中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：第4章 熱儲(chǔ)能
4.1、簡(jiǎn)介
根據(jù)研究機(jī)構(gòu)在2017年發(fā)布的一份調(diào)查報(bào)告，全球約75%的電力供應(yīng)是由熱力來源產(chǎn)生的，也就是燃燒燃料以加熱蒸汽、空氣或驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)其他流體的發(fā)電廠。隨著電力部門致力脫碳，用于火力發(fā)電的熱源將從化石燃料轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)地?zé)崮堋淙剂稀⑻?yáng)能熱能、生物質(zhì)能、核裂變和可能的核聚變等資源的更大依賴。其中一些發(fā)電設(shè)施需要應(yīng)對(duì)可再生能源發(fā)電可用性的變化；對(duì)于這些類型的發(fā)電設(shè)施，熱儲(chǔ)能(TES)設(shè)施可以提供靈活性。一些集中式太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施的部署程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施，它們已經(jīng)使用帶有熱油或熔鹽的TES設(shè)施將電力從峰值日照時(shí)間轉(zhuǎn)移到滿足用戶需求的時(shí)間。研究人員提到了用于核電站的TES設(shè)施，以將儲(chǔ)能系統(tǒng)與核電相結(jié)合，以便可以同時(shí)提供基本負(fù)荷和峰值容量。在這些角色中，TES設(shè)施可以提高效率、滿足熱電聯(lián)產(chǎn)需求，并提供其他服務(wù)?？傊?，這些機(jī)會(huì)為未來脫碳電網(wǎng)中的TES設(shè)施技術(shù)提供了更多的機(jī)會(huì)。
本章重點(diǎn)介紹電力與熱能之間的存儲(chǔ)，這對(duì)TES來說是一個(gè)重要但范圍較窄的機(jī)會(huì)。TES的開發(fā)潛力集中在使用成本極低的儲(chǔ)能材料（如碎石）的能力上。為了利用這種低成本的儲(chǔ)能介質(zhì)，需要克服的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是轉(zhuǎn)換的低效率和高資本成本將熱能轉(zhuǎn)為電能。
高功率和低能源成本的結(jié)合表明，TES是一種比較特別的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)。其部署受到地理限制可能是一個(gè)主要因素，主要是提供數(shù)吉瓦時(shí)儲(chǔ)能容量所需的數(shù)千噸存儲(chǔ)材料的的大規(guī)模設(shè)施。TES設(shè)施的占地面積與火力發(fā)電廠相似，通常需要在相對(duì)平坦的土地上建設(shè)占地?cái)?shù)十公頃到數(shù)百公頃的設(shè)施。其冷卻用水量取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。規(guī)模經(jīng)濟(jì)通常利于在小規(guī)模應(yīng)用中使用TES設(shè)施，例如用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)。
根據(jù)對(duì)商業(yè)開發(fā)商和研究人員提出的TES系統(tǒng)的回顧，提出了克服熱電效率和電力成本等關(guān)鍵挑戰(zhàn)的三種主要策略。在所有策略中，TES系統(tǒng)都使用低成本的儲(chǔ)能材料。在第一個(gè)策略中，TES系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有的火力發(fā)電廠中（特別是燃煤發(fā)電廠），以替代燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，并重新利用現(xiàn)有的發(fā)電設(shè)備，從而降低電力成本。第二種策略考慮更有效的功率循環(huán)，峰值溫度略高于目前使用的儲(chǔ)熱技術(shù)的范圍。第三種策略依賴于更高溫度的儲(chǔ)能來提高效率，并且在一些實(shí)施例中，需要對(duì)更新的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)。這些策略為TES支持脫碳電網(wǎng)提供了多種途徑。
本章首先簡(jiǎn)要描述了熱儲(chǔ)能的工作原理，然后概述了按功能分組的TES技術(shù)：充電、存儲(chǔ)和放電。在此基礎(chǔ)上，描述了利用這三種方法中的每一種的系統(tǒng)克服TES的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)的策略。最后提供了成本估算用于2050年的兩個(gè)說明性系統(tǒng)。
4.2、什么是熱儲(chǔ)能？
TES系統(tǒng)使用電力加熱材料；然后對(duì)加熱的材料進(jìn)行隔熱，直到需要能量，最后通過功率轉(zhuǎn)換裝置將熱量轉(zhuǎn)換回電能。圖4.1說明了具有47%往返效率的通用TES系統(tǒng)中與每一步相關(guān)的典型能量損失（其中“往返效率”定義為輸送回電網(wǎng)的電力與從電網(wǎng)中提取的電力的比例）。
圖4.1 熱儲(chǔ)能系統(tǒng)中的能量損失
該圖顯示了TES的主要挑戰(zhàn)之一：熱電轉(zhuǎn)換步驟的效率是往返效率的限制因素。相比之下，第一步（將電能轉(zhuǎn)化為熱能）能夠以最小的損失完成；如果有足夠的隔熱，在儲(chǔ)熱（第二步）期間對(duì)周圍環(huán)境的損失也可以限制在可接受的水平。
4.3、熱儲(chǔ)能技術(shù)
TES熱電轉(zhuǎn)換的三個(gè)主要步驟是將電能轉(zhuǎn)化為熱能、儲(chǔ)存熱能以及將熱能轉(zhuǎn)化回電能。雖然這一基本描述適用于其自身介質(zhì)中的儲(chǔ)能技術(shù)，但在討論熱儲(chǔ)能系統(tǒng)之前，需要在每個(gè)步驟中了解不同的技術(shù)選項(xiàng)。這些選項(xiàng)之間的某些協(xié)同作用與整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)。
4.3.1 充電：電加熱
由于這項(xiàng)研究的范圍僅限于將電能作為輸入和輸出的TES系統(tǒng)，因此忽略了其他潛在的熱源，盡管這些熱源可以在實(shí)際系統(tǒng)中使用，并且可以提高系統(tǒng)性能。這些其他潛在來源包括廢熱、核能、地?zé)?、太?yáng)熱能。
為TES系統(tǒng)充電（將電能轉(zhuǎn)化為熱能）的技術(shù)選項(xiàng)包括電阻加熱器、感應(yīng)加熱器或熱泵。熱泵將熱量從低溫環(huán)境傳遞到高溫環(huán)境，因此它們通常被描述為“反向運(yùn)行的冰箱”。將電能轉(zhuǎn)化為熱能的品質(zhì)因數(shù)稱為性能系數(shù)(COP)，以區(qū)別于熱效率。熱效率是從一定量的熱量中產(chǎn)生多少電能，當(dāng)然不會(huì)超過100%，而且通常要低得多。但COP可以大于100%，這意味著在不違反熱力學(xué)定律的情況下，傳遞的熱量多于使用的電力。作為參考，住宅熱泵的COP約為2到4，具體取決于環(huán)境和所需溫度。對(duì)于相對(duì)較小的溫差，COP可能會(huì)很高，但隨著溫差的增加，COP會(huì)下降，如圖4.2所示。該圖顯示了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)情況，其中低溫?zé)崃坑?5℃的環(huán)境空氣提供。熱泵設(shè)計(jì)的改變可以略微提高COP，并調(diào)整高低溫?zé)崮艿谋壤?。與電阻和感應(yīng)加熱器相比，較高的資本和運(yùn)營(yíng)成本是熱泵的缺點(diǎn)。其確切值未知，因?yàn)楦邷責(zé)岜蒙形磳?shí)現(xiàn)商業(yè)化。
圖4.2充電性能系數(shù)（COP）
電阻加熱器可以將電能轉(zhuǎn)化為熱能，COP超過90%，但其COP不能超過100%。電阻加熱器可以直接放置在儲(chǔ)能材料中，內(nèi)置在管道中，或放置在容器或管道附近進(jìn)行間接加熱。感應(yīng)加熱使用振蕩磁場(chǎng)在儲(chǔ)能材料或中間傳熱流體內(nèi)產(chǎn)生熱量。感應(yīng)加熱相比間接電阻加熱可以克服一些傳熱阻力；然而，感應(yīng)加熱設(shè)備更昂貴，并且不適用于所有材料。
最高儲(chǔ)存溫度將是選擇加熱器的一個(gè)因素。當(dāng)前的熱泵設(shè)計(jì)在550℃左右，并具有實(shí)際限制，這是由于可用于渦輪機(jī)械的材料的特性。與此同時(shí)，感應(yīng)加熱器可以將材料加熱到3,000℃，但環(huán)境條件和密封材料可能會(huì)設(shè)定一個(gè)下限。由金屬材料制成的電阻加熱器在氧化環(huán)境中可達(dá)到1,400℃，而由陶瓷或其他材料制成的加熱器可超過2,000℃，具體取決于環(huán)境。而更高溫度的加熱器往往成本更昂貴。
正如研究報(bào)告所討論的，在可變的可再生能源發(fā)電份額較高的電力系統(tǒng)中，預(yù)計(jì)電價(jià)在一年中的許多時(shí)間都將處于低位。因此，在較高的COP與較低的充電功率成本之間進(jìn)行權(quán)衡可能是有利的。即便如此，與其他參數(shù)相比，充電效率和成本仍然是次要的。
較低的充電效率意味著更多的電力將用于存儲(chǔ)相同數(shù)量的熱量。這對(duì)滿足目標(biāo)放電曲線所需的存儲(chǔ)容量沒有影響，目標(biāo)放電曲線由放電效率和自放電率決定。電阻加熱器很可能是用于TES系統(tǒng)的最常見類型的加熱元件，因?yàn)樗鼈儐挝怀杀据^低。
4.3.2、蓄熱
正如本章介紹中所提到的，與大多數(shù)其他形式的儲(chǔ)能技術(shù)相比，熱儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)在于能夠使用低成本的儲(chǔ)能材料。TES系統(tǒng)適用的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能應(yīng)用以低于20美元/kWh的資本成本為目標(biāo)。
為了幫助理解材料選擇過程，可以將以電力為單位表示的蓄熱成本(美元/kWh)分為排放效率損失和蓄熱成本(美元/kWh)。如果假設(shè)熱電效率為50%，則儲(chǔ)能成本應(yīng)低于10美元/kWh。其效率在大約40%到60%的范圍內(nèi)。無論確切的效率如何，其成本顯著地限制了可以使用的材料。一些材料的成本就會(huì)超過預(yù)算，甚至在考慮到與能源容量相關(guān)的遏制、絕緣和建筑成本之前。
正如本文討論的那樣，重點(diǎn)是TES中的放電步驟，較高的蓄熱溫度可以提高熱效率（將存儲(chǔ)的熱量轉(zhuǎn)換回電能）。
盡管這一步驟的效率很大程度上取決于所使用的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，但熱效率低下會(huì)影響能源的資本成本。因此需要采用高溫材料，因?yàn)樗鼈兛梢詫?shí)現(xiàn)更高的效率。然而，遏制和隔熱的成本也隨著溫度的提高而上漲。不同的系統(tǒng)在能源成本、電力成本和熱電效率是TES的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一。
溫度-效率關(guān)系通常排除一些溫度不能超過400℃的材料。這些材料可能仍可用于發(fā)電以外的應(yīng)用。因此，基于材料的能源成本的考慮可以快速過濾掉不相容的選擇。每單位熱能的材料成本可以通過幾個(gè)變量來估計(jì)。對(duì)于顯熱，變量是單位質(zhì)量成本、比熱容和溫度變化。對(duì)于儲(chǔ)存潛熱，其變量是單位質(zhì)量成本和熔化潛熱；熔化潛熱是與固體和液體之間的相變相關(guān)的能量。
除了成本之外，還有幾種方法可以對(duì)儲(chǔ)熱材料進(jìn)行分類。最廣泛的區(qū)別是將熱能存儲(chǔ)為顯熱或潛熱，如圖4.3所示。當(dāng)儲(chǔ)熱材料被加熱時(shí)溫度升高會(huì)獲得顯熱，其中“顯熱”一詞是指可以通過溫度變化感知熱量的事實(shí)。相比之下，潛熱是在相變過程中在恒定溫度或溫度范圍內(nèi)吸收或釋放的熱量。
圖4.3 儲(chǔ)熱材料的分類
與顯熱存儲(chǔ)相比，潛熱存儲(chǔ)的一個(gè)好處是更高的比能量和能量密度。對(duì)于潛熱，這些值可能比顯熱大一個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，對(duì)于電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)占用的空間并不是主要問題。與其相反，主要關(guān)注的是成本——其前提是儲(chǔ)能技術(shù)能夠滿足特定應(yīng)用的要求。例如住宅供暖，更高的能量密度是有利的。
（1）顯熱蓄熱
用于顯熱儲(chǔ)熱的材料可以根據(jù)它們是固體還是液體來分組。液體可以流動(dòng)，這有利于有效的熱傳遞，但存在凝固的風(fēng)險(xiǎn)，這可能會(huì)損壞熱儲(chǔ)能系統(tǒng)。而在聚光太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施中，通過在管道和冷藏罐中使用電伴熱方法解決了這個(gè)問題。這種方法的缺點(diǎn)是增加了資本成本和寄生能量損失。
熔鹽是液體存儲(chǔ)材料的一個(gè)例子，它已被用于在集中式太陽(yáng)能發(fā)電廠中提供13GWh以上的電能。目前用于熱儲(chǔ)能的大多數(shù)熔鹽是硝酸鹽，最高溫度約為550℃，但它們的成本超過了10美元/kWh的目標(biāo)。開發(fā)商致力通過提高碳酸鹽和氯化物熔鹽的溫度限制來降低成本，但腐蝕一直是一個(gè)主要挑戰(zhàn)。其他液體如熔融玻璃和硅已被提議作為候選材料。玻璃和硅可以分別達(dá)到1,200℃和2,400℃的溫度，但每一種材料都會(huì)帶來新的挑戰(zhàn)。
在傳統(tǒng)應(yīng)用中，液體存儲(chǔ)材料儲(chǔ)存在兩個(gè)罐中，熱罐用于儲(chǔ)存熱液體，冷罐用于儲(chǔ)存冷液體。這要求容納體積是存儲(chǔ)材料體積的兩倍。另一種設(shè)計(jì)是溫躍層罐，它將冷熱液體存儲(chǔ)在同一個(gè)罐中，以減少內(nèi)部傳熱損失。這種方式包括物理障礙和分層。而取消一個(gè)儲(chǔ)罐所節(jié)省的成本必須超過從熱區(qū)到冷區(qū)增加熱量損失的運(yùn)營(yíng)成本。
一個(gè)研究領(lǐng)域涉及采用成本更低的固體填充溫躍層罐，同時(shí)使用液體將熱量傳入和傳出儲(chǔ)罐。由于大部分熱容量由固體提供，因此可以更好地將其理解為浸入傳熱流體中的固體存儲(chǔ)形式，而不是液體存儲(chǔ)形式。其他形式的固體存儲(chǔ)在沒有持續(xù)浸泡的情況下運(yùn)行。
如果使用地球儲(chǔ)量豐富的材料，固體儲(chǔ)存的成本可能低于液體儲(chǔ)存。然后，其挑戰(zhàn)變成了向固體傳遞熱量和從固體傳遞熱量。在較大的存儲(chǔ)體積下，如果該過程僅依賴于通過固體的熱傳導(dǎo)，則傳熱速率和有用熱量都會(huì)降低。
為避免這種情況，一種選擇是排列固體材料，使流體可以流過空隙。與碎石等散裝材料相比，耐火磚等成型材料的流動(dòng)更容易控制。傳熱流體可以直接接觸或在管道中流動(dòng)以進(jìn)行間接傳熱。與溫躍層罐系統(tǒng)一樣，固體存儲(chǔ)設(shè)計(jì)需要考慮由于充電或放電過程中的溫度梯度造成的內(nèi)部損失。此外，由于熱循環(huán)，固體會(huì)隨著時(shí)間的推移而分解?？梢酝ㄟ^控制傳熱速率和材料選擇來管理這種損壞。熱循環(huán)還會(huì)導(dǎo)致松散固體沉降到容器底部，從而在容器冷卻時(shí)對(duì)容器施加應(yīng)力。
另一種固體儲(chǔ)存選擇使用儲(chǔ)存在罐中的顆粒以及與顆粒兼容的熱交換器。與其他形式的固體不同，這些顆?？梢院苋菀椎厮奶幰苿?dòng)，從這使得儲(chǔ)熱部件的設(shè)計(jì)與傳熱過程的設(shè)計(jì)分離成為可能。如果固體存儲(chǔ)組件不需要同時(shí)完成這兩項(xiàng)工作，則熱交換器的尺寸可以獨(dú)立于系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量，以降低系統(tǒng)總成本。顆?？赏ㄟ^傳送帶或流態(tài)化進(jìn)行移動(dòng)。流態(tài)化涉及在顆粒下方吹氣并提升這些顆粒，使它們像流體一樣移動(dòng)。流態(tài)化已經(jīng)在一些燃燒和化學(xué)過程中使用了幾十年。與液體儲(chǔ)存一樣，顆?？梢詢?chǔ)存在兩個(gè)罐或一個(gè)罐中。
（2）潛熱蓄熱
正如人們已經(jīng)注意到的，潛熱存儲(chǔ)利用相變，因此被稱為“相變材料”（PCM）。大多數(shù)PCM依賴于固液相變。液-氣和固-氣轉(zhuǎn)換是不切實(shí)際的，因?yàn)轶w積上的巨大差異會(huì)帶來巨大的工程挑戰(zhàn)和成本。而固-固轉(zhuǎn)換或者發(fā)生在低溫下或者具有相對(duì)較低的潛熱——這還不到經(jīng)歷固液轉(zhuǎn)變的金屬基PCM潛熱的 25%。
PCM可以在其液相和固相中以顯熱的形式存儲(chǔ)額外的熱量。在最簡(jiǎn)單的情況下，金屬合金等單一材料會(huì)發(fā)生相變以吸收或釋放熱量。材料的混合物也可用于降低成本或降低廉價(jià)材料（如硅）的高熔點(diǎn)。
降低熔化溫度對(duì)于低溫系統(tǒng)來說是可取的，因?yàn)樗档土伺c高溫耐受性相關(guān)的成本。在組成材料的特定比例下，混合物是共晶的，這意味著混合物在單一溫度下發(fā)生相變。非共晶混合物在固相和液相共存的溫度范圍內(nèi)經(jīng)歷相變。
圖 4.4 顯示了PCM的幾個(gè)選項(xiàng)，并將它們的熔化溫度與能量密度進(jìn)行了比較。由于PCM在釋放熱量時(shí)會(huì)固化，因此它們不能像用于顯熱存儲(chǔ)的液體那樣流動(dòng)。出于這個(gè)原因，PCM的傳熱提出了與顯熱存儲(chǔ)中使用的散裝固體類似的挑戰(zhàn)。如今有幾種潛在的工程解決方案。一些設(shè)計(jì)將熱交換器嵌入到PCM中，并通過組件泵送傳熱流體。可以將具有高導(dǎo)熱性的填充材料（例如金屬纖維）添加到PCM中以提高傳熱率。
圖4.4 潛熱材料
PCM可以被封裝，這樣傳熱流體可以流過PCM，而不會(huì)與其混合或反應(yīng)。封裝的一個(gè)有趣變化涉及使用混溶性間隙合金，它將PCM嵌入不同材料的基質(zhì)中。整體封裝過程可能比單獨(dú)封裝更便宜。例如，鋁可以嵌入石墨基體中，銅可以嵌入鐵基體中。除了傳熱之外，其他設(shè)計(jì)問題還包括循環(huán)壽命、多組分材料的組分分離以及與密封材料的不良反應(yīng)。一些系統(tǒng)中的另一個(gè)挑戰(zhàn)是熔化或凝固過程中的體積膨脹。這會(huì)引入應(yīng)力，導(dǎo)致安全殼隨著時(shí)間的推移而破裂。
圖4.5顯示了幾種顯熱和潛熱儲(chǔ)存方案的成本估算。該估計(jì)僅基于直接材料成本以提供一般比較。
圖4.5 材料溫度與儲(chǔ)存成本
除了根據(jù)材料使用的儲(chǔ)熱機(jī)制（即顯熱與潛熱）對(duì)材料進(jìn)行分組外，材料還可以根據(jù)其熱量和機(jī)械性能以及其他特性（例如毒性和與容器材料的反應(yīng)性）進(jìn)行分類。雖然在選擇存儲(chǔ)材料方面具有靈活性，但這種設(shè)計(jì)選擇涉及權(quán)衡影響系統(tǒng)其余部分的能力，即實(shí)現(xiàn)較低的單位能源成本和可接受的效率和放電功率成本。
（3）密封和隔熱
密封和隔熱是熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成部分。較高的溫度會(huì)通過腐蝕和蠕變等機(jī)制增加容器密封失效的可能性?？煽康拿芊馐潜匾模@樣熱儲(chǔ)能系統(tǒng)才能在其整個(gè)生命周期內(nèi)持續(xù)數(shù)百次或數(shù)千次循環(huán)。如果沒有可靠的密封措施，存儲(chǔ)材料或傳熱流體的泄漏將導(dǎo)致停機(jī)，并且需要對(duì)某些設(shè)計(jì)進(jìn)行潛在的具有挑戰(zhàn)性的維修。存儲(chǔ)材料和密封材料之間的兼容性可以是儲(chǔ)能系統(tǒng)特定的。
隔熱是設(shè)置自放電率的關(guān)鍵因素。作為參考，目前的熔鹽罐每天損失大約1%的儲(chǔ)存熱量。盡管與其他技術(shù)相比，這種損失似乎很高，但每天1%的恒定熱損失率在兩周后會(huì)留下大約85%的總?cè)萘?。除了隔熱之外，另外兩個(gè)重要因素是容器的表面積與其體積的比率以及存儲(chǔ)材料的溫度。系統(tǒng)越大，其表面積相對(duì)于其熱質(zhì)量越小。這會(huì)降低熱泄漏率，并使隔熱更具成本效益。
在顯熱存儲(chǔ)系統(tǒng)中，熱損失減少了存儲(chǔ)的能量和介質(zhì)的溫度。較低的溫度會(huì)降低放電效率。在潛熱儲(chǔ)存系統(tǒng)中，能量容量會(huì)較低，但如果 PCM 尚未完全固化，溫度將保持恒定。這可能有利于保持放電效率，但與周圍環(huán)境的溫差保持較高的自放電率。在這兩種情況下，假設(shè)系統(tǒng)可以承受更高的溫度，存儲(chǔ)介質(zhì)可以被加熱到設(shè)計(jì)的放電溫度以上，以抵消預(yù)測(cè)的自放電損失。
高溫隔熱材料的成本可能很昂貴，它有時(shí)比玻璃纖維絕緣材料的成本高10或100倍，玻璃纖維隔熱材料通常用于低溫應(yīng)用。因此，高溫隔熱通常僅限于系統(tǒng)最熱的部分。隨著遠(yuǎn)離內(nèi)層的溫度降低，可以使用成本較低的材料，例如硅酸鋁和礦物纖維?？梢允褂枚栊詺怏w（例如氮?dú)夂蜌鍤猓┐娓魺岵牧现械目諝鈦頊p少氧化，從而降低隔熱材料的質(zhì)量。
在高溫系統(tǒng)中，輻射熱損失也將是一個(gè)問題。已提出的一種選擇涉及使用金屬薄膜的低發(fā)射率涂層。有人建議將環(huán)境或真空隔熱板作為通過減少對(duì)流傳熱來提高隔熱性的手段。雖然此類面板用于建筑物，但可靠性可能對(duì)較熱的結(jié)構(gòu)構(gòu)成挑戰(zhàn)。
作為系統(tǒng)成本的一小部分，隔熱成本可能非常重要。盡管成本低，但這會(huì)使高溫儲(chǔ)熱材料的吸引力降低。根據(jù)文獻(xiàn)的一些估計(jì)，絕緣成本可占熱儲(chǔ)能系統(tǒng)總能量容量成本的一半左右。這表明低成本的生產(chǎn)方法或更便宜的隔熱替代品是未來研究的領(lǐng)域。
4.3.3 放電：熱電轉(zhuǎn)換
在熱電轉(zhuǎn)換步驟中，更高的溫度產(chǎn)生更高的效率，如圖4.6 所示，盡管在非常高的溫度下進(jìn)一步的效率增益會(huì)增加（超過1,200℃）。
圖4.6 根據(jù)卡諾效率繪制的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的近似效率
盡管如此，高溫的一個(gè)原因是為了實(shí)現(xiàn)更高的輻射傳熱率，這對(duì)于一些固態(tài)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備來說是至關(guān)重要的。除了效率之外，關(guān)鍵指標(biāo)是成本、靈活性和技術(shù)準(zhǔn)備情況。靈活性包括啟動(dòng)時(shí)間和成本、斜坡率、最小負(fù)載和部分負(fù)載效率。出于這項(xiàng)研究的目的，假設(shè)未來的熱儲(chǔ)能系統(tǒng)（2050 年時(shí)間框架）將足夠靈活，保證在建模分析中排除這些考慮因素。靈活性的價(jià)值取決于存儲(chǔ)設(shè)備邊界之外的因素。表 4.1 比較了目前占主導(dǎo)地位的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)和處于不同發(fā)展階段的替代方案。
表4.1 熱電轉(zhuǎn)換方法比較
（1）蒸汽朗肯循環(huán)
蒸汽朗肯循環(huán)通過泵送和加熱水，然后在渦輪葉片上膨脹熱的加壓蒸汽來工作。這會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)連接到發(fā)電機(jī)的軸。然后在重復(fù)循環(huán)之前將蒸汽冷凝?；菊羝士涎h(huán)的改進(jìn)，例如過熱、再熱和再生，通常用于提高效率。此外，工廠可以設(shè)計(jì)為使用亞臨界、超臨界或超超臨界蒸汽運(yùn)行。更高的壓力和溫度需要更昂貴的材料。蒸汽溫度可高達(dá)620℃，目前正在研究達(dá)到700℃的系統(tǒng)。作為參考，目前用于聚光太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的硝酸鹽熔鹽的最高工作溫度約為550℃。
如果發(fā)電廠已經(jīng)關(guān)閉了一段時(shí)間，使得組件已經(jīng)冷卻，發(fā)電組件在發(fā)電前會(huì)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)逐漸加熱。這減少了熱應(yīng)力，從而縮短了組件的壽命。電伴熱加熱器和其他措施可以減少啟動(dòng)時(shí)間。一旦運(yùn)行，蒸汽發(fā)電廠可以更快地調(diào)整功率輸出，速度約為每分鐘銘牌容量的2%。
總體而言，蒸汽朗肯循環(huán)使用成熟的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)30%～45%的熱電轉(zhuǎn)換效率。
（2）開放式布雷頓循環(huán)
在開放式布雷頓循環(huán)中，氣體從大氣中抽出、壓縮、加熱（通過燃燒）至通常在 1,000℃ 至 1,500℃范圍內(nèi)的溫度，并在排放回大氣之前膨脹。由于稱為工作流體的氣體是從大氣中抽出并排放到大氣中的，因此唯一實(shí)用的工作流體是空氣。盡管各種開放式布雷頓循環(huán)設(shè)計(jì)都是可能的，但最常見的設(shè)計(jì)涉及軸向壓縮機(jī)和膨脹機(jī)。在這種情況下，來自膨脹機(jī)的動(dòng)力用于旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)。
布雷頓循環(huán)是幾十年來發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)的基礎(chǔ)。盡管可以使用石油和其他燃料，但如今大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)直接在工作流體中燃燒天然氣以提供熱量。而不太常見的是間接燃燒的開放式布雷頓渦輪機(jī)，它使用熱交換器從煤炭、生物質(zhì)或其他燃料中提供熱量含有高灰分的燃料，否則會(huì)損壞設(shè)備。在核能和聚光太陽(yáng)能社區(qū)的興趣的推動(dòng)下，正在努力使渦輪機(jī)適應(yīng)非燃燒應(yīng)用。
與蒸汽輪機(jī)相比，開放式布雷頓渦輪機(jī)的啟動(dòng)和響應(yīng)時(shí)間要快得多，因?yàn)樗鼈兊臒釕T性較低；有些可以在不到10分鐘的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)，并且每分鐘的升溫速率約為10%。
材料和葉片冷卻的改進(jìn)使得燃?xì)廨啓C(jī)的峰值溫度更高，從而提高了效率。熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的局限性在于構(gòu)建能夠承受高壓和高溫以提供所需效率的熱交換器。演示被限制在1,000℃左右。
來自一臺(tái)渦輪機(jī)或多臺(tái)渦輪機(jī)的廢氣可以熱到足以在朗肯循環(huán)中加熱蒸汽；這種配置稱為聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠。與效率約為30%～40%的獨(dú)立天然氣渦輪機(jī)相比，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的效率可達(dá)到50%～62%。
然而，由于蒸汽朗肯循環(huán)的限制，聯(lián)合循環(huán)電廠的啟動(dòng)時(shí)間和整體靈活性比獨(dú)立渦輪機(jī)差。
（3）替代技術(shù)
一些替代技術(shù)不一定是新的，但它們迄今為止的較低性能或它們的早期開發(fā)階段限制了它們?cè)诎l(fā)電中的廣泛應(yīng)用。通過額外的研究、開發(fā)和部署，他們可能擁有有可能變得比當(dāng)今的技術(shù)更具成本效益或與當(dāng)今的技術(shù)一起使用。
（4）封閉式布雷頓循環(huán)
盡管當(dāng)今封閉式布雷頓循環(huán)渦輪機(jī)并不常見，但在上世紀(jì)50年代，它們最初比開放式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)更受歡迎因?yàn)榱淤|(zhì)燃料的內(nèi)燃會(huì)毀壞渦輪機(jī)。在封閉的布雷頓循環(huán)中，工作流體被重復(fù)使用，它在膨脹機(jī)之后冷卻，然后返回壓縮機(jī)。為了提高效率，在提供外部熱量之前，熱量從低壓膨脹機(jī)排氣轉(zhuǎn)移到高壓氣體，而這個(gè)過程稱為回收，減少了外部加熱需求。封閉式布雷頓循環(huán)允許使用空氣以外的工作流體。這些設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以增加背景壓力（即低壓氣體的壓力）以提高氣體密度，從而提高熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度，并降低成本。
早期的設(shè)計(jì)使用空氣、氮?dú)饣蚝庾鳛楣ぷ髁黧w。與使用空氣相比，氮?dú)鉁p少了氧化，從而延長(zhǎng)了組件的使用壽命。盡管如此，就像開放式布雷頓循環(huán)一樣，空氣和氮?dú)庑枰邷兀ǜ哂?,000℃）才能實(shí)現(xiàn)高效率。
氦氣因其良好的傳熱特性和與核反應(yīng)堆潛在耦合的惰性而具有吸引力。然而，氦氣系統(tǒng)也存在一些挑戰(zhàn)，例如可能導(dǎo)致?lián)p壞的泄漏和不必要的振動(dòng)。研究報(bào)告描述了氦渦輪機(jī)的歷史經(jīng)驗(yàn)以及有關(guān)該技術(shù)挑戰(zhàn)的更多細(xì)節(jié)。對(duì)氦氣的一個(gè)擔(dān)憂是長(zhǎng)期供應(yīng)充足性：目前的供應(yīng)預(yù)計(jì)將持續(xù)約100年，盡管新發(fā)現(xiàn)將擴(kuò)大這一估計(jì)。盡管100年的供應(yīng)量將超過這一研究的2050年時(shí)間框架，但大多數(shù)氦氣是與天然氣開采共同生產(chǎn)的，預(yù)計(jì)天然氣開采量會(huì)下降，從而在當(dāng)前估計(jì)中引入不確定性。鑒于這種擔(dān)憂，與其他工作流體相比，氦氣的好處可能不會(huì)超過其缺點(diǎn)。
目前，超臨界二氧化碳（sCO2）已成為許多研究的焦點(diǎn)。在峰值溫度約為700℃時(shí)，有可能實(shí)現(xiàn)50%或更高的熱效率，并且正在努力提高溫度。在基于化石燃料的發(fā)電廠中使用sCO2也引起了人們的興趣，其中一些設(shè)計(jì)包括集成碳捕獲。sCO2動(dòng)力循環(huán)的想法自從上世紀(jì)世紀(jì)中葉就已經(jīng)存在。然而，有在開發(fā)能夠承受高溫和高壓的材料和組件方面一直面臨挑戰(zhàn)。還有一個(gè)版本，sCO2在動(dòng)力循環(huán)的壓縮階段變成液體，在這種情況下就是sCO2朗肯循環(huán)。
由于開發(fā)sCO2技術(shù)的工作正在進(jìn)行中，并且商業(yè)運(yùn)營(yíng)的熱儲(chǔ)能設(shè)施很少，因此目前的成本估計(jì)是不確定的。在其SunShot計(jì)劃中，美國(guó)能源部(DOE)設(shè)定了900美元/kW的成本目標(biāo)，其中50%的熱發(fā)電40℃時(shí)的效率和空氣冷卻。正在建造使用sCO2的項(xiàng)目超出了臺(tái)式規(guī)模。一家公司使用稱為Allam-Fetvedt循環(huán)的變體從德克薩斯州的50MW燃燒型sCO2示范工廠向電網(wǎng)供電。另一家公司提供8MW的CO2Rankine系統(tǒng)，專為廢熱回收而設(shè)計(jì)；該系統(tǒng)已經(jīng)過工廠測(cè)試，一臺(tái)裝置計(jì)劃于2022年投入使用。盡管sCO2循環(huán)的早期應(yīng)用可能依賴于燃燒，但大部分基礎(chǔ)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)將是可轉(zhuǎn)移到熱儲(chǔ)能系統(tǒng)（TES）和其他非燃燒應(yīng)用。
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