儲熱技術基礎（Ⅱ）——儲熱技術在電力系統(tǒng)中的應用

李永亮，金 翼，黃 云，葉 鋒，汪 翔，李大成，王彩霞，丁玉龍

（英國利茲大學-中國科學院過程工程研究所儲能聯(lián)合研究中心，北京 100190）

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

但目前我國的實際狀況是電力供應鏈尤其是電網(wǎng)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，這是由我國近年來用戶端用電情況的變化以及發(fā)電端電源結構的變化兩個方面共同決定的。用電方面隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，城鎮(zhèn)用電量不斷的增加，電力峰谷差不斷擴大，特別是居民空調(diào)的普及，加劇了供電的峰谷矛盾。為應對不斷增加的高峰電力需求，我國的裝機容量不斷攀升，截止2012年底全國裝機容量超過1140 GW，居世界第一位。電源結構方面新增容量絕大多數(shù)為300 MW以上的大型火電機組，運行靈活但效率低且污染嚴重的中小型燃煤機組被逐漸取締，這也給電網(wǎng)的調(diào)峰帶來了很大的問題。另一方面我國近年來可再生電力發(fā)展迅猛，截止2012年底風電裝機超過63 GW，約占全球裝機總?cè)萘康?6%，位居世界第一；太陽能光伏發(fā)電裝機容量也超過 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)并且將更加嚴重地影響電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定性。以我國風電裝機為例，由于以大容量的集中式風電為主且當?shù)叵{能力明顯不足，使得我國目前的棄風現(xiàn)象十分普遍。國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，2011年度我國風電棄風限電總量超過100億千瓦時，平均利用小時數(shù)大幅減少至1900小時左右，個別?。▍^(qū)）的利用小時數(shù)已經(jīng)下降到1600小時左右，嚴重影響了風電場運行的經(jīng)濟性?？梢?，可再生能源發(fā)電的大規(guī)模電網(wǎng)接入已經(jīng)成為制約其進一步發(fā)展的瓶頸。

配套大規(guī)模儲能裝置，可以解決發(fā)電與用電的時差矛盾及間歇式可再生能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)安全和穩(wěn)定性的影響。儲能技術作為提高智能電網(wǎng)對可再生能源發(fā)電兼容量的重要手段和實現(xiàn)智能電網(wǎng)能量雙向互動的中樞和紐帶，是智能電網(wǎng)建設中的關鍵技術之一。我國近年來十分重視儲能技術的發(fā)展，近期發(fā)布的《國家“十二五”科學和技術發(fā)展規(guī)劃》中明確提出“十二五”期間將重點發(fā)展大規(guī)模間歇式電源并網(wǎng)與儲能等核心技術。

將儲熱技術應用于電力系統(tǒng)中的大規(guī)模儲能具有其獨特的自身優(yōu)勢。首先儲熱技術是物理過程，相對于化學儲能和電磁儲能它的技術成熟度更高而成本較低，適合大容量長時間儲能。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)。因而利用儲熱技術作為電力系統(tǒng)中大規(guī)模儲能手段時，其釋能過程可以利用電力系統(tǒng)本身的熱功轉(zhuǎn)化設備，這樣可以大大提高設備利用率和整體能源利用效率，進一步降低了儲能的成本。最后，在某些特殊場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，故而利用儲熱技術可以達到一舉多得的目的。

但是另一方面相對于其它儲能技術儲熱也有其自身的不足。一是熱能的品位（即熱能“”）相對于化學能和電磁能等比較低，這就使得大規(guī)模儲熱雖然容易，但是要保證所儲存熱量的質(zhì)，即所儲熱量最終轉(zhuǎn)化為電功的量卻不易，因而進一步提高儲熱的能量密度一直是科學研究和實際應用中的一個努力方向。另外，儲熱技術中能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移是依靠分子的熱運動完成的，由于熱的傳遞相對于化學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），它會嚴重影響整個儲能過程的效率。因而在當前電力系統(tǒng)中主要的儲熱技術應用方面，包括太陽能熱發(fā)電儲熱技術、壓縮空氣儲能儲熱技術、深冷儲電技術以及熱泵儲電技術，都在努力通過提高儲存熱量的能量密度和優(yōu)化熱能轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程以提高儲熱技術的效率和經(jīng)濟性。

1 儲熱技術在太陽能熱發(fā)電中的應用

太陽能熱發(fā)電（即光熱技術）是指利用集熱器將太陽輻射波譜中長波部分的能量轉(zhuǎn)換成熱能并通過熱力循環(huán)過程進行發(fā)電的過程。與價格昂貴的光伏發(fā)電相比，光熱技術被認為是更加適合大規(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的重要途徑。由于太陽輻射的一個明顯特點是受晝夜和季節(jié)等規(guī)律性變化的影響以及陰晴云雨等隨機因素的制約，為保證太陽能電站的全天候連續(xù)穩(wěn)定運行并提高發(fā)電效率、降低發(fā)電成本，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中一般都會采用儲熱技術。

太陽能儲熱包含三個子過程：① 換熱流體將熱能從集熱器帶走并傳給儲熱介質(zhì)（換熱流體本身也是儲熱介質(zhì)）；② 熱能在儲熱介質(zhì)積聚；③ 換熱流體將熱能從儲熱介質(zhì)中帶走并傳遞給發(fā)電系統(tǒng)中的熱設備。依照實際應用中三個過程的實施方式，太陽能熱發(fā)電中的儲熱技術可以分為兩類。第一類儲熱技術中三個過程完全分開，儲熱量的具體表現(xiàn)為儲熱介質(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存于巖石、耐火高溫混凝土等顯熱儲熱材料中和/或以潛熱的形式儲存于相變材料中。這種儲熱方式的優(yōu)點是便于控制，但是水和導熱油在高溫下蒸汽壓很大，使用時需特殊的壓力閥等設備，導熱油還容易引發(fā)火災，而且價格較貴[1]。另一方面由于系統(tǒng)結構復雜，熱能在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過程中有損失，尤其是在復雜的傳熱過程中熱能的品質(zhì)降低，使得整個儲熱系統(tǒng)的效率較低。第二類儲熱技術中的傳熱流體（如熔融鹽）在儲熱過程中同時作為換熱流體和儲熱介質(zhì)，從而簡化了熱量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程，減小了儲熱過程中能質(zhì)的損耗。熔融鹽作為傳熱流體是指將普通的固態(tài)無機鹽加熱到其熔點以上形成液態(tài)，然后利用熔融鹽的熱循環(huán)達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便宜的價格等優(yōu)點，但腐蝕性等是這種介質(zhì)的缺點之一（見下文）。

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

目前世界上已經(jīng)建設運行和正在建設中帶儲熱的光熱電站，幾乎全部采用熔融鹽儲熱，其具體配置為雙罐式結構，如圖1所示。由此可見，與第一類儲熱技術不同的是其儲熱的具體表現(xiàn)為儲熱介質(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熱系統(tǒng)的配置實現(xiàn)了10MW級系統(tǒng)的24小時持續(xù)發(fā)電。值得指出的是，雖然熔融鹽儲熱已經(jīng)進入了商業(yè)化應用的階段，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，氯鹽對容器的強腐蝕性，硝酸鹽溶解熱較小、熱導率低等問題。更為嚴重的是，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從而可能使設備報廢。因而熔融鹽目前的研究熱點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 與燃機集成的包含儲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 儲熱技術在壓縮空氣儲能技術中的應用

壓縮空氣儲能技術是迄今為止除抽水儲能外唯一投入工業(yè)應用的大規(guī)模儲電技術。利用這種儲能方式，在電網(wǎng)負荷低谷期將富余電能用于驅(qū)動空氣壓縮機，將空氣高壓密封在山洞、報廢礦井和過期油氣井中；在電網(wǎng)負荷高峰期釋放壓縮空氣推動燃汽輪機發(fā)電。這種傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能技術已基本趨于成熟，自德國1978年第一臺壓縮空氣儲能系統(tǒng)投入商業(yè)運行以來，至今已有30多年的歷史。然而傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)的大規(guī)模推廣卻面臨著兩方面的技術障礙：① 能量密度低因而需要大型儲氣裝置；② 高壓比壓縮時功耗大且產(chǎn)生的壓縮熱多，因此大大影響了整體儲能的效率，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行的壓縮空氣儲能系統(tǒng)只有兩套，分別為1978年投產(chǎn)的德國290 MW的Huntorf壓縮空氣儲能電站和 1991年開始運行的美國亞拉巴馬州McIntosh的110 MW州電力公司壓縮空氣儲能電站[5]。

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

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

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

3 深冷儲電技術

圖3 深冷儲電技術原理圖[9]Fig.3 Principle of cryogen based energy storage technology[9]

深冷儲電技術是一種將儲熱（冷）直接用于大規(guī)模電能管理的技術，它以液態(tài)空氣為儲能介質(zhì)，利用空氣常壓下極低的液化點解決了一般儲熱技術中能量密度小以及壓縮空氣儲能高壓儲存困難的問題，因而可以將深冷儲電技術看作是儲熱技術和壓縮空氣儲能技術的結合[8]。深冷儲電技術的工作原理如圖3所示：在用電低谷，過剩的電能用于驅(qū)動空氣液化單元生產(chǎn)液態(tài)空氣并儲存于低壓的深冷儲罐中；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)動電機發(fā)電。由于低溫液化及儲存技術是成熟技術，在液化天然氣行業(yè)已有很長的應用歷史，深冷技術因此有潛力發(fā)展成為大容量儲能技術并像抽水儲能電站那樣為電網(wǎng)提供各種靜態(tài)和動態(tài)服務，例如削峰填谷、負荷跟蹤、緊急備用容量等。

與太陽能熱發(fā)電和絕熱壓縮空氣儲能中的儲熱技術只關注熱能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移不同的是，深冷儲電技術中熱能的生產(chǎn)，即液態(tài)空氣的生產(chǎn)也是極其重要的一環(huán)，而且是該技術能否具有競爭力的關鍵因素。如果采用傳統(tǒng)的氣體液化技術，由于液化過程中能耗大且效率低，會嚴重影響深冷儲電的整體效率。英國利茲大學和高瞻公司（Highview Power Storage Ltd.）合作提出了在深冷儲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)的儲電效率，如圖4所示。世界上第一套深冷儲能示范系統(tǒng)（400kW/3MW·h）已于2011年建成并投入運行。該系統(tǒng)不僅驗證了深冷儲電技術的可行性，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50%以上。雖然作為首套系統(tǒng)它的整體儲能效率還有很大的提升空間，但是它在快速啟動及出功量快速爬升能力等方面已顯示出巨大優(yōu)勢，目前示范電廠與英國國家電網(wǎng)合作一直在為電網(wǎng)提供各種容量需求和輔助服務。

圖4 深冷儲電系統(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，深冷儲電技術本身就是一種包含了熱能生產(chǎn)過程的儲熱技術，而低溫蓄冷又是其重要的組成部分，因而深冷儲電技術既包含了儲熱技術中電能與熱能之間的復雜轉(zhuǎn)化，也包含了熱能的轉(zhuǎn)移和儲存。目前深冷儲電系統(tǒng)的儲冷單元采用的是以空氣為傳熱流體、以砂石為儲冷介質(zhì)的第一類儲熱技術。文獻[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熱介質(zhì)的雙罐式儲冷系統(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)尚未在試驗系統(tǒng)中應用。

圖5 常用液態(tài)顯熱儲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 熱泵儲電技術

深冷儲電技術是將能量以低溫熱能的形式儲存，在空氣液化過程中空壓機也會產(chǎn)生壓縮熱，但是由于要減小壓縮機的功耗一般通過級間冷卻以保證壓縮熱的溫度不要太高。相反地，在熱泵儲電技術中，卻是通過完全的近似絕熱的壓縮和膨脹同時產(chǎn)生高溫熱能和低溫冷能，以此達到高效儲存電能的目的。如圖6所示，熱泵儲電系統(tǒng)利用一組高效可逆的熱機/熱泵將電能同時轉(zhuǎn)化為熱能和冷能并儲存于兩個絕熱容器中。在儲電的過程中，常溫常壓的工作氣體首先被壓縮機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，壓縮機耗功和透平機膨脹功之差即為消耗的凈功，亦即儲存的電能。當系統(tǒng)釋能時，壓氣機和透平均反轉(zhuǎn)并交換角色，系統(tǒng)的凈出功驅(qū)動電機發(fā)電?？梢?，與深冷儲電技術相同，熱泵儲電技術也同時包含了電能與熱能之間復雜的轉(zhuǎn)化和熱能的轉(zhuǎn)移、儲存兩個過程。

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

熱泵儲電技術由英國Isentropic Energy公司提出，由于工作氣體的膨脹和壓縮過程構成一個閉口循環(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。雖然理論上熱泵儲電技術的儲能效率非常高，但是它的實際運行效果非常依賴于壓氣機和透平的實際性能，即絕熱效率。更為重要的是由于兩個部件都要同時滿足正反轉(zhuǎn)時均有較高的效率，這對熱功轉(zhuǎn)化設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，也會大大增加儲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儲電能力為16 MW·h的示范裝置，其設計的儲熱與儲冷溫度分別為500 ℃和-160 ℃，并且擬用氬氣作為循環(huán)工質(zhì)，以沙礫作為儲熱和儲冷介質(zhì)。值得指出的是，使用沙礫的顯熱儲熱和儲冷雖然可以簡化系統(tǒng)的結構，但在運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，然而由于儲能系統(tǒng)要求間歇式運行，而且儲熱和儲冷的溫度都非常高（低），砂石在氣體流動方向的熱傳遞難以避免，這就會大大降低系統(tǒng)效率。正因如此，盡管 Isentropic Energy宣稱該系統(tǒng)實際效率可達72%～80%，相關專家對此卻持懷疑態(tài)度。這里如果利用雙罐式的液態(tài)顯熱儲熱（冷）的方式代替沙礫儲熱（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，勢必大大增加系統(tǒng)的復雜程度和在集熱器和集冷器上的投資成本。

5 結 語

介紹了儲熱技術在電力系統(tǒng)中的最有潛力的四種具體應用技術，其中太陽能熱發(fā)電中的儲熱技術最為簡單，僅僅包含熱能的傳遞和儲存，因而應用前景明朗。其它三種應用方式均包含了熱能（冷能）的生產(chǎn)過程，系統(tǒng)較為復雜，對機械部件，尤其是熱功轉(zhuǎn)化部件（壓氣機和透平）的依賴程度高，大規(guī)模應用還需要不同程度的研發(fā)努力，特別是基于熱泵的儲電技術。但是，從長遠看，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)化技術為基礎的儲熱技術將會在能源網(wǎng)絡管理中發(fā)揮重要的作用。

另外，單從熱能的傳遞和儲存的方面看，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熱（儲冷）能夠更好地保證儲熱過程的整體效率，所以會在將來電力系統(tǒng)的儲熱技術中發(fā)揮重要的作用。

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