齊聰穎 程浩力 姜 煒 任 明 陳 強(qiáng) 范 宇 蔡峰峰

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司, 北京 100085;

2. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;

3. 中國(guó)石油天然氣第七建設(shè)有限公司, 山東 青島 266300;

4. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司, 北京 100120

0 前言

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化,2016年由178個(gè)締約方共同簽署了《巴黎協(xié)定》，自其生效以來(lái),全球可再生能源提供了全球新增發(fā)電量的約60%,全球主要經(jīng)濟(jì)體積極推動(dòng)低碳發(fā)展,中國(guó)、歐盟、美國(guó)、日本等130多個(gè)國(guó)家和地區(qū)都提出了碳中和目標(biāo)[1],清潔低碳能源發(fā)展迎來(lái)新機(jī)遇。在中國(guó)已連續(xù)多年成為全球最大的能源生產(chǎn)國(guó)、消費(fèi)國(guó)和碳排放國(guó)的背景下[2-3],中國(guó)積極推進(jìn)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)[1,4-5]。更高效可靠的風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉淳C合利用技術(shù)亟待探索。

風(fēng)能和太陽(yáng)能資源利用一直是中國(guó)新能源體系規(guī)劃的重點(diǎn)[1-2],目前風(fēng)能利用的主要方式是通過(guò)風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能、熱能、機(jī)械能等。與其他風(fēng)能利用形式相比,風(fēng)能制熱[6]能源轉(zhuǎn)換效率高,具有很好的開發(fā)前景。然而,中國(guó)關(guān)于風(fēng)能直接制熱技術(shù)的研究還處在起步階段,相關(guān)應(yīng)用較少。推動(dòng)風(fēng)能熱泵直接制熱技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)完善中國(guó)能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用率、減少溫室氣體排放具有重要意義。

1 風(fēng)能制熱

中國(guó)擁有豐富的風(fēng)能資源,在資源儲(chǔ)備方面,總風(fēng)能儲(chǔ)量為3 226×1011W,實(shí)際可開發(fā)利用量達(dá)253×1011W[7],風(fēng)能利用研究領(lǐng)域以及相關(guān)行業(yè)受到越來(lái)越多學(xué)者和企業(yè)的關(guān)注。目前,國(guó)際上風(fēng)能開發(fā)利用的主要形式是風(fēng)能發(fā)電。中國(guó)的風(fēng)能發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅速[8],風(fēng)能發(fā)電是繼火力發(fā)電、水力發(fā)電后的第三大發(fā)電形式,中國(guó)已成為全球風(fēng)能發(fā)電裝機(jī)容量最大的國(guó)家[9]。與此同時(shí),棄風(fēng)限電現(xiàn)象也日益突出,造成了風(fēng)能的較大浪費(fèi)。

為了減少現(xiàn)存棄風(fēng)限電問(wèn)題的發(fā)生和提高風(fēng)能利用率,開發(fā)新的風(fēng)能利用形式是關(guān)鍵。由于許多用戶終端需求的能源形式是熱能,如家庭取暖、大棚保溫、水產(chǎn)養(yǎng)殖等,利用風(fēng)能直接制熱將有效減少能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化。中國(guó)北方尤其是東北、華北、西北等地區(qū)風(fēng)能資源豐富,冬季氣候寒冷,與采暖供熱需求有很好的時(shí)空匹配性[10]。采用風(fēng)能作為供熱能源,可大量減少煤、天然氣等不可再生資源的消耗,對(duì)減輕環(huán)境污染、減少CO2氣體排放具有重要意義。

目前風(fēng)能制熱的方式主要分為三類:一是通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電,再將電能通過(guò)電阻絲轉(zhuǎn)換為熱能，該方式由于增加了能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),導(dǎo)致風(fēng)能利用率較低,且造價(jià)昂貴;二是利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,再將其轉(zhuǎn)換成熱能,如固體摩擦制熱、液體攪拌制熱、液體擠壓制熱等,該方式下系統(tǒng)效率只有40%左右,經(jīng)濟(jì)性較差,且在大型化推廣方面存在瓶頸,距實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用有很大距離;三是將風(fēng)力機(jī)與熱泵系統(tǒng)相結(jié)合,利用風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵壓縮機(jī)制熱,熱泵是一種逆卡諾循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可以將低品位能源轉(zhuǎn)變成高品位能源,制取的能量比自身運(yùn)行所消耗的能量高。目前，常規(guī)制熱方式由于各種能量損失，制熱性能系數(shù)總是小于1,而熱泵的制熱性能系數(shù)通常大于1[11]，更加節(jié)能和高效，這是當(dāng)前熱泵制熱最突出的優(yōu)勢(shì)。

2 風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)

將風(fēng)力機(jī)與熱泵系統(tǒng)相結(jié)合是當(dāng)前風(fēng)能制熱研究的熱點(diǎn)。近年來(lái),熱泵技術(shù)發(fā)展迅速,在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。熱泵作為熱力學(xué)中常見的系統(tǒng),能從環(huán)境中吸收熱量來(lái)提高制熱效率,可有效提高能源利用率,是解決當(dāng)前棄風(fēng)限電問(wèn)題的有效途徑之一。采用風(fēng)能熱泵制熱取代鍋爐供暖,可以大大減少化石燃料的消耗和溫室氣體的排放,加快實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),是一種節(jié)能環(huán)保的新型能源利用技術(shù),具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

風(fēng)能熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用主要有兩種:一是風(fēng)能發(fā)電、電再制熱的間接制熱，即風(fēng)電熱泵系統(tǒng);二是風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)熱泵制熱。風(fēng)電間接制熱所需設(shè)備復(fù)雜,造價(jià)成本高,而風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)是用風(fēng)力機(jī)傳出的機(jī)械能直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)做功,減少了中間風(fēng)—電能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。與風(fēng)電熱泵系統(tǒng)相比,風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)造價(jià)降低,同時(shí)理論效率提高10%以上[12],是目前風(fēng)能制熱研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。韓帥[13]建立了風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng),通過(guò)仿真模擬和實(shí)驗(yàn)兩種手段對(duì)風(fēng)力機(jī)與壓縮機(jī)的匹配特性進(jìn)行了分析研究。張明洋等人[14]構(gòu)建了風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)熱泵制熱系統(tǒng)的仿真模型與經(jīng)濟(jì)性模型,并通過(guò)粒子群優(yōu)化算法,對(duì)其進(jìn)行了成本優(yōu)化。鐘曉暉等人[15]以張家口張北地區(qū)為例,對(duì)風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)進(jìn)行了理論計(jì)算和分析,為風(fēng)能直接制熱技術(shù)的研究提供了一定參考。

風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)作為一種新型供熱方式,與中國(guó)北方地區(qū)風(fēng)能資源豐富、冬季氣溫較低的氣候條件相吻合,是中國(guó)北方地區(qū)實(shí)現(xiàn)清潔供暖的有效途徑之一。而風(fēng)能熱泵與儲(chǔ)熱技術(shù)結(jié)合組成的系統(tǒng),不僅改善了因風(fēng)能間歇性和季節(jié)性造成的熱源不穩(wěn)定問(wèn)題,降低了能源成本，提高了能源效率,還減少了化石燃料使用量，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保,具有較高的理論和工程實(shí)踐價(jià)值。

2.1 風(fēng)力機(jī)

風(fēng)力機(jī)是風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)中的重要裝置,可以將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。根據(jù)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心軸與地面的相對(duì)位置關(guān)系,可以將風(fēng)力機(jī)分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)兩類;根據(jù)風(fēng)輪葉片工作原理,風(fēng)力機(jī)又可以分為升力型風(fēng)力機(jī)和阻力型風(fēng)力機(jī)兩類。

風(fēng)力機(jī)的性能主要由空氣動(dòng)力學(xué)決定,其中葉片的氣動(dòng)特性如功率系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)等決定了其對(duì)風(fēng)能利用效率的高低,是風(fēng)力機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。葉素動(dòng)量理論(Blade Element Momentum,BEM)、渦尾跡方法和計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法是當(dāng)前計(jì)算風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能的三種主要方法。陳安杰等人[16]以1.5 MW風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象,基于BEM的GH Bladed軟件對(duì)其進(jìn)行模擬分析,得到了風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)載荷的分布規(guī)律。劉燕等人[17]采用渦尾跡方法,對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)與自由尾跡模型相比,固定尾跡渦模型計(jì)算運(yùn)行時(shí)間短,具有較好的實(shí)用性。張立棟等人[18]采用CFD方法對(duì)雙風(fēng)輪風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析,并將計(jì)算得到的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比,證明了CFD方法的有效性。除上述方法外,風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和外場(chǎng)測(cè)試也是風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能研究的重要手段。由于風(fēng)力機(jī)涉及的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題復(fù)雜,上述數(shù)值模擬計(jì)算方法的精度和適用性仍存在部分問(wèn)題未得到解決,需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)現(xiàn)有氣動(dòng)計(jì)算模型。郭少真等人[19]用數(shù)值模擬與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法,對(duì)加裝后緣小翼的H型垂直軸風(fēng)力機(jī)輸出特性進(jìn)行了分析研究。郭欣等人[20]同樣采用模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了在不同葉尖速比情況下,翼型的改變對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)特性的影響,結(jié)果表明翼型的改變可提高風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用率。

風(fēng)力機(jī)在高度復(fù)雜的氣流環(huán)境中運(yùn)行,運(yùn)動(dòng)形式相當(dāng)復(fù)雜,面臨著非定常、非線性及氣動(dòng)彈性等問(wèn)題,氣動(dòng)特性分析與計(jì)算難度很大。盡管當(dāng)前業(yè)界已進(jìn)行了大量的探索并取得了一定的成果進(jìn)展,但精準(zhǔn)、高效的氣動(dòng)特性計(jì)算方法和理論還不成熟,仍存在廣闊的研究空間。

2.2 熱泵系統(tǒng)

熱泵系統(tǒng)可分為四部分:壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流元件。其中,冷凝器和蒸發(fā)器的作用是分別與熱泵系統(tǒng)中的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩催M(jìn)行熱量交換,其換熱性能的好壞對(duì)整個(gè)熱泵系統(tǒng)的制熱性能有較大影響；節(jié)流元件的主要作用是降低制冷劑壓力,獲得溫度和壓力較低的制冷劑工質(zhì)；壓縮機(jī)作為整個(gè)熱泵系統(tǒng)的心臟,也是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部位,起壓縮制冷劑工質(zhì)和為整個(gè)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行提供動(dòng)力的作用。因此,提高壓縮機(jī)性能對(duì)提高整個(gè)熱泵系統(tǒng)的制熱效率具有重大意義。鐘曉暉等人[21]建立了風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng),通過(guò)模擬與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),熱泵系統(tǒng)的制熱量與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速呈近似線性規(guī)律,而制熱性能系數(shù)則隨轉(zhuǎn)速的改變呈近似指數(shù)變化規(guī)律。楊永安等人[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)疊式熱泵系統(tǒng)的影響,發(fā)現(xiàn)制熱性能系數(shù)隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小,存在最佳轉(zhuǎn)速使得熱泵系統(tǒng)以最大制熱性能系數(shù)運(yùn)行。

壓縮機(jī)內(nèi)的制冷劑工質(zhì)在熱泵運(yùn)行過(guò)程中起著轉(zhuǎn)換與傳遞能量的作用,其物性對(duì)熱泵系統(tǒng)的性能有很大影響,不僅決定了熱泵系統(tǒng)的制熱效果,也決定了熱泵系統(tǒng)的環(huán)保性能,因此制冷劑的選擇十分重要。吳迪等人[23]以自然工質(zhì)水作為制冷劑,通過(guò)理論模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的性能進(jìn)行了分析研究,結(jié)果表明,在較佳的實(shí)驗(yàn)條件下,熱泵系統(tǒng)的性能優(yōu)越,制熱性能系數(shù)可接近于5。胡曉微等人[24]搭建了復(fù)疊式高溫?zé)岜迷囼?yàn)系統(tǒng),選用R245fa作為高溫級(jí)循環(huán)工質(zhì)、不同質(zhì)量比的R134a/R245fa混合物作為低溫級(jí)循環(huán)工質(zhì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),選用質(zhì)量比為8∶2的R134a/R245fa低溫級(jí)循環(huán)工質(zhì),熱泵系統(tǒng)制熱性能系數(shù)、制熱量等性能較好。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,受風(fēng)能不穩(wěn)定性影響,風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)處于明顯的波動(dòng)狀態(tài)。為使風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀況,探索風(fēng)能對(duì)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響,揭示風(fēng)力機(jī)與壓縮機(jī)之間的匹配特性,已成為當(dāng)前理論研究的重點(diǎn)。趙斌等人[25]通過(guò)對(duì)不同風(fēng)速下垂直軸風(fēng)力機(jī)與壓縮機(jī)的匹配特性進(jìn)行研究,建議在風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)時(shí),垂直軸風(fēng)力機(jī)的額定功率應(yīng)大于壓縮機(jī)所需輸入功率。鐘曉暉等人[26]通過(guò)半物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)不同風(fēng)速下,熱泵系統(tǒng)制熱量和風(fēng)能利用系數(shù)Cp等進(jìn)行了研究分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速區(qū)間為3～11 m/s 時(shí),制熱量隨風(fēng)速的增加呈指數(shù)增加;當(dāng)風(fēng)速區(qū)間為11～21 m/s時(shí),隨著風(fēng)速的增加,制熱量保持恒定;當(dāng)風(fēng)速為7.74 m/s時(shí),風(fēng)能利用系數(shù)Cp達(dá)到最大值0.462 7,之后逐漸降低。曹春蕾[12]采用軟連接方式突破風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)硬連接的瓶頸問(wèn)題,并對(duì)不同工況下風(fēng)力機(jī)和壓縮機(jī)的匹配特性進(jìn)行了探究,以張北地區(qū)為例,當(dāng)轉(zhuǎn)速比為1∶5.37時(shí),風(fēng)力機(jī)和壓縮機(jī)可達(dá)到最佳匹配效果。

目前，對(duì)風(fēng)能熱泵直接制熱技術(shù)的相關(guān)研究較少,且主要集中在實(shí)驗(yàn)室一定風(fēng)速、一定風(fēng)向條件下的小型垂直軸風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)熱泵壓縮機(jī)制熱;在風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)仿真研究方面,目前搭建的仿真模型大都是穩(wěn)態(tài)模型,動(dòng)態(tài)模型的構(gòu)建還有待完善,對(duì)實(shí)際風(fēng)況下運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)與熱泵系統(tǒng)之間的匹配控制機(jī)制還缺乏相應(yīng)的理論研究。

2.3 儲(chǔ)熱系統(tǒng)

風(fēng)能具有不穩(wěn)定性、間歇性的特征,為了避免能量浪費(fèi),更好地利用風(fēng)能,需要配備儲(chǔ)熱系統(tǒng)將未被利用的風(fēng)能儲(chǔ)存起來(lái),實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的熱源供應(yīng)[27]。儲(chǔ)熱系統(tǒng)是保證熱源穩(wěn)定輸出、提高能源利用率的關(guān)鍵,能夠解決能源供給和需求不匹配問(wèn)題,在很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前,熱能存儲(chǔ)的方式可分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱。顯熱儲(chǔ)熱是利用物質(zhì)溫度的升高與降低實(shí)現(xiàn)熱能的存儲(chǔ)和釋放,是目前使用最廣泛的技術(shù)之一。優(yōu)點(diǎn)是操作相對(duì)簡(jiǎn)單,技術(shù)較為成熟,但也存在儲(chǔ)熱密度小、儲(chǔ)熱設(shè)備體積大等問(wèn)題。顯熱儲(chǔ)熱的工作介質(zhì)一般選用比熱容高、成本低廉的材料,如水、鵝卵石、導(dǎo)熱油等。喬春珍等人[28]以北京市某一辦公建筑為例,用水作為儲(chǔ)熱介質(zhì),與空氣源熱泵相結(jié)合,通過(guò)軟件進(jìn)行模擬分析,結(jié)果表明該系統(tǒng)可明顯降低供暖設(shè)備運(yùn)行成本。楊勇平等人[29]采用導(dǎo)熱油與沙礫混合物作為儲(chǔ)熱介質(zhì)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)與純沙礫儲(chǔ)熱材料相比,導(dǎo)熱油與沙礫混合物的儲(chǔ)熱效率更高。

潛熱儲(chǔ)熱又稱相變儲(chǔ)熱,是利用材料在自身相變過(guò)程中吸收或放出的熱量來(lái)進(jìn)行熱量的儲(chǔ)存與釋放[30],能有效解決能源供應(yīng)在時(shí)間與空間上的不匹配問(wèn)題,是提高能源利用率的重要途徑之一。潛熱儲(chǔ)熱的儲(chǔ)熱密度比顯熱儲(chǔ)熱的儲(chǔ)熱密度高,應(yīng)用也較為廣泛,但同時(shí)也存在相變材料熱導(dǎo)率低的問(wèn)題[31]。潛熱儲(chǔ)熱根據(jù)相變形式可以分為固—固相變、固—液相變、液—?dú)庀嘧兒凸獭獨(dú)庀嘧?。相變材料根?jù)化學(xué)成分組成可分為無(wú)機(jī)、有機(jī)和復(fù)合材料三類,其中,復(fù)合材料可以克服單一無(wú)機(jī)或有機(jī)材料的不足,是當(dāng)前儲(chǔ)熱材料研究的熱點(diǎn)。李文琛等人[32]制備了以三水合醋酸鈉(C2H9NaO5)為主體的復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料,并搭建了相變儲(chǔ)熱器,結(jié)果表明該儲(chǔ)熱器儲(chǔ)熱優(yōu)勢(shì)明顯,儲(chǔ)放熱效率可達(dá)96.4%,儲(chǔ)熱密度是傳統(tǒng)水箱的1.7倍。萬(wàn)倩等人[33]探究了石蠟及泡沫鐵/石蠟復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的儲(chǔ)熱性能,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加泡沫鐵能有效提高傳熱速率,改善石蠟導(dǎo)熱系數(shù)差的問(wèn)題。吳韶飛等人[34]選擇棕櫚酸作為相變材料,膨脹石墨作為添加基質(zhì),制備了復(fù)合材料,通過(guò)表征與分析,發(fā)現(xiàn)膨脹石墨的添加可有效提高相變材料的熱導(dǎo)率。

熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱是利用化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的反應(yīng)熱進(jìn)行熱能存儲(chǔ)的技術(shù)方式。與前兩種儲(chǔ)熱方式相比,熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱的熱能密度更高,且可以長(zhǎng)期穩(wěn)定儲(chǔ)熱,被認(rèn)為是未來(lái)最有前景的儲(chǔ)熱方式之一。趙彩燕等人[35]以六水氯化鎂(MgCl26 H2O)作為熱化學(xué)存儲(chǔ)材料,建立其脫水反應(yīng)過(guò)程物理模型并進(jìn)行計(jì)算與分析,發(fā)現(xiàn)較高的入口流體流速和溫度能在一定程度上促進(jìn)傳熱,但與此同時(shí),熱量的利用率也會(huì)降低。孫超穎等人[36]將CO2捕集和CaO/Ca(OH)2體系熱化學(xué)儲(chǔ)熱相耦合,通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了不同反應(yīng)條件對(duì)CaO儲(chǔ)熱性能的影響,發(fā)現(xiàn)CaO經(jīng)多次循環(huán)碳酸化/煅燒捕集CO2后,仍然具有較高的儲(chǔ)熱性能。值得注意的是,熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱技術(shù)目前仍處于研究階段,還有很多如化學(xué)反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜、對(duì)設(shè)備要求嚴(yán)格、技術(shù)成熟度較低等問(wèn)題亟待解決,尚未具備工業(yè)化條件。

3 展望及挑戰(zhàn)

3.1 展望

2020年的油價(jià)暴跌及新冠肺炎疫情帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)蕭條全面推動(dòng)了全球能源轉(zhuǎn)型進(jìn)度,新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革帶來(lái)了能源革命和數(shù)字革命的爆發(fā)式發(fā)展,全球主要國(guó)家的生產(chǎn)生活方式迅速轉(zhuǎn)向低碳化、去碳化、智能化,能源體系和發(fā)展模式則加快步入非化石能源主導(dǎo)的嶄新階段。中國(guó)也緊跟世界潮流,開始制定加快構(gòu)建現(xiàn)代能源體系、推動(dòng)能源高質(zhì)量發(fā)展的總體藍(lán)圖和行動(dòng)綱領(lǐng)。為落實(shí)“十四五”規(guī)劃和碳達(dá)峰目標(biāo),國(guó)家發(fā)展改革委及國(guó)家能源局于2021年7月15日發(fā)布了《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》[37],并在2022年3月21日、3月22日、3月29日、4月2日,連續(xù)公布了《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》[38]《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》[1]《2022年能源工作指導(dǎo)意見》[39]《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》[2]等重磅文件,對(duì)加快新型儲(chǔ)能技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用、中國(guó)新型儲(chǔ)能高質(zhì)量規(guī)?；l(fā)展、全面推進(jìn)風(fēng)光熱等可再生能源大規(guī)模開發(fā)和高質(zhì)量發(fā)展給出了明確的指導(dǎo)方針和目標(biāo),可再生能源發(fā)電及綜合利用技術(shù)在“十四五”期間及未來(lái)利用前景一片光明。風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)在提高能源利用率、減少碳排放等方面起著十分重要的作用,也有著廣闊的應(yīng)用前景,但目前風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)的研究仍存在一定短板,與世界能源科技強(qiáng)國(guó)相比,在關(guān)鍵零部件、專用軟件、核心材料等核心技術(shù)上仍存在一定差距,還需要后續(xù)進(jìn)行更深入的研究。

3.2 挑戰(zhàn)

1)由于風(fēng)能本身的復(fù)雜性,風(fēng)力機(jī)所涉及的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題復(fù)雜,且大中小型風(fēng)力機(jī)所涉及的復(fù)雜程度也各不相同,相應(yīng)的風(fēng)力機(jī)模型及氣動(dòng)性能計(jì)算方法還需要進(jìn)一步完善。

2)在實(shí)際工程應(yīng)用中,熱泵的運(yùn)行性能仍存在不足,如在低溫環(huán)境下,制熱能力有所下降。因此，為了使熱泵穩(wěn)定高效地運(yùn)行,相應(yīng)的除霜、防堵、除污等技術(shù)還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

3)部分儲(chǔ)熱材料具有腐蝕性,實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中容易腐蝕設(shè)備,價(jià)格低廉、無(wú)腐蝕性、性能優(yōu)異的儲(chǔ)熱材料的制備選取仍是今后課題研究的重點(diǎn)。

4)由于風(fēng)能作為單一熱源形式存在一定的局限性,在未來(lái),如何將風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿榷喾N清潔可再生能源更好地組合,并與多種儲(chǔ)熱形式相結(jié)合的復(fù)合系統(tǒng)也將成為研究的熱點(diǎn)。

4 結(jié)論

隨著化石能源消耗的不斷增加,生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日漸突出,發(fā)展新能源技術(shù)、改善能源結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。風(fēng)能作為一種可持續(xù)再生的清潔自然能源,資源極為豐富,是較為理想的替代常規(guī)化石能源的新能源代表。風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)一方面可以減少化石燃料使用量,減少CO2排放;另一方面還可以減少棄風(fēng)限電現(xiàn)象發(fā)生,提高風(fēng)能利用率,具有廣闊的發(fā)展前景。進(jìn)一步加大對(duì)風(fēng)能熱泵直接制熱技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的研究,攻克當(dāng)前技術(shù)發(fā)展面臨的難題,相信隨著研究的不斷深入,風(fēng)能熱泵直接制熱系統(tǒng)一定會(huì)在風(fēng)能資源豐富地區(qū)得到廣泛應(yīng)用,更好地為人類造福。