馬美秀，章康，陳夢(mèng)東，康偉，陳思藝，姚文卓，韓高巖

（1.北京智慧能源研究院，北京 102200；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

近年來隨著新能源的開發(fā)利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，電化學(xué)儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱等［1-2］儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)調(diào)峰中占有越發(fā)顯著的地位。其中，儲(chǔ)熱技術(shù)是以儲(chǔ)熱材料為媒介將太陽能光熱、地?zé)?、工業(yè)余熱、低品位廢熱等熱能存儲(chǔ)，按需釋放，力圖解決時(shí)間、空間或強(qiáng)度上的熱能供給與需求不匹配所帶來的問題，最大限度地提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率。據(jù)IRENA（國(guó)際可再生能源署）《創(chuàng)新展望：熱能存儲(chǔ)》報(bào)告顯示，到2030年，儲(chǔ)熱裝機(jī)的容量大概將增長(zhǎng)到800 GWh以上，中國(guó)的儲(chǔ)熱裝機(jī)規(guī)模目前已達(dá)到1.5 GWh。中國(guó)2020年9月宣布力爭(zhēng)2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”。在“雙碳”目標(biāo)下，儲(chǔ)熱技術(shù)有望在清潔供熱、火電調(diào)峰、清潔能源消納等方面迎來較大的發(fā)展空間和機(jī)遇。

在眾多的儲(chǔ)熱技術(shù)中，固體電蓄熱技術(shù)將電網(wǎng)的低谷電能、風(fēng)/光等波動(dòng)性電能轉(zhuǎn)化成熱能儲(chǔ)存，在用電高峰時(shí)段按需實(shí)現(xiàn)供暖、供汽或供熱水等，是一種先進(jìn)、高效的儲(chǔ)熱技術(shù)，對(duì)提高電網(wǎng)靈活性具有重要意義［3］。目前固體電蓄熱技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都得到了應(yīng)用，但針對(duì)電網(wǎng)的固體電蓄熱技術(shù)還處在發(fā)展階段，仍需要針對(duì)電網(wǎng)接入運(yùn)行工況下的特點(diǎn)，提高裝置及系統(tǒng)的適應(yīng)性，促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化應(yīng)用。

本文圍繞固體電蓄熱技術(shù)，從工作原理、蓄熱材料、裝置結(jié)構(gòu)、數(shù)值模擬等方面梳理其技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，并結(jié)合固體電蓄熱技術(shù)的特點(diǎn)，分析典型行業(yè)固體電蓄熱技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出固體電蓄熱技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)及其發(fā)展方向，以推動(dòng)固體電蓄熱技術(shù)在工業(yè)及民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，助力各領(lǐng)域綠色低碳轉(zhuǎn)型，加快我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)推進(jìn)步伐。

1 固體電蓄熱系統(tǒng)

1.1 固體電蓄熱工作原理

典型的固體電蓄熱系統(tǒng)如圖1所示，主體結(jié)構(gòu)包括電熱單元、蓄熱體、絕熱層（保溫層）、換熱單元［4］。

圖1 固體電蓄熱系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of solid electric heat storage system

在低谷用電時(shí)段，電熱單元接入電網(wǎng)將電能轉(zhuǎn)換為熱能，儲(chǔ)存于絕熱層包裹的蓄熱體結(jié)構(gòu)中，所儲(chǔ)存的熱能通過換熱單元，與空氣、水等工質(zhì)進(jìn)行熱交換，最終以熱風(fēng)、熱水、蒸汽等形式向終端用戶提供熱量。由于以電流焦耳熱方式產(chǎn)熱，固體電蓄熱裝置的電能-熱能轉(zhuǎn)換效率極高，產(chǎn)熱階段能量損失可以忽略，主要能量損失集中在儲(chǔ)熱及換熱階段，一般為5%～10%［5］，其能量效率η計(jì)算公式為：

式中：Qu為電流產(chǎn)生的總焦耳熱，即輸入電量；Q為向終端用戶輸送的熱量；Qs為儲(chǔ)熱過程的熱損失；Qe為換熱器熱損失。

1.2 固體電蓄熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，固體電蓄熱技術(shù)主要圍繞蓄熱材料、蓄熱體結(jié)構(gòu)、換熱結(jié)構(gòu)、蓄熱-放熱過程的流動(dòng)傳熱特性等方面開展研究。對(duì)于蓄熱材料，在工程應(yīng)用中主要考慮其熱物性參數(shù)、穩(wěn)定性、成本等因素。為進(jìn)一步提高蓄熱-放熱性能，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)蓄熱單元及換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多樣化的嘗試與研究。蓄熱體結(jié)構(gòu)及換熱器內(nèi)的傳熱流動(dòng)特性對(duì)于系統(tǒng)性能至關(guān)重要，但由于難以獲得實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行工況中的局部參數(shù)，目前仍以數(shù)值模擬研究為主。為深入了解電蓄熱系統(tǒng)在運(yùn)行中的實(shí)際物理過程，應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展原位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)（如非接觸式光學(xué)測(cè)量技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)嵌入式微型傳感器等）以獲得關(guān)鍵局部參數(shù)，基于全場(chǎng)物理建模，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，并進(jìn)一步提出優(yōu)化思路與方法。

1.2.1 固體蓄熱材料研究現(xiàn)狀

常見的蓄熱材料包括顯熱蓄熱材料、相變蓄熱材料、化學(xué)蓄熱材料和物理吸附蓄熱材料等。在固體電蓄熱技術(shù)中，應(yīng)用最為廣泛的是固體顯熱蓄熱材料，即采用固體蓄熱介質(zhì)，該介質(zhì)在蓄熱過程中本身不發(fā)生相變反應(yīng)，通過蓄熱介質(zhì)材料的溫度變化進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)存和釋放。固體蓄熱材料的蓄熱量Q計(jì)算公式為：

式中：m為蓄熱材料的質(zhì)量；Cp為蓄熱介質(zhì)的比熱容；T2和T1分別為換熱過程中蓄熱材料釋熱初始溫度和釋熱后的溫度。工程上常用的固體蓄熱介質(zhì)材料包括混凝土、陶瓷、鑄鐵等，其主要熱物性參數(shù)對(duì)比如表1所示［4，6］。

表1 工程常用固體蓄熱介質(zhì)材料熱物性參數(shù)Table 1 Thermophysical parameters of solid heat storage materials commonly used in engineering

混凝土材料熱容、工作溫度等指標(biāo)均較低，但價(jià)格便宜，裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于推廣應(yīng)用。金屬類材料（如鑄鐵）密度大但比熱容較低，在與電熱元件進(jìn)行封裝時(shí)絕緣性能要求較高。磚、陶瓷、礫石等多孔非金屬材料的工作溫度上限較高，其密度小于金屬材料，但容易構(gòu)建蓄熱體結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)較差，而以鎂磚為代表的燒結(jié)多孔材料能夠彌補(bǔ)其導(dǎo)熱性差的問題，同時(shí)還具有比熱容和體積熱容大的優(yōu)勢(shì)，因此在商業(yè)上被廣泛使用。

與一般工業(yè)蓄熱場(chǎng)景相比，電網(wǎng)輸出具有功率高、蓄熱體量大的特點(diǎn)。針對(duì)電網(wǎng)特有的運(yùn)行工況，亟需研發(fā)適用于電網(wǎng)蓄熱的蓄熱材料，提高蓄熱能量密度、提升蓄熱/放熱效率是蓄熱材料發(fā)展的長(zhǎng)期方向。隨著新能源電力急劇增加，儲(chǔ)能系統(tǒng)配套勢(shì)在必行，但電網(wǎng)運(yùn)行過程中的大幅波動(dòng)與時(shí)變性問題，將導(dǎo)致大功率蓄熱裝置頻繁啟停，從而引起儲(chǔ)熱過程儲(chǔ)熱材料溫差大、升降溫頻率高等問題，因此儲(chǔ)熱材料的穩(wěn)定性研究也是亟待解決的問題之一［7-8］。

1.2.2 固體蓄熱裝置結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

固體蓄熱裝置的性能直接決定蓄熱系統(tǒng)的能效，國(guó)內(nèi)外研究者圍繞不同的蓄熱體及其布置結(jié)構(gòu)、數(shù)量，以及換熱器通道形式等開展了一系列研究，力求提高裝置的蓄熱-放熱效率。

Laing D等［9-10］以混凝土為介質(zhì)，構(gòu)建了固體電蓄熱裝置并開展實(shí)驗(yàn)研究，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減少了換熱管數(shù)量，從而提升換熱性能。李偉峰［11］針對(duì)高溫高壓固體電蓄熱裝置進(jìn)行電磁場(chǎng)絕緣特性研究，總結(jié)出了新的電熱單元排布方案。邢作霞等［12］以鎂磚作為蓄熱材料構(gòu)建固體蓄熱器，對(duì)其放熱性能進(jìn)行研究，基于參數(shù)化分析，結(jié)合流-固耦合傳熱分析與實(shí)驗(yàn)研究，提出了單通道和雙通道蓄熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。梁炬祥［13］從蓄熱材料的熱物理性能出發(fā)，研究了影響蓄熱材料比熱容、導(dǎo)熱性能的因素，并實(shí)驗(yàn)研究蓄熱體單元在蓄熱過程中的傳熱特性，分析不同形狀的加熱元件（如矩形、圓形加熱板、加熱管等）對(duì)蓄熱體蓄熱/放熱性能的影響。胡思科等［14-15］以氧化鎂磚作為蓄熱材料，研究蓄熱孔尺寸、數(shù)量、結(jié)構(gòu)對(duì)蓄熱體蓄熱/放熱性能的影響。丁玉龍等［16］設(shè)計(jì)了一種集產(chǎn)熱、儲(chǔ)熱、供熱于一體的復(fù)合相變材料蓄熱式電熱供暖系統(tǒng)，利用纏繞方形翅片的換熱盤管提高盤管與相變儲(chǔ)熱材料之間的換熱效率。童敏等［17］設(shè)計(jì)了一種相變儲(chǔ)熱峰谷供暖系統(tǒng)，利用電加熱管在谷電時(shí)為相變儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱，在峰電時(shí)為用戶端供暖。

總的來說，固體蓄熱裝置的性能主要受限于蓄熱材料的填充度、蓄熱體與換熱器的布置結(jié)構(gòu)、換熱管件的形式及數(shù)量等因素。目前的實(shí)驗(yàn)研究多集中在材料的選取與裝置構(gòu)型的優(yōu)化，以宏觀的蓄放熱量、系統(tǒng)效率等參數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。事實(shí)上，蓄熱體結(jié)構(gòu)與換熱器內(nèi)的傳熱流動(dòng)過程對(duì)于裝置性能研究同樣至關(guān)重要。然而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)難以獲得蓄熱體內(nèi)及換熱管道內(nèi)的溫度、壓力、流場(chǎng)等分布信息，從而限制了對(duì)其傳熱流動(dòng)機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)。針對(duì)這些問題，國(guó)內(nèi)外研究者采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行了大量研究，以獲取實(shí)驗(yàn)方法難以直接觀測(cè)到的局部參數(shù)信息，建立蓄熱裝置與系統(tǒng)的物理模型，對(duì)不同工況下的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)并提出優(yōu)化方案。

蘇俊林等［18］基于數(shù)值模擬，對(duì)固體蓄熱器的蓄熱體溫度場(chǎng)和傳熱特性開展研究，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的有效性。徐德璽［19］利用有限元分析軟件對(duì)固體蓄熱器的蓄放熱階段進(jìn)行模擬分析，并通過對(duì)蓄熱體結(jié)構(gòu)的改善，提高系統(tǒng)的蓄放熱效率。邢作霞等［20］通過建立傳熱速率平衡方程，利用數(shù)值模擬的方法分析電儲(chǔ)熱系統(tǒng)各設(shè)計(jì)參數(shù)與傳熱匹配的交互特性；結(jié)果表明，儲(chǔ)熱單元溫度與加熱功率線性正相關(guān)，與孔占比和循環(huán)風(fēng)速指數(shù)型負(fù)相關(guān)，降低加熱功率、提高孔占比和循環(huán)風(fēng)速能改善儲(chǔ)熱體均熱性，通過多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)和前饋補(bǔ)償控制，可以實(shí)現(xiàn)較好的傳熱匹配效果。蔣招武等［21］建立相變儲(chǔ)能高溫?fù)Q熱器的相變過程數(shù)學(xué)模型，通過顯熱容法簡(jiǎn)化相變過程，采用MATLAB對(duì)相變過程進(jìn)行求解，獲得了相變材料及介質(zhì)空氣的溫度變化規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)研究相變儲(chǔ)能換熱器的性能提供了理論基礎(chǔ)。徐桂芝等［22］通過研究?jī)?chǔ)熱單元的換熱特性，基于FLUENT軟件，結(jié)合裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)和相變復(fù)合材料的物性參數(shù)，對(duì)相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)/放熱過程中內(nèi)部的溫度分布、傳熱速率和儲(chǔ)/放熱效率進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模及模擬分析，重點(diǎn)研究了不同傳熱流體速度對(duì)單元儲(chǔ)/放熱性能的影響規(guī)律。馬美秀等［23］采用商業(yè)軟件ICEPAK建立高溫相變蓄熱電暖器的數(shù)學(xué)模型，對(duì)電暖器的加熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到電暖器穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布圖、非穩(wěn)態(tài)儲(chǔ)熱過程溫度上升曲線圖，研究了高溫相變蓄熱電暖器的升溫速率、儲(chǔ)熱量、釋熱速率及用戶使用效果。楊岑玉等［24］提出一種基于流固耦合的蓄熱體建模與仿真方法，對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)耦合的問題進(jìn)行三維數(shù)值模擬，從而得到蓄熱體在不同工作時(shí)刻的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布，通過數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證流固耦合建模與分析方法的正確性。

對(duì)于固體電蓄熱裝置，新結(jié)構(gòu)的研發(fā)與性能優(yōu)化，以及能質(zhì)傳輸機(jī)理的深入認(rèn)知都是目前研究的熱點(diǎn)及關(guān)鍵。相關(guān)研究不僅涉及到傳統(tǒng)機(jī)械、能源動(dòng)力學(xué)科，同時(shí)也高度依賴新型材料、新型探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，多學(xué)科交叉互補(bǔ)將是固體蓄熱技術(shù)發(fā)展的重要方向。高效的原位檢測(cè)技術(shù)能夠獲得蓄熱裝置及材料內(nèi)部的關(guān)鍵局部運(yùn)行參數(shù)，對(duì)于深入探究能質(zhì)傳輸機(jī)理至關(guān)重要。以新型傳感技術(shù)為例，近年來MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）迅速發(fā)展，基于MEMS技術(shù)的微型傳感器具有體積小、可嵌入度高、集成度高等優(yōu)勢(shì)，可獲取蓄熱裝置內(nèi)局部溫度、壓力、流速等關(guān)鍵參數(shù)［25］。此外，將實(shí)際裝置與在線獲取的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行一體化建模，是系統(tǒng)仿真的發(fā)展趨勢(shì)，其代表技術(shù)之一——數(shù)字孿生技術(shù)近年來嶄露頭角，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者與業(yè)界的普遍關(guān)注［26］。數(shù)字孿生技術(shù)通過將現(xiàn)實(shí)空間中的物理實(shí)體精確映射到數(shù)字虛體，可以對(duì)系統(tǒng)性能與運(yùn)行進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，對(duì)于性能優(yōu)化與運(yùn)行管理具有重要意義。先進(jìn)原位探測(cè)與系統(tǒng)建模技術(shù)將成為固體電蓄熱的相關(guān)機(jī)理及應(yīng)用、裝置開發(fā)、系統(tǒng)集成等方面深入研究的重要方法。

2 國(guó)內(nèi)外典型行業(yè)固體電蓄熱應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)性

深入的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)和完善的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式對(duì)于固體電蓄熱相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期健康發(fā)展至關(guān)重要。事實(shí)上由于固體電蓄熱技術(shù)所具備的能效高、體積小、儲(chǔ)熱量大和負(fù)荷調(diào)整靈活等優(yōu)勢(shì)，目前在國(guó)內(nèi)外均有不少典型的應(yīng)用案例，包括太陽能與風(fēng)電儲(chǔ)熱、紡織制造業(yè)儲(chǔ)熱以及電蓄熱供熱等領(lǐng)域。

2.1 國(guó)內(nèi)典型行業(yè)固體電蓄熱應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)性

2.1.1 可再生能源電儲(chǔ)熱領(lǐng)域

太陽能與風(fēng)電作為可再生能源的代表，是解決當(dāng)前能源危機(jī)和環(huán)境污染的理想能源，但是都表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，需要利用儲(chǔ)能裝置與之匹配，使其在能源富裕時(shí)儲(chǔ)存能量，在能源不足時(shí)釋放能量。

高嵩等［27］依托某100 MW熔融鹽塔式太陽能熱發(fā)電站的實(shí)際工程參數(shù)，模擬分析了采用不同儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)對(duì)熔融鹽塔式太陽能熱發(fā)電站初投資成本、內(nèi)部收益率和平準(zhǔn)化度電成本的影響，研究指出：太陽倍數(shù)為2.6的前提下，最優(yōu)儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)12 h時(shí)，該熔融鹽塔式太陽能熱發(fā)電站具有合理的初始投資成本、較高的內(nèi)部收益率和平準(zhǔn)化度電成本。圍繞風(fēng)電領(lǐng)域棄風(fēng)棄電問題，葛維春等［28］研究了電儲(chǔ)熱消納棄風(fēng)電量以及同等熱量下燃煤鍋爐的節(jié)煤效果，以某地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行管理部門實(shí)際棄風(fēng)數(shù)據(jù)為例，對(duì)于500 MW風(fēng)電場(chǎng)、40萬m2供暖面積的供暖示范工程項(xiàng)目，研究發(fā)現(xiàn)通過使用60 MW的電儲(chǔ)熱鍋爐對(duì)棄風(fēng)進(jìn)行消納，可獲得1 680萬元的年均收益，節(jié)煤量超過2 000 t。張?jiān)娿g等［29］研究棄風(fēng)電量與儲(chǔ)熱容量的匹配關(guān)系，基于某省級(jí)電網(wǎng)連續(xù)5年實(shí)際運(yùn)行案例進(jìn)行分析，指出按照年棄風(fēng)電量和總需求的百分比配置儲(chǔ)熱裝置的容量，比按照最大棄風(fēng)功率和最大日棄風(fēng)電量配置儲(chǔ)熱容量，更能高效利用儲(chǔ)熱裝置且更具有經(jīng)濟(jì)性。

固體儲(chǔ)熱技術(shù)在可再生能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于可再生能源，相應(yīng)的固體儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)當(dāng)充分考慮其時(shí)變性強(qiáng)、波動(dòng)幅度大等特點(diǎn)，提高系統(tǒng)響應(yīng)性以及在波動(dòng)工況下的穩(wěn)定性。另一方面，應(yīng)當(dāng)充分考慮光伏、光熱、風(fēng)電場(chǎng)等發(fā)電位置的地理因素，根據(jù)不同的溫度、海拔、濕度等環(huán)境因素，因地制宜地設(shè)定固體蓄熱裝置各模塊的參數(shù)，提升其靈活性與適應(yīng)性。

2.1.2 傳統(tǒng)工業(yè)儲(chǔ)熱領(lǐng)域

在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，高能耗用能工藝中的70%熱能由化石燃料提供，而隨著“雙碳”方案落實(shí)，工業(yè)領(lǐng)域高效、綠色、低碳轉(zhuǎn)型成為重中之重。同時(shí)，隨著各領(lǐng)域用能方式的改變，近年來夏季用電高峰出現(xiàn)嚴(yán)重赤字。以四川省為例，2022年夏季四川省出現(xiàn)大面積缺電現(xiàn)象，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)測(cè)算，用電缺口達(dá)10 GW。因此，固體蓄熱技術(shù)在高能耗傳統(tǒng)工業(yè)中的推廣應(yīng)用迫在眉睫。

以典型制造業(yè)領(lǐng)域——針織業(yè)為例，袁黎等［30］分析了電蓄熱鍋爐技術(shù)在針織行業(yè)的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益。基于某針織廠項(xiàng)目2020年9月—2021年1月共5個(gè)月的電鍋爐運(yùn)行狀況，分析發(fā)現(xiàn)紡織廠5個(gè)月消耗總電量為482 722 kWh，其中低谷用電量接近90%。按照江蘇電價(jià)，1～10 kV大工業(yè)用電高峰時(shí)段、平時(shí)段和低谷時(shí)段電價(jià)分別為1.034 7元/kWh、0.606 8元/kWh和0.258 9元/kWh計(jì)算，電力蓄能技術(shù)的效益明顯。通過采用夜間儲(chǔ)存谷電、白天釋放儲(chǔ)存熱能的方法，可節(jié)約51.2%的成本。與傳統(tǒng)直熱式電鍋爐生產(chǎn)蒸汽方式和熱力管網(wǎng)供汽相比，電蓄熱技術(shù)可降低成本34%和10%以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

對(duì)于規(guī)模化產(chǎn)業(yè)節(jié)能，固體電蓄熱技術(shù)的成本是首要考慮因素，應(yīng)最大限度提高裝機(jī)容量與電網(wǎng)端峰谷功率的匹配度和相容度。現(xiàn)階段固體儲(chǔ)熱技術(shù)組件的加工與安裝成本在總成本中占比較高，但存在規(guī)?；?yīng)，即隨著儲(chǔ)熱容量不斷增大，單位成本顯著下降。與初期投資成本相比，儲(chǔ)熱技術(shù)的運(yùn)維成本相對(duì)較低，這有利于儲(chǔ)熱技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)中的應(yīng)用。另一方面，在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中引入靈活的交易模式，可形成推動(dòng)固體儲(chǔ)熱裝置在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的一大助力。根據(jù)儲(chǔ)熱的相關(guān)政策、分時(shí)電價(jià)機(jī)制、電力市場(chǎng)機(jī)制、電網(wǎng)業(yè)務(wù)監(jiān)管機(jī)制和應(yīng)用場(chǎng)景等，目前可將固體蓄熱商業(yè)模式劃分為兩大類，分別為輸配電成本監(jiān)管模式和競(jìng)爭(zhēng)性業(yè)務(wù)模式。

在輸配電成本監(jiān)管模式方面，目前研究報(bào)道較少。周賀璇等［31］以輸配電成本監(jiān)管為切入點(diǎn)，基于國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)分析，探討了輸配電成本監(jiān)管的必要性和特殊性，結(jié)合國(guó)外輸配電成本監(jiān)管體系的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出完善我國(guó)輸配電成本監(jiān)管體系的建議。王曉蕓等［32］考慮到電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)成本監(jiān)管與核算成本歸集口徑不一致導(dǎo)致信息反饋結(jié)果不同的情況，從監(jiān)管和核算制度兩個(gè)層面的現(xiàn)狀和差異著手，對(duì)兩者之間的融合進(jìn)行了相關(guān)研究，旨在滿足在當(dāng)前形勢(shì)下的改革監(jiān)管需求和會(huì)計(jì)制度核算要求。

在競(jìng)爭(zhēng)性業(yè)務(wù)方面，南國(guó)良等［33］針對(duì)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)，提出了儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的交易模式及出清模型，以市場(chǎng)化方式進(jìn)行出清，并結(jié)合我國(guó)現(xiàn)行調(diào)峰需求進(jìn)行算例分析，為電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的商業(yè)化推廣應(yīng)用提供參考。陳曉利等［34］基于熔鹽儲(chǔ)熱-換熱系統(tǒng)，提出了包含風(fēng)、光、儲(chǔ)一體化的綜合智慧能源系統(tǒng)方案，開發(fā)了覆蓋電、熱、冷、水的分布式能源多聯(lián)供功能模塊，研究指出系統(tǒng)在分布式電站、工業(yè)園區(qū)、辦公樓宇等多場(chǎng)景應(yīng)用模式下具備商業(yè)推廣價(jià)值，為熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在供熱制冷領(lǐng)域、熱電解耦以及在綜合智慧能源系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用提供重要理論與技術(shù)支撐。整體上看，目前我國(guó)尚未形成關(guān)于儲(chǔ)熱的比較成熟的商業(yè)模式，潛在商業(yè)應(yīng)用具有較大的探索空間。隨著未來商業(yè)模式的不斷發(fā)展，儲(chǔ)熱市場(chǎng)將迎來巨大的發(fā)展機(jī)遇。

2.1.3 電蓄熱供熱領(lǐng)域

在供熱領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)固體電蓄熱裝置多用于居民電采暖供熱，發(fā)展相對(duì)成熟。苗常海等［35］針對(duì)電采暖應(yīng)用場(chǎng)景，采用臨界電價(jià)法分析典型蓄熱式電采暖項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，基于典型項(xiàng)目中市政采暖費(fèi)用27元/m2、接口費(fèi)70元/m2、利率6%、項(xiàng)目壽命期20年等參數(shù)，分析得出高溫固體蓄熱電鍋爐方案、電鍋爐和水蓄熱方案、電鍋爐和相變蓄熱方案的臨界低谷電價(jià)分別為0.301 5元/kWh、0.294 2元/kWh、0.244 2元/kWh，考慮到某地實(shí)際低谷電價(jià)0.280 2元/kWh，高溫固體蓄熱電鍋爐方案具備較好的經(jīng)濟(jì)可行性。岳云力等［36］以張家口某醫(yī)院電蓄熱式清潔供熱改造工程為例，按照住院部樓面積約4萬m2、谷電8 h核算，分析表明固體電蓄熱可以大幅節(jié)約醫(yī)院的能源支出，投資回報(bào)率更高，維護(hù)簡(jiǎn)單且占地面積更小，計(jì)算得到該項(xiàng)目使用固體電蓄熱的靜態(tài)投資回收年限6.7年。

針對(duì)固體蓄熱裝置的經(jīng)濟(jì)性，近年來陸續(xù)開展了不少參數(shù)優(yōu)化研究。圍繞儲(chǔ)熱裝置關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，趙永亮等［37］基于固體填料床的泵熱儲(chǔ)能系統(tǒng)，建立了詳細(xì)的熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型和平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本評(píng)價(jià)模型，開展不同工質(zhì)、不同儲(chǔ)熱介質(zhì)和不同設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)的熱-經(jīng)濟(jì)性分析，研究指出當(dāng)泵熱儲(chǔ)能系統(tǒng)選取氦氣為工質(zhì)、磁鐵礦為儲(chǔ)熱介質(zhì)，最大蓄能溫度為850 K，裝置的做功部件多級(jí)效率為92%，填料床孔隙率為40%時(shí)，可獲得最小的平準(zhǔn)化儲(chǔ)能成本0.210 8美元/kWh。邢作霞等［38］提出了電制熱固體儲(chǔ)熱裝置的投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算方法，分析不同供暖設(shè)備初始投資成本及運(yùn)行成本，研究谷電利用系數(shù)對(duì)電制熱固體儲(chǔ)熱裝置投資運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響。研究表明：相比于其他清潔供暖方式，電制熱固體儲(chǔ)熱供暖機(jī)組具有較高經(jīng)濟(jì)性與性價(jià)比；由于地域峰谷電價(jià)的差異性，不同地域谷電利用系數(shù)不同，如在遼寧地區(qū)，當(dāng)谷電利用系數(shù)為0.85時(shí)，蓄熱裝置具有較高性價(jià)比。

隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域低碳綠色轉(zhuǎn)型的重要手段之一，固體電儲(chǔ)熱技術(shù)是新能源電力與供熱的紐帶，尤其是小型、獨(dú)立、孤島型分布式新能源消納與供熱場(chǎng)景，將成為未來清潔供暖發(fā)展的領(lǐng)域。

2.2 國(guó)外典型行業(yè)固體電蓄熱應(yīng)用與經(jīng)濟(jì)性

固體電蓄熱在國(guó)外也有不少典型的成功應(yīng)用案例，并實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。Bedouani等［39］對(duì)加拿大蒙特利爾地區(qū)6所房屋的4種不同存儲(chǔ)容量的蓄熱單元進(jìn)行模擬研究，結(jié)果表明電蓄熱系統(tǒng)的投資回報(bào)時(shí)間為4～5年。此外，技術(shù)經(jīng)濟(jì)模擬結(jié)果表明，使用100%或者80%名義規(guī)模的電蓄熱對(duì)投資回報(bào)幾乎沒有影響。Moffet等［40］使用一年內(nèi)魁北克典型的家庭用電情況作為輸入信息，并考慮定期費(fèi)率和使用時(shí)間費(fèi)率，評(píng)價(jià)了使用集中電蓄熱系統(tǒng)代替常規(guī)電加熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)果表明使用電蓄熱供暖系統(tǒng)每年可節(jié)省約15%的電費(fèi)；此外，研究評(píng)估了電蓄熱對(duì)冬季用電高峰周配電變電站負(fù)荷曲線的影響，基于分時(shí)電價(jià)控制，電蓄熱系統(tǒng)的最大許可占比約為4%。

在整個(gè)歐洲，僅2022年歐洲電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能需求同比增長(zhǎng)97%，達(dá)到2.8 GW/3.3 GWh，這反映了儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主流能源技術(shù)已經(jīng)得到規(guī)?；瘧?yīng)用。例如，瑞典能源公司Vattenfall目前正在建造據(jù)稱是歐洲最大的電蓄熱裝置，該設(shè)施位于柏林的600 MW路透西燃煤發(fā)電站，計(jì)劃于2023年4月上線啟用。

對(duì)于接入電網(wǎng)的系統(tǒng)性儲(chǔ)能工程而言，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期營(yíng)利是其健康發(fā)展的前提。國(guó)外大型儲(chǔ)能資產(chǎn)在商業(yè)模式上率先進(jìn)行了嘗試。以歐洲為例，商業(yè)電價(jià)收入仍然是歐洲電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能資產(chǎn)的主要收入來源。盡管在英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家已經(jīng)建立了一系列大型儲(chǔ)能項(xiàng)目，然而保證其全壽命周期內(nèi)的盈利能力仍然是巨大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的商業(yè)模式依賴于不穩(wěn)定的可再生能源電力和輔助市場(chǎng)電力價(jià)格，電力價(jià)格波動(dòng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)成本造價(jià)的提升都是潛在的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。目前，輔助服務(wù)仍是電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能項(xiàng)目的主要應(yīng)用方向。

3 結(jié)語

1）固體電蓄熱材料在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)充分考慮熱物性參數(shù)、穩(wěn)定性、工藝性能及經(jīng)濟(jì)性等因素，實(shí)現(xiàn)各方面平衡與兼顧，高儲(chǔ)熱能量密度、高蓄熱/放熱效率和高穩(wěn)定性是新型固體蓄熱材料的發(fā)展趨勢(shì)。

2）在固體蓄熱裝置的性能提升方面，已取得理論研究、仿真及宏觀試驗(yàn)的顯著成果，基于仿真模擬方法獲得了其內(nèi)部的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等分布情況，通過測(cè)量換熱介質(zhì)參數(shù)得到蓄/放熱量、系統(tǒng)效率等宏觀參數(shù)。同時(shí)，原位探測(cè)技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合的微觀測(cè)試方法，將成為優(yōu)化蓄熱裝置結(jié)構(gòu)、提升裝置效率的重要方法。

3）固體電蓄熱系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外已有成功運(yùn)行案例，在傳統(tǒng)工業(yè)制造業(yè)以及民用領(lǐng)域均存在廣闊的市場(chǎng)和發(fā)展前景。推動(dòng)固體電蓄熱技術(shù)在新能源并網(wǎng)、傳統(tǒng)工業(yè)節(jié)能、民用供暖等方面的應(yīng)用與普及，將極大促進(jìn)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。同時(shí)，借鑒國(guó)外儲(chǔ)能參與的電力商業(yè)模式經(jīng)驗(yàn)，探索符合我國(guó)能源結(jié)構(gòu)及電力系統(tǒng)特點(diǎn)的新型商業(yè)模式，有利于儲(chǔ)能行業(yè)的長(zhǎng)期健康發(fā)展。