固體電蓄熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

馬美秀，章康，陳夢東，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)模不斷擴大，電化學(xué)儲能、儲熱等［1-2］儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)調(diào)峰中占有越發(fā)顯著的地位。其中，儲熱技術(shù)是以儲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，按需釋放，力圖解決時間、空間或強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系統(tǒng)的能源利用率。據(jù)IRENA（國際可再生能源署）《創(chuàng)新展望：熱能存儲》報告顯示，到2030年，儲熱裝機的容量大概將增長到800 GWh以上，中國的儲熱裝機規(guī)模目前已達到1.5 GWh。中國2020年9月宣布力爭2030年實現(xiàn)“碳達峰”，2060年實現(xiàn)“碳中和”。在“雙碳”目標下，儲熱技術(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)展空間和機遇。

在眾多的儲熱技術(shù)中，固體電蓄熱技術(shù)將電網(wǎng)的低谷電能、風(fēng)/光等波動性電能轉(zhuǎn)化成熱能儲存，在用電高峰時段按需實現(xiàn)供暖、供汽或供熱水等，是一種先進、高效的儲熱技術(shù)，對提高電網(wǎng)靈活性具有重要意義［3］。目前固體電蓄熱技術(shù)在國內(nèi)外都得到了應(yīng)用，但針對電網(wǎng)的固體電蓄熱技術(shù)還處在發(fā)展階段，仍需要針對電網(wǎng)接入運行工況下的特點，提高裝置及系統(tǒng)的適應(yīng)性，促進其產(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，并結(jié)合固體電蓄熱技術(shù)的特點，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“雙碳”戰(zhàn)略目標推進步伐。

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

在低谷用電時段，電熱單元接入電網(wǎng)將電能轉(zhuǎn)換為熱能，儲存于絕熱層包裹的蓄熱體結(jié)構(gòu)中，所儲存的熱能通過換熱單元，與空氣、水等工質(zhì)進行熱交換，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熱及換熱階段，一般為5%～10%［5］，其能量效率η計算公式為：

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-放熱過程的流動傳熱特性等方面開展研究。對于蓄熱材料，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。為進一步提高蓄熱-放熱性能，國內(nèi)外研究者對蓄熱單元及換熱器結(jié)構(gòu)進行了多樣化的嘗試與研究。蓄熱體結(jié)構(gòu)及換熱器內(nèi)的傳熱流動特性對于系統(tǒng)性能至關(guān)重要，但由于難以獲得實際系統(tǒng)運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)在運行中的實際物理過程，應(yīng)當大力發(fā)展原位檢測實驗技術(shù)（如非接觸式光學(xué)測量技術(shù)、微機電系統(tǒng)嵌入式微型傳感器等）以獲得關(guān)鍵局部參數(shù)，基于全場物理建模，對系統(tǒng)運行進行精確預(yù)測，并進一步提出優(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)材料的溫度變化進行熱量儲存和釋放。固體蓄熱材料的蓄熱量Q計算公式為：

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、工作溫度等指標均較低，但價格便宜，裝置構(gòu)造簡單，易于推廣應(yīng)用。金屬類材料（如鑄鐵）密度大但比熱容較低，在與電熱元件進行封裝時絕緣性能要求較高。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)多孔材料能夠彌補其導(dǎo)熱性差的問題，同時還具有比熱容和體積熱容大的優(yōu)勢，因此在商業(yè)上被廣泛使用。

與一般工業(yè)蓄熱場景相比，電網(wǎng)輸出具有功率高、蓄熱體量大的特點。針對電網(wǎng)特有的運行工況，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)展的長期方向。隨著新能源電力急劇增加，儲能系統(tǒng)配套勢在必行，但電網(wǎng)運行過程中的大幅波動與時變性問題，將導(dǎo)致大功率蓄熱裝置頻繁啟停，從而引起儲熱過程儲熱材料溫差大、升降溫頻率高等問題，因此儲熱材料的穩(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驗研究，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］針對高溫高壓固體電蓄熱裝置進行電磁場絕緣特性研究，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，對其放熱性能進行研究，基于參數(shù)化分析，結(jié)合流-固耦合傳熱分析與實驗研究，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，并實驗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)對蓄熱體蓄熱/放熱性能的影響。丁玉龍等［16］設(shè)計了一種集產(chǎn)熱、儲熱、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熱材料之間的換熱效率。童敏等［17］設(shè)計了一種相變儲熱峰谷供暖系統(tǒng)，利用電加熱管在谷電時為相變儲熱裝置儲熱，在峰電時為用戶端供暖。

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。目前的實驗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)為評價指標。事實上，蓄熱體結(jié)構(gòu)與換熱器內(nèi)的傳熱流動過程對于裝置性能研究同樣至關(guān)重要。然而現(xiàn)有的實驗技術(shù)難以獲得蓄熱體內(nèi)及換熱管道內(nèi)的溫度、壓力、流場等分布信息，從而限制了對其傳熱流動機理的深入認識。針對這些問題，國內(nèi)外研究者采用數(shù)值模擬的方式進行了大量研究，以獲取實驗方法難以直接觀測到的局部參數(shù)信息，建立蓄熱裝置與系統(tǒng)的物理模型，對不同工況下的性能進行預(yù)測并提出優(yōu)化方案。

蘇俊林等［18］基于數(shù)值模擬，對固體蓄熱器的蓄熱體溫度場和傳熱特性開展研究，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)驗證了模擬結(jié)果的有效性。徐德璽［19］利用有限元分析軟件對固體蓄熱器的蓄放熱階段進行模擬分析，并通過對蓄熱體結(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熱系統(tǒng)各設(shè)計參數(shù)與傳熱匹配的交互特性；結(jié)果表明，儲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)速能改善儲熱體均熱性，通過多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計和前饋補償控制，可以實現(xiàn)較好的傳熱匹配效果。蔣招武等［21］建立相變儲能高溫換熱器的相變過程數(shù)學(xué)模型，通過顯熱容法簡化相變過程，采用MATLAB對相變過程進行求解，獲得了相變材料及介質(zhì)空氣的溫度變化規(guī)律，為實驗研究相變儲能換熱器的性能提供了理論基礎(chǔ)。徐桂芝等［22］通過研究儲熱單元的換熱特性，基于FLUENT軟件，結(jié)合裝置的設(shè)計參數(shù)和相變復(fù)合材料的物性參數(shù)，對相變儲熱系統(tǒng)儲/放熱過程中內(nèi)部的溫度分布、傳熱速率和儲/放熱效率進行了數(shù)學(xué)建模及模擬分析，重點研究了不同傳熱流體速度對單元儲/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，對電暖器的加熱過程進行數(shù)值模擬研究，得到電暖器穩(wěn)態(tài)時的溫度分布圖、非穩(wěn)態(tài)儲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，對流場、溫度場耦合的問題進行三維數(shù)值模擬，從而得到蓄熱體在不同工作時刻的溫度場、流場分布，通過數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比，驗證流固耦合建模與分析方法的正確性。

對于固體電蓄熱裝置，新結(jié)構(gòu)的研發(fā)與性能優(yōu)化，以及能質(zhì)傳輸機理的深入認知都是目前研究的熱點及關(guān)鍵。相關(guān)研究不僅涉及到傳統(tǒng)機械、能源動力學(xué)科，同時也高度依賴新型材料、新型探測技術(shù)的發(fā)展，多學(xué)科交叉互補將是固體蓄熱技術(shù)發(fā)展的重要方向。高效的原位檢測技術(shù)能夠獲得蓄熱裝置及材料內(nèi)部的關(guān)鍵局部運行參數(shù)，對于深入探究能質(zhì)傳輸機理至關(guān)重要。以新型傳感技術(shù)為例，近年來MEMS（微機電系統(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，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，將實際裝置與在線獲取的關(guān)鍵參數(shù)進行一體化建模，是系統(tǒng)仿真的發(fā)展趨勢，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)實空間中的物理實體精確映射到數(shù)字虛體，可以對系統(tǒng)性能與運行進行精確預(yù)測，對于性能優(yōu)化與運行管理具有重要意義。先進原位探測與系統(tǒng)建模技術(shù)將成為固體電蓄熱的相關(guān)機理及應(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 國內(nèi)外典型行業(yè)固體電蓄熱應(yīng)用與經(jīng)濟性

深入的經(jīng)濟性評價和完善的商業(yè)運營模式對于固體電蓄熱相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的長期健康發(fā)展至關(guān)重要。事實上由于固體電蓄熱技術(shù)所具備的能效高、體積小、儲熱量大和負荷調(diào)整靈活等優(yōu)勢，目前在國內(nèi)外均有不少典型的應(yīng)用案例，包括太陽能與風(fēng)電儲熱、紡織制造業(yè)儲熱以及電蓄熱供熱等領(lǐng)域。

2.1 國內(nèi)典型行業(yè)固體電蓄熱應(yīng)用與經(jīng)濟性

2.1.1 可再生能源電儲熱領(lǐng)域

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

高嵩等［27］依托某100 MW熔融鹽塔式太陽能熱發(fā)電站的實際工程參數(shù)，模擬分析了采用不同儲熱時長對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)儲熱時長12 h時，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)運行管理部門實際棄風(fēng)數(shù)據(jù)為例，對于500 MW風(fēng)電場、40萬m2供暖面積的供暖示范工程項目，研究發(fā)現(xiàn)通過使用60 MW的電儲熱鍋爐對棄風(fēng)進行消納，可獲得1 680萬元的年均收益，節(jié)煤量超過2 000 t。張詩鉭等［29］研究棄風(fēng)電量與儲熱容量的匹配關(guān)系，基于某省級電網(wǎng)連續(xù)5年實際運行案例進行分析，指出按照年棄風(fēng)電量和總需求的百分比配置儲熱裝置的容量，比按照最大棄風(fēng)功率和最大日棄風(fēng)電量配置儲熱容量，更能高效利用儲熱裝置且更具有經(jīng)濟性。

固體儲熱技術(shù)在可再生能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。對于可再生能源，相應(yīng)的固體儲熱技術(shù)應(yīng)當充分考慮其時變性強、波動幅度大等特點，提高系統(tǒng)響應(yīng)性以及在波動工況下的穩(wěn)定性。另一方面，應(yīng)當充分考慮光伏、光熱、風(fēng)電場等發(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，工業(yè)領(lǐng)域高效、綠色、低碳轉(zhuǎn)型成為重中之重。同時，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)國家電網(wǎng)測算，用電缺口達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)濟效益?；谀翅樋棌S項目2020年9月—2021年1月共5個月的電鍋爐運行狀況，分析發(fā)現(xiàn)紡織廠5個月消耗總電量為482 722 kWh，其中低谷用電量接近90%。按照江蘇電價，1～10 kV大工業(yè)用電高峰時段、平時段和低谷時段電價分別為1.034 7元/kWh、0.606 8元/kWh和0.258 9元/kWh計算，電力蓄能技術(shù)的效益明顯。通過采用夜間儲存谷電、白天釋放儲存熱能的方法，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)濟效益顯著。

對于規(guī)?；a(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)最大限度提高裝機容量與電網(wǎng)端峰谷功率的匹配度和相容度?，F(xiàn)階段固體儲熱技術(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，儲熱技術(shù)的運維成本相對較低，這有利于儲熱技術(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，可形成推動固體儲熱裝置在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的一大助力。根據(jù)儲熱的相關(guān)政策、分時電價機制、電力市場機制、電網(wǎng)業(yè)務(wù)監(jiān)管機制和應(yīng)用場景等，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)管模式和競爭性業(yè)務(wù)模式。

在輸配電成本監(jiān)管模式方面，目前研究報道較少。周賀璇等［31］以輸配電成本監(jiān)管為切入點，基于國內(nèi)外文獻分析，探討了輸配電成本監(jiān)管的必要性和特殊性，結(jié)合國外輸配電成本監(jiān)管體系的實踐經(jīng)驗，提出完善我國輸配電成本監(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)管和核算制度兩個層面的現(xiàn)狀和差異著手，對兩者之間的融合進行了相關(guān)研究，旨在滿足在當前形勢下的改革監(jiān)管需求和會計制度核算要求。

在競爭性業(yè)務(wù)方面，南國良等［33］針對電網(wǎng)側(cè)儲能參與調(diào)峰輔助服務(wù)市場，提出了儲能參與輔助服務(wù)市場的交易模式及出清模型，以市場化方式進行出清，并結(jié)合我國現(xiàn)行調(diào)峰需求進行算例分析，為電網(wǎng)側(cè)儲能在電力系統(tǒng)中的商業(yè)化推廣應(yīng)用提供參考。陳曉利等［34］基于熔鹽儲熱-換熱系統(tǒng)，提出了包含風(fēng)、光、儲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)、辦公樓宇等多場景應(yīng)用模式下具備商業(yè)推廣價值，為熔鹽儲熱技術(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，目前我國尚未形成關(guān)于儲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，儲熱市場將迎來巨大的發(fā)展機遇。

2.1.3 電蓄熱供熱領(lǐng)域

在供熱領(lǐng)域，國內(nèi)固體電蓄熱裝置多用于居民電采暖供熱，發(fā)展相對成熟。苗常海等［35］針對電采暖應(yīng)用場景，采用臨界電價法分析典型蓄熱式電采暖項目經(jīng)濟性，基于典型項目中市政采暖費用27元/m2、接口費70元/m2、利率6%、項目壽命期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分別為0.301 5元/kWh、0.294 2元/kWh、0.244 2元/kWh，考慮到某地實際低谷電價0.280 2元/kWh，高溫固體蓄熱電鍋爐方案具備較好的經(jīng)濟可行性。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，投資回報率更高，維護簡單且占地面積更小，計算得到該項目使用固體電蓄熱的靜態(tài)投資回收年限6.7年。

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

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

2.2 國外典型行業(yè)固體電蓄熱應(yīng)用與經(jīng)濟性

固體電蓄熱在國外也有不少典型的成功應(yīng)用案例，并實現(xiàn)了較好的經(jīng)濟效益。Bedouani等［39］對加拿大蒙特利爾地區(qū)6所房屋的4種不同存儲容量的蓄熱單元進行模擬研究，結(jié)果表明電蓄熱系統(tǒng)的投資回報時間為4～5年。此外，技術(shù)經(jīng)濟模擬結(jié)果表明，使用100%或者80%名義規(guī)模的電蓄熱對投資回報幾乎沒有影響。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，并考慮定期費率和使用時間費率，評價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；此外，研究評估了電蓄熱對冬季用電高峰周配電變電站負荷曲線的影響，基于分時電價控制，電蓄熱系統(tǒng)的最大許可占比約為4%。

在整個歐洲，僅2022年歐洲電網(wǎng)規(guī)模的儲能需求同比增長97%，達到2.8 GW/3.3 GWh，這反映了儲能系統(tǒng)作為主流能源技術(shù)已經(jīng)得到規(guī)模化應(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，計劃于2023年4月上線啟用。

對于接入電網(wǎng)的系統(tǒng)性儲能工程而言，實現(xiàn)長期營利是其健康發(fā)展的前提。國外大型儲能資產(chǎn)在商業(yè)模式上率先進行了嘗試。以歐洲為例，商業(yè)電價收入仍然是歐洲電網(wǎng)規(guī)模儲能資產(chǎn)的主要收入來源。盡管在英國、德國、法國等國家已經(jīng)建立了一系列大型儲能項目，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電力價格，電力價格波動與儲能系統(tǒng)成本造價的提升都是潛在的市場風(fēng)險。目前，輔助服務(wù)仍是電網(wǎng)規(guī)模的儲能項目的主要應(yīng)用方向。

3 結(jié)語

1）固體電蓄熱材料在實際應(yīng)用中應(yīng)當充分考慮熱物性參數(shù)、穩(wěn)定性、工藝性能及經(jīng)濟性等因素，實現(xiàn)各方面平衡與兼顧，高儲熱能量密度、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。

2）在固體蓄熱裝置的性能提升方面，已取得理論研究、仿真及宏觀試驗的顯著成果，基于仿真模擬方法獲得了其內(nèi)部的流場、溫度場等分布情況，通過測量換熱介質(zhì)參數(shù)得到蓄/放熱量、系統(tǒng)效率等宏觀參數(shù)。同時，原位探測技術(shù)與仿真技術(shù)相結(jié)合的微觀測試方法，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)在國內(nèi)外已有成功運行案例，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和發(fā)展前景。推動固體電蓄熱技術(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，將極大促進我國新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，助力實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標。同時，借鑒國外儲能參與的電力商業(yè)模式經(jīng)驗，探索符合我國能源結(jié)構(gòu)及電力系統(tǒng)特點的新型商業(yè)模式，有利于儲能行業(yè)的長期健康發(fā)展。