新型儲能技術(shù)領(lǐng)域系列評價性綜述工作新型儲能技術(shù)進展與挑戰(zhàn)II：物理儲能與儲熱技術(shù)

摘 要：新型儲能技術(shù)日益成為中國建設(shè)新型能源體系和新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，已成為中國經(jīng)濟發(fā)展的新動能，將在促進可再生能源消納、實現(xiàn)能源體系轉(zhuǎn)型、提高能源利用效率、減少環(huán)境污染等方面發(fā)揮重要作用，相關(guān)技術(shù)研究也在快速發(fā)展。開展了該領(lǐng)域的系列評價性綜述工作，分為電化學儲能技術(shù)、物理儲能與儲熱技術(shù)、儲能集成與規(guī)劃3個部分，對各類新型儲能技術(shù)的應用領(lǐng)域、最新研究進展及局限性等問題進行了全面系統(tǒng)的對比分析，并進一步探討了儲能集成、安全、規(guī)劃調(diào)度等儲能系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢。第2部分為物理儲能與儲熱技術(shù)，重點對物理儲能與儲熱技術(shù)中的壓縮空氣儲能、飛輪儲能、重力儲能、相變儲熱、熱化學儲熱和卡諾電池技術(shù)與工程的相關(guān)成果進行了綜合分析與討論?？傮w而言，物理儲能和儲熱技術(shù)大多具有使用壽命長、安全性高的特點，且在能量轉(zhuǎn)化過程中自身多具有轉(zhuǎn)動慣量，屬于電網(wǎng)支撐型的儲能技術(shù)，可滿足從大規(guī)模長時儲能到高功率快速響應的不同需求。在新興的物理儲能和儲熱技術(shù)中，重力儲能和卡諾電池的相關(guān)技術(shù)顯示出良好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：儲能技術(shù)；物理儲能；壓縮空氣儲能；飛輪儲能；重力儲能；相變儲熱；熱化學儲熱；卡諾電池

中圖分類號：TK02 文獻標志碼：A

0" 引言

全面系統(tǒng)地對比分析各種儲能技術(shù)的應用領(lǐng)域、技術(shù)特性、技術(shù)成熟度、挑戰(zhàn)和局限性具有重大意義，有助于明確新型儲能技術(shù)未來主要的發(fā)展方向，為從事儲能技術(shù)研究攻關(guān)的科研工作者提供參考與借鑒?；诖?，本工作開展新型儲能技術(shù)領(lǐng)域的系列評價性綜述，以新型儲能技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)為主線，重點分為電化學儲能技術(shù)、物理儲能與儲熱技術(shù)、儲能集成和規(guī)劃3個部分，對新型儲能技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的熱點問題等進行綜述與討論。新型儲能技術(shù)發(fā)展迅速，其市場份額從2019年的不足8%上升至2023年的超過30%。其中，物理儲能和儲熱技術(shù)以熔鹽儲熱、壓縮空氣儲能和飛輪儲能為代表，各自市場份額占新型儲能技術(shù)市場份額的比重分別為3.0%、0.9%和0.2%[1]。本文為該系列論文的第2部分——物理儲能與儲熱技術(shù)，主要針對壓縮空氣儲能、飛輪儲能、重力儲能、相變儲熱、熱化學儲熱和卡諾電池的應用領(lǐng)域、最新研究進展及局限性等問題進行討論。

1）在物理儲能技術(shù)方面：壓縮空氣儲能（CAES）技術(shù)近年來取得了顯著的進步，在中國，該技術(shù)的商業(yè)化項目正在快速推進，比如：張家口100 MW先進壓縮空氣儲能示范項目的成功并網(wǎng)，標志著壓縮空氣儲能技術(shù)正逐步進入商業(yè)化應用階段[2]。飛輪儲能技術(shù)因具有功率密度大、使用壽命長和響應速度快的優(yōu)點，特別適用于電力系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)和短時能量平衡。近年來，真空環(huán)境和磁懸浮軸承技術(shù)的應用大幅減少了摩擦損失和能量消耗，進一步提升了儲能效率[3]。重力儲能技術(shù)作為一種新興的儲能方式，具有環(huán)保、安全、可靠等優(yōu)點，針對該技術(shù)的研究重點主要集中在系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化、材料選擇和施工技術(shù)等方面，以提高儲能效率和降低成本。

2）在儲熱技術(shù)方面：隨著新型相變材料（PCM）（例如：有機相變材料、納米復合相變材料等）的研發(fā)，相變材料的儲熱密度、熱穩(wěn)定性和循環(huán)性能均得到顯著提升[4]，相變儲熱技術(shù)在太陽能利用、建筑節(jié)能、電力調(diào)峰等領(lǐng)域的應用也日益廣泛。熱化學儲熱技術(shù)具有能量密度高、儲能時間長等優(yōu)點，近年來，隨著新型熱化學儲熱材料（例如：金屬氧化物、氫氧化物等）的開發(fā)、熱化學儲熱系統(tǒng)的集成，以及反應器的優(yōu)化，熱化學儲熱技術(shù)的儲能效率和穩(wěn)定性均得到提高[5]，在太陽能熱發(fā)電、工業(yè)過程熱管理等領(lǐng)域獲得應用?？ㄖZ電池技術(shù)結(jié)合了熱力循環(huán)和儲熱技術(shù)，是一種新型的大規(guī)模儲能系統(tǒng)，具有更高的理論儲能效率和靈活性。隨著熱力循環(huán)技術(shù)的優(yōu)化和儲熱材料的改進，卡諾電池的儲能效率和經(jīng)濟性均得到了提升[6]，其在電網(wǎng)調(diào)峰、冷熱電聯(lián)供等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

1" 物理儲能技術(shù)

1.1" 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能技術(shù)是利用壓縮空氣存儲能量的物理儲能技術(shù)，具有容量大、安全性高、使用壽命長的特點，是一種可與抽水蓄能相媲美的大規(guī)模長時儲能技術(shù)[7]。由于傳統(tǒng)的非補燃式壓縮空氣儲能技術(shù)存在依賴化石能源燃燒及儲能效率低等問題，近年來，絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)、等溫壓縮空氣儲能技術(shù)和液化壓縮空氣儲能技術(shù)等先進壓縮空氣儲能技術(shù)引起了廣泛研究[8-9]。其中，絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展最為成熟，目前已達到300 MW級的電站示范階段，系統(tǒng)設(shè)計額定效率達到了72.1%[10]；液化壓縮空氣儲能技術(shù)目前處于10 MW級的電站示范階段；等溫壓縮空氣儲能技術(shù)目前處于1 MW級的試驗示范階段。

當前，眾多研究主要集中在構(gòu)建壓縮空氣儲能與風電、聚光太陽能熱發(fā)電及光伏發(fā)電等可再生能源電力集成的耦合系統(tǒng)方面，對其開展了理論分析，并探討了通過與外部熱源及有機朗肯循環(huán)發(fā)電等集成的方式來進一步提高系統(tǒng)效率的系統(tǒng)設(shè)計[11-12]。在關(guān)鍵部件層面，研發(fā)主要針對適應壓縮空氣儲能動態(tài)運行特性的高效空氣壓縮機和膨脹機，同時也有大量針對新型蓄熱器的研發(fā)工作[13-14]。

然而當前大部分的壓縮空氣儲能技術(shù)研究仍停留在理論研究層面，缺乏與儲能電站試驗數(shù)據(jù)進行充分的對比研究，尤其是關(guān)鍵數(shù)據(jù)（例如：儲能效率）的理論值與試驗值仍存在較大偏差。同時，實際儲能電站接入電網(wǎng)后的儲釋能動態(tài)過程、儲能電站與可再生能源發(fā)電場站集成的動態(tài)和試驗示范等研究仍有待深入開展[15]。

1.2" 飛輪儲能

飛輪儲能技術(shù)具有功率密度大、使用壽命長、響應速度快、全壽命期成本低等特點。該技術(shù)的適用場景包括充當不間斷電源、穩(wěn)定電壓、電網(wǎng)輔助調(diào)頻、平抑新能源發(fā)電輸出功率等[16]。由于單臺飛輪的功率容量有限，不能滿足各場景需求，因此通常以陣列形式應用。單臺飛輪及飛輪儲能陣列的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在飛輪儲能技術(shù)的相關(guān)研究中，Zhang等[17]探究了初始偏心對飛輪轉(zhuǎn)子的影響。胡東旭等[18]通過實驗驗證了兆瓦級飛輪軸系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。林大方等[19]設(shè)計了復雜工況下儲能飛輪轉(zhuǎn)子的傳力支承結(jié)構(gòu)，解決了復雜工況下的設(shè)計難題。Wei等[20]提出了基于自抗擾控制的直流母線電壓控制策略，提升了飛輪儲能系統(tǒng)的性能。Qin等[21]通過研究發(fā)現(xiàn)在大規(guī)模風電并網(wǎng)的情況下，飛輪儲能技術(shù)可使電網(wǎng)頻率偏差減少57.1%，波動范圍減少53.8%，提升了電網(wǎng)頻率質(zhì)量。洪烽等[22]通過將飛輪儲能技術(shù)用于火電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型，降低了系統(tǒng)頻率偏差，并延長了設(shè)備的使用壽命。梁志宏等[23]優(yōu)化了飛輪儲能系統(tǒng)的磁軸承性能，通過工程應用驗證了電力級大功率飛輪儲能系統(tǒng)耦合火電機組聯(lián)合運行的協(xié)調(diào)控制策略及其經(jīng)濟性。

在大功率高速飛輪本體方面，尚存在以下技術(shù)難點需要突破，具體為：1）計及效率、安全性、儲能量和成本的大功率高速飛輪的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與制造技術(shù)；2）真空環(huán)境下大功率高速電機的冷卻與絕緣技術(shù)；3）復雜工況下，高可靠、強抗擾的飛輪軸系振動抑制技術(shù)。

在電網(wǎng)調(diào)頻應用方面，尚存在以下技術(shù)難點需要突破，具體為：1）飛輪單機高動態(tài)響應控制技術(shù)；2）飛輪儲能陣列功率一致性及寬功率域穩(wěn)定控制技術(shù)；3）面向電網(wǎng)主動支撐的飛輪儲能陣列協(xié)同調(diào)控和能量管理技術(shù)。

1.3" 重力儲能

重力儲能的工作原理與抽水蓄能的工作原理類似，但其采用固體儲能介質(zhì)，擺脫了抽水蓄能受地理條件限制的問題，適用于風光資源豐富且地理環(huán)境復雜的新能源大基地，具有長時儲能、大容量儲能、儲能介質(zhì)無衰減、建設(shè)周期短、使用壽命長及環(huán)境友好等優(yōu)勢。

雖然重力儲能的工作原理簡單，但其形式多樣，根據(jù)固體儲能介質(zhì)（即儲能質(zhì)量塊）的運行軌跡，重力儲能可分為垂直式重力儲能和斜坡式重力儲能兩大類[24-25]，工作原理示意圖如圖2所示。圖中：h1、h2、h3分別為加速區(qū)、勻速區(qū)、減速區(qū)的高度；m為儲能質(zhì)量塊的質(zhì)量；h為斜坡高度；為斜坡傾角。

按儲能塔不同的結(jié)構(gòu)形式，垂直式重力儲能可細分為塔式、矩陣式及豎井式重力儲能[26]；按固體儲能介質(zhì)不同的傳動方式，斜坡式重力儲能可細分為斜坡軌道式、懸架纜車式與斜坡纜軌式重力儲能[27]。

國際方面，瑞士Enegy Vault（EV）公司、英國Gravitricity公司、美國Advanced Rail Energy Storage （ARES）公司、奧地利IIASA研究所[25]與美國Energy Cache公司[28]都開展了針對不同類型重力儲能實現(xiàn)路徑的研究。2019年，瑞士EV公司在瑞士的提契諾州建設(shè)了5MW/35MWh儲能塔式重力儲能系統(tǒng)，并于2020年實現(xiàn)并網(wǎng)驗證；同年，該技術(shù)被世界經(jīng)濟論壇評為“2020年技術(shù)先鋒”之一[29]，并在此后成為全球新型儲能技術(shù)研究的熱點。

國內(nèi)方面，中電普瑞電力工程有限公司、華北電力大學、國網(wǎng)新疆電力有限公司聯(lián)合開展了斜坡式重力儲能系統(tǒng)的方案設(shè)計與控制技術(shù)研究[30]；國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院和華北電力大學聯(lián)合開展了垂直式矩陣型重力儲能系統(tǒng)并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[31]；中國南方電網(wǎng)貴州電網(wǎng)有限責任公司（下文簡稱為“南網(wǎng)貴州電網(wǎng)公司”）、華北電力大學聯(lián)合開展了斜坡式重力儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及工程全景方案設(shè)計[32]；華北電力大學、中國科學院電工研究所等單位也聯(lián)合開展了垂直式和斜坡式重力儲能系統(tǒng)的方案設(shè)計、并網(wǎng)及運行控制技術(shù)的相關(guān)研究[25-26， 30-32]。

在垂直式重力儲能應用方面，中國天楹股份有限公司（下文簡稱為“中國天楹公司”）引進EVx技術(shù)方案，在江蘇省投資建設(shè)了全球首個百兆瓦時重力儲能示范工程——如東25MW/100MWh垂直式重力儲能項目。該工程于2023年9月封頂，并于2024年5月完成首套充放電單元的測試。同時，中國天楹公司擬在甘肅省張掖市、酒泉市，河北省張家口市懷來縣建設(shè)3套垂直式重力儲能示范工程。2024年4月，中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司擬在河北省張家口市赤城縣建設(shè)60MW/360MWh豎井式重力儲能示范工程，并與華北電力大學簽署了重力儲能全場景動模實驗平臺共建合作協(xié)議[33]。

在斜坡式重力儲能應用方面，美國ARES公司建設(shè)了50MW/12.5MWh的斜坡軌道式重力儲能示范工程；美國Energy Cache公司建設(shè)了50 kWh的懸架纜車式重力儲能工程；南網(wǎng)貴州電網(wǎng)公司建設(shè)了基于鏈式傳動的10 kW斜坡軌道式重力儲能樣機。

重力儲能具體分類及應用情況如圖3所示。

重力儲能的技術(shù)挑戰(zhàn)在于如何突破儲能質(zhì)量塊重量與勢能位高度的限制，在考慮低成本、短周期、長時、大容量、高儲能效率的前提下，設(shè)計儲能質(zhì)量塊重量、儲能高度差與構(gòu)筑結(jié)構(gòu)的最佳組合及最優(yōu)結(jié)構(gòu)；同時，重力儲能的機電耦聯(lián)系統(tǒng)復雜，使機網(wǎng)（即重力儲能發(fā)電電動機與電網(wǎng)之間）互動與精密控制的難度大，亟待突破系統(tǒng)建模理論、系統(tǒng)能效提升、機網(wǎng)聯(lián)合調(diào)控等核心技術(shù)，為國產(chǎn)化重力儲能的成套方案設(shè)計與示范工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

2" 儲熱技術(shù)

2.1" 相變儲熱

相變儲熱技術(shù)在建筑節(jié)能、電子器件及鋰電池的熱管理、工業(yè)余熱回收、電力儲能等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景[34-35]。相變儲熱的基本原理是利用材料相變潛熱的釋放與吸收來存儲熱量，具有儲熱密度高、溫度變化小的特點。由于傳統(tǒng)相變儲熱材料本身具有導熱系數(shù)低、易泄露等問題，因此新型相變儲熱材料的開發(fā)和改性增強，以及相變儲熱單元的設(shè)計及強化傳熱成為當前相變儲熱的研究熱點。

在新型相變儲熱材料的開發(fā)和改性增強方面，在儲熱材料中添加高導熱系數(shù)的納米材料（例如：二氧化硅納米顆粒及碳納米管）制備高性能納米復合相變儲熱材料、與高導熱系數(shù)的材料基體（例如：石墨烯及膨脹石墨等）復合制備定型復合相變儲熱材料，以及利用化學或物理化學等方法對相變儲熱材料進行微封裝，將其制成高儲熱性能的核殼結(jié)構(gòu)相變微膠囊是當前研究最多的相變儲熱材料的改性增強方式[36-38]。

在相變儲熱單元的強化傳熱方面，在相變儲熱裝置內(nèi)添加各式各樣的高導熱翅片，添加多孔泡沫導熱系數(shù)金屬，施加超聲波、電場及磁場等外部場手段，以及施加外部壓力或旋轉(zhuǎn)等方式都是相變儲熱單元強化傳熱的常見手段[39-40]。

雖然已有的研究結(jié)果表明了相變儲熱材料的性能及相變儲熱單元的儲熱、釋熱速率都有所提升，但是相變儲熱材料改性增強后的循環(huán)穩(wěn)定性及其導致的成本提升給相變儲熱技術(shù)的推廣帶來了難題[35]。因此，在深入理解各種增強方式的機理上，尋找兼具性能與經(jīng)濟性的相變儲熱技術(shù)是研究人員面臨的重要挑戰(zhàn)。

2.2" 熱化學儲熱

熱化學儲熱是利用可逆反應，將高溫熱能轉(zhuǎn)換為化學能并儲存于反應介質(zhì)中，需要使用時再通過逆向熱化學反應將化學能逆轉(zhuǎn)成熱能，并釋放出來[41]，示意圖如圖4所示。圖中：A、B、C代表不同物質(zhì)；ΔH為焓值。與顯熱儲熱和潛熱儲熱相比，熱化學儲熱具有儲熱密度高、儲熱時間長、能量損失小等優(yōu)點[42]。因此，熱化學儲熱技術(shù)在具有波動性的綠色能源整合、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，以及工業(yè)余熱回收和再利用等多個方面都具有廣泛的應用前景。

當前，針對熱化學儲熱技術(shù)的研究眾多，研究領(lǐng)域主要涉及儲熱材料和反應器等方面。

目前已開發(fā)的熱化學儲熱循環(huán)有70種以上，具有較寬的適用工作溫度范圍和較大的儲熱密度范圍。常見熱化學儲熱材料的儲熱密度與工作溫度對比如圖5[43]所示。華北電力大學、南京航空航天大學、上海交通大學、浙江大學等院校對碳酸鹽[42，44]、氫氧化物[45] 、水合鹽熱分解[46]和金屬氧化物[47]等典型熱化學儲熱體系開展了研究，并通過實驗驗證了各熱化學儲熱體系的可行性。

熱化學儲熱系統(tǒng)的儲能效率在很大程度上取決于反應器的選擇和設(shè)計[48]。目前，已開發(fā)的典型反應器類型主要有：固定床反應器[49]、流化床反應器[50]、回轉(zhuǎn)窯反應器[51]、旋風反應器[52]等，如圖6所示。

其中，固定床反應器的結(jié)構(gòu)簡單，是目前熱化學儲熱系統(tǒng)中應用最廣泛的反應器；流化床反應器的應用也較為廣泛；回轉(zhuǎn)窯反應器和旋風反應器均屬于動力輔助反應器，在動力輔助反應器中發(fā)生熱化學反應時，多余的熱量能及時被導出，具有較強的傳熱能力和較好的反應能力。

熱化學儲熱技術(shù)的研究大多數(shù)仍處于實驗室研究、初試及中試階段。中國在熱化學儲熱領(lǐng)域的研究仍處于起步階段，尚未有規(guī)?；瘧玫纳虡I(yè)熱化學儲熱技術(shù)，眾多基礎(chǔ)科學問題和應用技術(shù)仍待發(fā)展。

2.3" 卡諾電池

卡諾電池（也稱為熱泵儲電，pumped thermal electricity storage，PTES）基于經(jīng)典熱力學循環(huán)，通過“電-熱-電”轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電能的大規(guī)模儲存。以基于布雷頓循環(huán)的卡諾電池技術(shù)為代表，其工作原理為：通常采用氣相工質(zhì)作為充放電循環(huán)的工質(zhì)；在儲能期間，可逆壓縮機與膨脹機組成高溫度比的熱泵，通過充電循環(huán)將輸入的電能轉(zhuǎn)換為熱能存儲在儲熱單元中；在釋能期間，可逆壓縮機作為熱機，將熱能轉(zhuǎn)換為電能進行輸出利用。布雷頓循環(huán)卡諾電池系統(tǒng)具有儲能溫度高、往返效率（即電-電轉(zhuǎn)換效率）高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，是當前最主流的高溫卡諾電池系統(tǒng)[53]。

卡諾電池技術(shù)不受地理條件和材料限制，成本低廉，有望實現(xiàn)吉瓦時級的電量儲存。此外，將卡諾電池技術(shù)與燃煤發(fā)電機組的熱力系統(tǒng)集成，能提升燃煤發(fā)電機組的調(diào)峰性能，適用于燃煤電廠退役改造為儲能電站。

為了降低壓縮機中的升溫比和提高循環(huán)效率，通常采用回熱循環(huán)，因此在卡諾電池系統(tǒng)中設(shè)置回熱器，即回熱卡諾電池系統(tǒng)。以液態(tài)工質(zhì)作為儲能介質(zhì)的回熱卡諾電池系統(tǒng)通過外部換熱器向環(huán)境散熱，其布局圖及溫度-比熵（T-s）圖如圖7所示。圖7a中的箭頭表示系統(tǒng)充能過程中工質(zhì)的流動方向，釋能過程中工質(zhì)的流動方向與之相反。

楊鶴等[54]以氮氣作為充放電循環(huán)工質(zhì)，基于遺傳算法實現(xiàn)了回熱卡諾電池系統(tǒng)的往返效率、儲能密度、功率密度的多目標優(yōu)化。利用LINMAP決策方法在帕累托（Pareto）前沿解集中確定了該回熱卡諾電池系統(tǒng)集成的最優(yōu)運行方案，優(yōu)化后系統(tǒng)的往返效率為65.6%、儲能密度為25.6 kWh/m3、功率密度為2.45 MW·（m3/s）-1，提升了往返效率并相應降低了儲罐、儲能介質(zhì)、絕熱材料和占地面積的成本。

卡諾電池經(jīng)常處于非額定工況狀態(tài)，需深入研究其動態(tài)特性，但當前研究多集中在穩(wěn)態(tài)熱力學與控制參數(shù)方面，針對動態(tài)特性的研究不足。Yang等[55-56]基于渦輪機械和換熱器模型建立了卡諾電池系統(tǒng)動態(tài)模型，通過采用庫存控制策略，對電功率和負荷擾動進行研究，并通過張北地區(qū)風電場數(shù)據(jù)驗證，證明了該庫存控制策略的可行性和有效性。

利用卡諾電池代替燃煤發(fā)電機組鍋爐[57]，構(gòu)成了熔鹽卡諾電池儲能發(fā)電系統(tǒng)[58]。此類系統(tǒng)選用高溫熱泵系統(tǒng)作為電轉(zhuǎn)熱部分，以高低溫熔鹽系統(tǒng)作為儲熱部分[59]，同時保留燃煤電廠的發(fā)電循環(huán)作為熱轉(zhuǎn)電部分。熔鹽卡諾電池儲能發(fā)電系統(tǒng)的布局圖如圖8所示，該系統(tǒng)通過可再生能源電廠的“棄電”或電網(wǎng)的低谷電驅(qū)動壓縮機將循環(huán)工質(zhì)絕熱壓縮為高溫高壓狀態(tài)，高溫工質(zhì)通過換熱器加熱熔鹽，進而將熱量儲存于高溫熔鹽罐中；熔鹽流體加熱蒸汽后，高溫高壓蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電。熔鹽卡諾電池儲能發(fā)電系統(tǒng)有效利用了原燃煤電廠的設(shè)備，降低了改造成本，在可再生能源消納、儲電系統(tǒng)建設(shè)方面具有巨大應用潛力，并可為退役后的燃煤電廠提供新的利用途徑[60]。

熔鹽卡諾電池儲能發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是基于經(jīng)典熱力學循環(huán)，其熱泵系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)對制熱系數(shù)和儲能性能至關(guān)重要。為優(yōu)化熔鹽卡諾電池儲能發(fā)電系統(tǒng)的儲能效率、儲能密度，需對循環(huán)參數(shù)、工質(zhì)的選擇、高溫儲熱技術(shù)，以及強化傳熱技術(shù)進行深入研究；同時，大容量極端高溫熱泵制熱技術(shù)和關(guān)鍵裝備（例如：壓縮機/膨脹機）也需突破。

3" 總結(jié)與展望

作為新型儲能技術(shù)領(lǐng)域系列評價性綜述的第2部分，本文對重要的物理儲能與儲熱技術(shù)的應用領(lǐng)域、最新研究進展及局限性等問題進行了闡述和討論?？傮w而言，物理儲能和儲熱技術(shù)大多具有使用壽命長、安全性高的特點，且在能量轉(zhuǎn)化過程中自身多具有轉(zhuǎn)動慣量，屬于電網(wǎng)支撐型的儲能技術(shù)，可滿足從大規(guī)模長時儲能到高功率快速響應的不同需求。在新興的物理儲能和儲熱技術(shù)中，重力儲能和卡諾電池的相關(guān)技術(shù)顯示出良好的發(fā)展前景。

1）壓縮空氣儲能技術(shù)取得了顯著進展，尤其是絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)已達到300 MW規(guī)模級電站示范階段，系統(tǒng)設(shè)計額定效率高達72.1%。該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)主要包括：在關(guān)鍵數(shù)據(jù)（例如：儲能效率）上理論值與試驗值存在較大偏差，對實際儲能電站接入電網(wǎng)后的儲釋能動態(tài)過程及其與可再生能源發(fā)電場站集成的研究不足。未來研究需加強試驗驗證，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，以推動壓縮空氣儲能技術(shù)的進一步發(fā)展。

2）飛輪儲能技術(shù)的研究聚焦于飛輪本體設(shè)計、控制策略及電網(wǎng)應用，實現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定性驗證和頻率質(zhì)量提升。然而，大功率高速飛輪面臨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)優(yōu)化、冷卻與絕緣技術(shù)、振動抑制等挑戰(zhàn)，而電網(wǎng)調(diào)頻也需要突破單機高動態(tài)響應、飛輪儲能陣列功率一致性及協(xié)同調(diào)控等難點，以實現(xiàn)更高效、可靠的能源存儲與管理。

3）重力儲能技術(shù)通過固體介質(zhì)突破了地理限制，建設(shè)周期短且環(huán)境友好。國內(nèi)外企業(yè)與研究機構(gòu)在垂直式和斜坡式重力儲能系統(tǒng)方面取得顯著進展，并建設(shè)多個示范工程。在技術(shù)發(fā)展方面還需要進一步優(yōu)化設(shè)計與構(gòu)筑結(jié)構(gòu)，并突破機網(wǎng)互動與精密控制等核心技術(shù)，為重力儲能技術(shù)的廣泛應用提供技術(shù)支撐。

4）相變儲能技術(shù)以其高儲熱密度和溫度穩(wěn)定性在建筑節(jié)能領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應用前景。當前研究集中在新型相變儲熱材料的開發(fā)、改性增強，以及相變儲熱單元的強化傳熱方面。然而，循環(huán)穩(wěn)定性和成本問題仍是相變儲熱技術(shù)推廣應用的挑戰(zhàn)，尋找兼具性能與經(jīng)濟性的相變儲熱技術(shù)是未來研究的重要方向。

5）熱化學儲熱技術(shù)以其高儲熱密度、長儲熱時間和低能量損失展現(xiàn)出巨大潛力，目前的研究方向涵蓋了多種熱化學儲熱體系和反應器類型；優(yōu)化反應器設(shè)計、開發(fā)新型反應器是提高儲熱效率的關(guān)鍵。

6）卡諾電池技術(shù)基于熱力學循環(huán)實現(xiàn)電能與熱能的轉(zhuǎn)換儲存，具有理論清晰、無地理條件和材料限制的優(yōu)勢，尤其在吉瓦時級電量儲存和燃煤機組改造方面展現(xiàn)出巨大應用潛力。目前，該技術(shù)仍需深入研究系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化、工質(zhì)選擇、高溫儲熱技術(shù)及強化傳熱技術(shù)，并突破大容量、高性能系數(shù)（COP）的極端高溫熱泵制熱技術(shù)和關(guān)鍵裝備的研發(fā)，克服這些挑戰(zhàn)將有助于卡諾電池技術(shù)的廣泛應用。

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PROGRESS AND CHALLENGES IN NOVEL ENERGY STORAGE TECHNOLOGIES II： PHYSICAL ENERGY STORAGE AND

THERMAL STORAGE TECHNOLOGY

Ju Xing，Xu Chao，Hao Junhong，Song Jifeng，Teng Wei，Tian Huajun，

Zhao Haisen，Chen Zhe，Wang Tianhu，Liao Zhirong，Du Xiaoze

（Beijing Laboratory of New Energy Storage Technology，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Abstract：Novel energy storage technology is increasingly becoming a key technology for building a new type energy system and a new type power system in China，and has become a new driving force for China's economic development. It will play an important role in promoting the consumption of renewable energy，achieving energy system transformation，improving energy utilization efficiency，reducing environmental pollution，and related technological research is also developing rapidly. A series of review paperwork are conducted，which are divided into three parts：electrochemical energy storage technology，physical energy storage and thermal storage technology，energy storage integration and planning. A comprehensive and systematic comparative analysis is conducted on the application fields，latest research progress，and limitations of various novel energy storage technologies. Furthermore，the challenges and development trends faced by energy storage system related fields such as energy storage integration，security，planning and scheduling are further explored. This paper is the second part of the review work，which focuses on the comprehensive analysis and discussion of the" technologies and engineering achievements in physical energy storage and thermal storage technology，including compressed air energy storage，flywheel energy storage，gravity energy storage，phase change heat storage，thermochemical heat storage，and Carnot batteries. Overall，physical energy storage and thermal storage technologies mostly have the characteristics of long service life and high safety，and they often have rotational inertia in the energy conversion process. They belong to the grid supported energy storage technology and can meet different needs from large-scale long-term energy storage to high-power rapid response. Among emerging physical energy storage and thermal storage technologies，gravity energy storage and Carnot battery related technologies show promising development prospects.

Keywords：energy storage technology；physical energy storage；compressed air energy storage；flywheel energy storage；gravity energy storage；phase change heat storage；thermochemical heat storage；carnot battery