱儲(chǔ)熱和潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)在利用太陽(yáng)能和冗余電力供熱方面實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。當(dāng)前火力發(fā)電廠熱電解耦主要依靠?jī)?chǔ)熱水罐和固體電蓄熱裝置。相變材料能夠在恒定溫度下吸收或釋放大量潛熱，將其用于水儲(chǔ)熱和固體蓄熱介質(zhì)可顯著增大儲(chǔ)能密度，提高能源利用效率。將熔鹽儲(chǔ)熱裝置集成到大型燃煤發(fā)電機(jī)組，可以實(shí)現(xiàn)高效靈活熱電解耦，提升熱/?效率，具有巨大的工程應(yīng)用潛力。