李永亮，金 翼，黃 云，葉 鋒，汪 翔，李大成，王彩霞，丁玉龍

（英國(guó)利茲大學(xué)-中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所儲(chǔ)能聯(lián)合研究中心，北京 100190）

在人類現(xiàn)代文明的發(fā)展過程中，電能的應(yīng)用是繼鉆木取火和蒸汽機(jī)應(yīng)用后，人類歷史上利用能源的第三次飛躍。電能的即時(shí)傳輸徹底改變了人類的用能方式，使人類迎來了電氣化時(shí)代，并奠定了21世紀(jì)信息化現(xiàn)代文明的基石。然而也正是電能即發(fā)即用的特點(diǎn)，使得電力工業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)包括發(fā)電、輸電、配電以及用電都必須得到即時(shí)的相互協(xié)調(diào)以保證電力系統(tǒng)的安全和可靠運(yùn)行，這也使得電網(wǎng)成為迄今為止人類建造的最復(fù)雜的系統(tǒng)工程之一。

但目前我國(guó)的實(shí)際狀況是電力供應(yīng)鏈尤其是電網(wǎng)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，這是由我國(guó)近年來用戶端用電情況的變化以及發(fā)電端電源結(jié)構(gòu)的變化兩個(gè)方面共同決定的。用電方面隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，城鎮(zhèn)用電量不斷的增加，電力峰谷差不斷擴(kuò)大，特別是居民空調(diào)的普及，加劇了供電的峰谷矛盾。為應(yīng)對(duì)不斷增加的高峰電力需求，我國(guó)的裝機(jī)容量不斷攀升，截止2012年底全國(guó)裝機(jī)容量超過1140 GW，居世界第一位。電源結(jié)構(gòu)方面新增容量絕大多數(shù)為300 MW以上的大型火電機(jī)組，運(yùn)行靈活但效率低且污染嚴(yán)重的中小型燃煤機(jī)組被逐漸取締，這也給電網(wǎng)的調(diào)峰帶來了很大的問題。另一方面我國(guó)近年來可再生電力發(fā)展迅猛，截止2012年底風(fēng)電裝機(jī)超過63 GW，約占全球裝機(jī)總?cè)萘康?6%，位居世界第一；太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)容量也超過 7 GW。由于可再生能源發(fā)電受季節(jié)、氣象和地域條件的影響，具有明顯的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性，其發(fā)出的電力波動(dòng)較大，可調(diào)節(jié)性差。不斷提高的可再生發(fā)電容量接入電網(wǎng)已經(jīng)并且將更加嚴(yán)重地影響電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定性。以我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)為例，由于以大容量的集中式風(fēng)電為主且當(dāng)?shù)叵{能力明顯不足，使得我國(guó)目前的棄風(fēng)現(xiàn)象十分普遍。國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2011年度我國(guó)風(fēng)電棄風(fēng)限電總量超過100億千瓦時(shí)，平均利用小時(shí)數(shù)大幅減少至1900小時(shí)左右，個(gè)別?。▍^(qū)）的利用小時(shí)數(shù)已經(jīng)下降到1600小時(shí)左右，嚴(yán)重影響了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。可見，可再生能源發(fā)電的大規(guī)模電網(wǎng)接入已經(jīng)成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。

配套大規(guī)模儲(chǔ)能裝置，可以解決發(fā)電與用電的時(shí)差矛盾及間歇式可再生能源發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)安全和穩(wěn)定性的影響。儲(chǔ)能技術(shù)作為提高智能電網(wǎng)對(duì)可再生能源發(fā)電兼容量的重要手段和實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)能量雙向互動(dòng)的中樞和紐帶，是智能電網(wǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國(guó)近年來十分重視儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，近期發(fā)布的《國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》中明確提出“十二五”期間將重點(diǎn)發(fā)展大規(guī)模間歇式電源并網(wǎng)與儲(chǔ)能等核心技術(shù)。

將儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的大規(guī)模儲(chǔ)能具有其獨(dú)特的自身優(yōu)勢(shì)。首先儲(chǔ)熱技術(shù)是物理過程，相對(duì)于化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能它的技術(shù)成熟度更高而成本較低，適合大容量長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能。更為重要的是目前電力系統(tǒng)中絕大部分的發(fā)電過程是通過熱功轉(zhuǎn)化的方式實(shí)現(xiàn)的（水電例外），熱能本身就是發(fā)電過程的重要環(huán)節(jié)。因而利用儲(chǔ)熱技術(shù)作為電力系統(tǒng)中大規(guī)模儲(chǔ)能手段時(shí)，其釋能過程可以利用電力系統(tǒng)本身的熱功轉(zhuǎn)化設(shè)備，這樣可以大大提高設(shè)備利用率和整體能源利用效率，進(jìn)一步降低了儲(chǔ)能的成本。最后，在某些特殊場(chǎng)合例如分布式能源系統(tǒng)中，熱能（包括熱與冷）本身就是終端用戶需要的能量形式之一，故而利用儲(chǔ)熱技術(shù)可以達(dá)到一舉多得的目的。

但是另一方面相對(duì)于其它儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)熱也有其自身的不足。一是熱能的品位（即熱能“”）相對(duì)于化學(xué)能和電磁能等比較低，這就使得大規(guī)模儲(chǔ)熱雖然容易，但是要保證所儲(chǔ)存熱量的質(zhì)，即所儲(chǔ)熱量最終轉(zhuǎn)化為電功的量卻不易，因而進(jìn)一步提高儲(chǔ)熱的能量密度一直是科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)努力方向。另外，儲(chǔ)熱技術(shù)中能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移是依靠分子的熱運(yùn)動(dòng)完成的，由于熱的傳遞相對(duì)于化學(xué)能和電磁能的傳遞要慢得多，這就使得熱能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中其品質(zhì)的損失較大（由傳熱過程中的溫差引起），它會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)儲(chǔ)能過程的效率。因而在當(dāng)前電力系統(tǒng)中主要的儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用方面，包括太陽能熱發(fā)電儲(chǔ)熱技術(shù)、壓縮空氣儲(chǔ)能儲(chǔ)熱技術(shù)、深冷儲(chǔ)電技術(shù)以及熱泵儲(chǔ)電技術(shù)，都在努力通過提高儲(chǔ)存熱量的能量密度和優(yōu)化熱能轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程以提高儲(chǔ)熱技術(shù)的效率和經(jīng)濟(jì)性。

1 儲(chǔ)熱技術(shù)在太陽能熱發(fā)電中的應(yīng)用

太陽能熱發(fā)電（即光熱技術(shù)）是指利用集熱器將太陽輻射波譜中長(zhǎng)波部分的能量轉(zhuǎn)換成熱能并通過熱力循環(huán)過程進(jìn)行發(fā)電的過程。與價(jià)格昂貴的光伏發(fā)電相比，光熱技術(shù)被認(rèn)為是更加適合大規(guī)模集中式開發(fā)的太陽能發(fā)電方式，它與傳統(tǒng)的化石能源發(fā)電相互配合使用能成為緩解能源危機(jī)的重要途徑。由于太陽輻射的一個(gè)明顯特點(diǎn)是受晝夜和季節(jié)等規(guī)律性變化的影響以及陰晴云雨等隨機(jī)因素的制約，為保證太陽能電站的全天候連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行并提高發(fā)電效率、降低發(fā)電成本，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中一般都會(huì)采用儲(chǔ)熱技術(shù)。

太陽能儲(chǔ)熱包含三個(gè)子過程：① 換熱流體將熱能從集熱器帶走并傳給儲(chǔ)熱介質(zhì)（換熱流體本身也是儲(chǔ)熱介質(zhì)）；② 熱能在儲(chǔ)熱介質(zhì)積聚；③ 換熱流體將熱能從儲(chǔ)熱介質(zhì)中帶走并傳遞給發(fā)電系統(tǒng)中的熱設(shè)備。依照實(shí)際應(yīng)用中三個(gè)過程的實(shí)施方式，太陽能熱發(fā)電中的儲(chǔ)熱技術(shù)可以分為兩類。第一類儲(chǔ)熱技術(shù)中三個(gè)過程完全分開，儲(chǔ)熱量的具體表現(xiàn)為儲(chǔ)熱介質(zhì)溫度的升高和/或降低，以及相變潛熱量的增加或減少。在這類應(yīng)用中，一般水或?qū)嵊偷扔米鲹Q熱流體，而熱量最終以顯熱的形式儲(chǔ)存于巖石、耐火高溫混凝土等顯熱儲(chǔ)熱材料中和/或以潛熱的形式儲(chǔ)存于相變材料中。這種儲(chǔ)熱方式的優(yōu)點(diǎn)是便于控制，但是水和導(dǎo)熱油在高溫下蒸汽壓很大，使用時(shí)需特殊的壓力閥等設(shè)備，導(dǎo)熱油還容易引發(fā)火災(zāi)，而且價(jià)格較貴[1]。另一方面由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱能在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過程中有損失，尤其是在復(fù)雜的傳熱過程中熱能的品質(zhì)降低，使得整個(gè)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的效率較低。第二類儲(chǔ)熱技術(shù)中的傳熱流體（如熔融鹽）在儲(chǔ)熱過程中同時(shí)作為換熱流體和儲(chǔ)熱介質(zhì)，從而簡(jiǎn)化了熱量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程，減小了儲(chǔ)熱過程中能質(zhì)的損耗。熔融鹽作為傳熱流體是指將普通的固態(tài)無機(jī)鹽加熱到其熔點(diǎn)以上形成液態(tài)，然后利用熔融鹽的熱循環(huán)達(dá)到太陽能傳熱蓄熱的目的。表1顯示，與傳統(tǒng)的工質(zhì)相比，熔融鹽在高溫工作區(qū)具有較寬的使用溫度范圍、較好的傳熱性能、較低的工作壓力以及相對(duì)便宜的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，但腐蝕性等是這種介質(zhì)的缺點(diǎn)之一（見下文）。

表1 常用液態(tài)顯熱儲(chǔ)熱材料的工作溫度和優(yōu)缺點(diǎn)[2]Table 1 Comparison of some liquid thermal energy storage media[2]

目前世界上已經(jīng)建設(shè)運(yùn)行和正在建設(shè)中帶儲(chǔ)熱的光熱電站，幾乎全部采用熔融鹽儲(chǔ)熱，其具體配置為雙罐式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由此可見，與第一類儲(chǔ)熱技術(shù)不同的是其儲(chǔ)熱的具體表現(xiàn)為儲(chǔ)熱介質(zhì)質(zhì)量的增加，即高溫灌中熔融鹽質(zhì)量的增加。第一套配置熔融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的商業(yè)化太陽能熱電站由西班牙Andasol建造并于2009年投入運(yùn)行。迄今為止包括意大利 Archimede太陽能熱電站、西班牙Torresol太陽能熱電站等均通過熔融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的配置實(shí)現(xiàn)了10MW級(jí)系統(tǒng)的24小時(shí)持續(xù)發(fā)電。值得指出的是，雖然熔融鹽儲(chǔ)熱已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用的階段，但是在使用中的問題仍然十分突出，例如碳酸鹽液態(tài)的黏度大和易分解，氯鹽對(duì)容器的強(qiáng)腐蝕性，硝酸鹽溶解熱較小、熱導(dǎo)率低等問題。更為嚴(yán)重的是，由于熔融鹽的凝固溫度較高，一旦溫度降低它有可能在集熱器和管路中凝結(jié)從而可能使設(shè)備報(bào)廢。因而熔融鹽目前的研究熱點(diǎn)之一是尋找新的配方以降低上述問題的發(fā)生，并且更重要的是降低其凝固溫度[4]。

圖1 與燃機(jī)集成的包含儲(chǔ)熱單元的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖[3]Fig.1 Solar thermal power plant integrated with thermal energy storage unit and gas turbine[3]

2 儲(chǔ)熱技術(shù)在壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)中的應(yīng)用

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是迄今為止除抽水儲(chǔ)能外唯一投入工業(yè)應(yīng)用的大規(guī)模儲(chǔ)電技術(shù)。利用這種儲(chǔ)能方式，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將富余電能用于驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，將空氣高壓密封在山洞、報(bào)廢礦井和過期油氣井中；在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動(dòng)燃汽輪機(jī)發(fā)電。這種傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)已基本趨于成熟，自德國(guó)1978年第一臺(tái)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)行以來，至今已有30多年的歷史。然而傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的大規(guī)模推廣卻面臨著兩方面的技術(shù)障礙：① 能量密度低因而需要大型儲(chǔ)氣裝置；② 高壓比壓縮時(shí)功耗大且產(chǎn)生的壓縮熱多，因此大大影響了整體儲(chǔ)能的效率，并且要依賴燃燒化石燃料來提高透平輸出功率。也正因如此，迄今為止世界上已投入運(yùn)行的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)只有兩套，分別為1978年投產(chǎn)的德國(guó)290 MW的Huntorf壓縮空氣儲(chǔ)能電站和 1991年開始運(yùn)行的美國(guó)亞拉巴馬州McIntosh的110 MW州電力公司壓縮空氣儲(chǔ)能電站[5]。

圖2 絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖[6]Fig.2 Working principle of advanced adiabatic compressed air energy storage technology[6]

帶儲(chǔ)熱的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，即絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是解決壓縮空氣效率低和依賴化石燃料的途徑之一。絕熱壓縮空氣的儲(chǔ)能過程如圖2所示，空氣的壓縮過程接近絕熱，會(huì)產(chǎn)生大量且溫度較高的壓縮熱。該壓縮熱能被存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱裝置中，并在釋能過程中加熱壓縮空氣，驅(qū)動(dòng)透平做功。相比于燃燒燃料的傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率大大提高，可達(dá)到75%以上；同時(shí)，由于用壓縮熱代替燃料燃燒，系統(tǒng)去除了燃燒室，實(shí)現(xiàn)了零排放的要求。

絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的儲(chǔ)熱技術(shù)與太陽能系統(tǒng)中的儲(chǔ)熱技術(shù)相似，也可以采用儲(chǔ)熱介質(zhì)固定和雙罐式換熱流體儲(chǔ)熱兩種方式。由于壓氣機(jī)本身的工作性能限制等原因，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能中的工作溫度不宜過高，一般限制在400 ℃以下，因而實(shí)際中一般采用多級(jí)壓縮級(jí)間冷卻。由于壓氣機(jī)的功耗隨進(jìn)口溫度的升高而急劇增加，在壓氣機(jī)進(jìn)口將空氣溫度冷卻到越低越好?；谝陨蟽蓚€(gè)原因利用導(dǎo)熱油作為傳熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)的雙罐式儲(chǔ)熱系統(tǒng)在絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中最具吸引力。目前德國(guó)的Adele-Stassfurt項(xiàng)目正計(jì)劃于2013年投入1200萬歐元建造一個(gè)輸出功率為 90 MW、儲(chǔ)能容量為 360 MW·h 的示范系統(tǒng)[7]。

3 深冷儲(chǔ)電技術(shù)

圖3 深冷儲(chǔ)電技術(shù)原理圖[9]Fig.3 Principle of cryogen based energy storage technology[9]

深冷儲(chǔ)電技術(shù)是一種將儲(chǔ)熱（冷）直接用于大規(guī)模電能管理的技術(shù)，它以液態(tài)空氣為儲(chǔ)能介質(zhì)，利用空氣常壓下極低的液化點(diǎn)解決了一般儲(chǔ)熱技術(shù)中能量密度小以及壓縮空氣儲(chǔ)能高壓儲(chǔ)存困難的問題，因而可以將深冷儲(chǔ)電技術(shù)看作是儲(chǔ)熱技術(shù)和壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的結(jié)合[8]。深冷儲(chǔ)電技術(shù)的工作原理如圖3所示：在用電低谷，過剩的電能用于驅(qū)動(dòng)空氣液化單元生產(chǎn)液態(tài)空氣并儲(chǔ)存于低壓的深冷儲(chǔ)罐中；在用電高峰或者其它需要緊急電力的情況下液態(tài)空氣被加壓升溫后送入高壓空氣透平組（即釋能單元）驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電。由于低溫液化及儲(chǔ)存技術(shù)是成熟技術(shù)，在液化天然氣行業(yè)已有很長(zhǎng)的應(yīng)用歷史，深冷技術(shù)因此有潛力發(fā)展成為大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)并像抽水儲(chǔ)能電站那樣為電網(wǎng)提供各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)服務(wù)，例如削峰填谷、負(fù)荷跟蹤、緊急備用容量等。

與太陽能熱發(fā)電和絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能中的儲(chǔ)熱技術(shù)只關(guān)注熱能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移不同的是，深冷儲(chǔ)電技術(shù)中熱能的生產(chǎn)，即液態(tài)空氣的生產(chǎn)也是極其重要的一環(huán)，而且是該技術(shù)能否具有競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。如果采用傳統(tǒng)的氣體液化技術(shù)，由于液化過程中能耗大且效率低，會(huì)嚴(yán)重影響深冷儲(chǔ)電的整體效率。英國(guó)利茲大學(xué)和高瞻公司（Highview Power Storage Ltd.）合作提出了在深冷儲(chǔ)能過程中加入蓄冷單元，即在液態(tài)空氣釋能的過程中將其釋放的冷能儲(chǔ)存起來用于液化空氣，以此降低空氣液化過程中的能耗并提高系統(tǒng)的儲(chǔ)電效率，如圖4所示。世界上第一套深冷儲(chǔ)能示范系統(tǒng)（400kW/3MW·h）已于2011年建成并投入運(yùn)行。該系統(tǒng)不僅驗(yàn)證了深冷儲(chǔ)電技術(shù)的可行性，而且通過與就近的生物質(zhì)電廠合作示范了深冷儲(chǔ)能系統(tǒng)在低品位余熱利用方面的巨大潛力，利用它電廠的低溫余熱轉(zhuǎn)化為電能的效率達(dá)50%以上。雖然作為首套系統(tǒng)它的整體儲(chǔ)能效率還有很大的提升空間，但是它在快速啟動(dòng)及出功量快速爬升能力等方面已顯示出巨大優(yōu)勢(shì)，目前示范電廠與英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)合作一直在為電網(wǎng)提供各種容量需求和輔助服務(wù)。

圖4 深冷儲(chǔ)電系統(tǒng)示范系統(tǒng)示意圖[10]Fig.4 A schematic diagram of the cryogen based energy storage demonstration plant[10]

可以看出，深冷儲(chǔ)電技術(shù)本身就是一種包含了熱能生產(chǎn)過程的儲(chǔ)熱技術(shù)，而低溫蓄冷又是其重要的組成部分，因而深冷儲(chǔ)電技術(shù)既包含了儲(chǔ)熱技術(shù)中電能與熱能之間的復(fù)雜轉(zhuǎn)化，也包含了熱能的轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存。目前深冷儲(chǔ)電系統(tǒng)的儲(chǔ)冷單元采用的是以空氣為傳熱流體、以砂石為儲(chǔ)冷介質(zhì)的第一類儲(chǔ)熱技術(shù)。文獻(xiàn)[9]等也提出了利用圖5中所示的制冷劑作為傳熱流體和儲(chǔ)熱介質(zhì)的雙罐式儲(chǔ)冷系統(tǒng)可以獲得更高的系統(tǒng)效率，但是由于制冷劑本身可燃等可能引起的安全性問題，這樣的系統(tǒng)尚未在試驗(yàn)系統(tǒng)中應(yīng)用。

圖5 常用液態(tài)顯熱儲(chǔ)冷材料的工作溫度及其定壓比熱容[9]Fig.5 Working temperature range and heat capacity of some cold storage materials[9]

4 熱泵儲(chǔ)電技術(shù)

深冷儲(chǔ)電技術(shù)是將能量以低溫?zé)崮艿男问絻?chǔ)存，在空氣液化過程中空壓機(jī)也會(huì)產(chǎn)生壓縮熱，但是由于要減小壓縮機(jī)的功耗一般通過級(jí)間冷卻以保證壓縮熱的溫度不要太高。相反地，在熱泵儲(chǔ)電技術(shù)中，卻是通過完全的近似絕熱的壓縮和膨脹同時(shí)產(chǎn)生高溫?zé)崮芎偷蜏乩淠?，以此達(dá)到高效儲(chǔ)存電能的目的。如圖6所示，熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)利用一組高效可逆的熱機(jī)/熱泵將電能同時(shí)轉(zhuǎn)化為熱能和冷能并儲(chǔ)存于兩個(gè)絕熱容器中。在儲(chǔ)電的過程中，常溫常壓的工作氣體首先被壓縮機(jī)近似絕熱地壓縮為高溫高壓氣體，高溫高壓氣體通過集熱器將熱能傳遞給儲(chǔ)熱介質(zhì)，本身降溫為高壓常溫氣體排出集熱器。而后，高壓常溫的工作氣體通過透平機(jī)近似絕熱地膨脹變?yōu)槌旱蜏氐臍怏w，該氣體通過集冷器將冷能傳遞給儲(chǔ)冷介質(zhì)，本身升溫至常溫常壓氣體排出集冷器，完成循環(huán)。在此過程中，壓縮機(jī)耗功和透平機(jī)膨脹功之差即為消耗的凈功，亦即儲(chǔ)存的電能。當(dāng)系統(tǒng)釋能時(shí)，壓氣機(jī)和透平均反轉(zhuǎn)并交換角色，系統(tǒng)的凈出功驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電。可見，與深冷儲(chǔ)電技術(shù)相同，熱泵儲(chǔ)電技術(shù)也同時(shí)包含了電能與熱能之間復(fù)雜的轉(zhuǎn)化和熱能的轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)存兩個(gè)過程。

圖6 熱泵儲(chǔ)電技術(shù)原理示意圖[11]Fig.6 Working principle of heat pump based electrical energy storage technology[11]

熱泵儲(chǔ)電技術(shù)由英國(guó)Isentropic Energy公司提出，由于工作氣體的膨脹和壓縮過程構(gòu)成一個(gè)閉口循環(huán)，一些壓縮熱性能更好的氣體例如氦氣、氬氣等可以用作系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)以降低系統(tǒng)的工作壓力。雖然理論上熱泵儲(chǔ)電技術(shù)的儲(chǔ)能效率非常高，但是它的實(shí)際運(yùn)行效果非常依賴于壓氣機(jī)和透平的實(shí)際性能，即絕熱效率。更為重要的是由于兩個(gè)部件都要同時(shí)滿足正反轉(zhuǎn)時(shí)均有較高的效率，這對(duì)熱功轉(zhuǎn)化設(shè)備提出了非常高的要求。另外，如果集熱器和集冷器中循環(huán)氣體不能充分換熱，也會(huì)大大增加儲(chǔ)能過程中的能耗和減小釋能過程中的凈出功，使系統(tǒng)的儲(chǔ)電效率大大降低。2012年 Isentropic Energy公司獲得了1400萬英鎊的投資建造一個(gè)儲(chǔ)電能力為16 MW·h的示范裝置，其設(shè)計(jì)的儲(chǔ)熱與儲(chǔ)冷溫度分別為500 ℃和-160 ℃，并且擬用氬氣作為循環(huán)工質(zhì)，以沙礫作為儲(chǔ)熱和儲(chǔ)冷介質(zhì)。值得指出的是，使用沙礫的顯熱儲(chǔ)熱和儲(chǔ)冷雖然可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，但在運(yùn)行中集熱器和集冷器中必須保持非常大的溫度梯度才能保證系統(tǒng)的效率，然而由于儲(chǔ)能系統(tǒng)要求間歇式運(yùn)行，而且儲(chǔ)熱和儲(chǔ)冷的溫度都非常高（低），砂石在氣體流動(dòng)方向的熱傳遞難以避免，這就會(huì)大大降低系統(tǒng)效率。正因如此，盡管 Isentropic Energy宣稱該系統(tǒng)實(shí)際效率可達(dá)72%～80%，相關(guān)專家對(duì)此卻持懷疑態(tài)度。這里如果利用雙罐式的液態(tài)顯熱儲(chǔ)熱（冷）的方式代替沙礫儲(chǔ)熱（冷）可以提高系統(tǒng)的效率，但是另一方面由于非接觸式的熱交換方式換熱較慢，勢(shì)必大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度和在集熱器和集冷器上的投資成本。

5 結(jié) 語

介紹了儲(chǔ)熱技術(shù)在電力系統(tǒng)中的最有潛力的四種具體應(yīng)用技術(shù)，其中太陽能熱發(fā)電中的儲(chǔ)熱技術(shù)最為簡(jiǎn)單，僅僅包含熱能的傳遞和儲(chǔ)存，因而應(yīng)用前景明朗。其它三種應(yīng)用方式均包含了熱能（冷能）的生產(chǎn)過程，系統(tǒng)較為復(fù)雜，對(duì)機(jī)械部件，尤其是熱功轉(zhuǎn)化部件（壓氣機(jī)和透平）的依賴程度高，大規(guī)模應(yīng)用還需要不同程度的研發(fā)努力，特別是基于熱泵的儲(chǔ)電技術(shù)。但是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，可再生能源的比例將不斷快速上升，以最為成熟的熱功轉(zhuǎn)化技術(shù)為基礎(chǔ)的儲(chǔ)熱技術(shù)將會(huì)在能源網(wǎng)絡(luò)管理中發(fā)揮重要的作用。

另外，單從熱能的傳遞和儲(chǔ)存的方面看，由于在電力系統(tǒng)中熱能需保持較高的品位（即較高溫度的熱和較低溫度的冷）以提高其能量密度，雙罐式的液體顯熱儲(chǔ)熱（儲(chǔ)冷）能夠更好地保證儲(chǔ)熱過程的整體效率，所以會(huì)在將來電力系統(tǒng)的儲(chǔ)熱技術(shù)中發(fā)揮重要的作用。

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