高温固体储热系统结构优化与热性能研究：面向碳中和的高效储能解决方案

《Journal of Energy Storage》：Facile synthesis of core-shell Si/C nanoparticles via in-situ reduction of rice husk-derived silica in molten salts as ultra-stable lithium ion battery anode

本文针对高温固体储热系统（SSTES）在可再生能源存储中的关键问题，研究了四种固体结构（RBS、CES、PPS、RSS）、三种储热材料（FB、Al、ACW）和四种传热流体（He、CO2、N2、Ar）在1000°C高温下的热性能。研究发现CES结构结合CO2/N2传热流体可实现90%以上的充电效率，为10MWth/50MWhth的储热系统提供了优化方案，对实现碳中和目标具有重要意义。

　　

随着全球碳中和目标的推进，可再生能源的大规模应用面临严峻挑战。风能、太阳能等可再生能源具有间歇性和不稳定性，导致电网波动频繁。据统计，2023年欧洲已有44%的电力来自可再生能源，预计到2030年这一比例将升至69%。这种快速增长凸显了大规模储能技术的迫切需求。能源存储系统（ESS）成为解决这一问题的关键，其中热储能（TES）技术因其成本低、规模灵活等优势备受关注。

在各类TES技术中，固体显热储能（SSTES）因其结构简单、成本低廉且耐久性好，特别适合高温应用。然而，当操作温度升高至1000°C时，传统储热系统面临诸多挑战：储热材料的热稳定性、热机械应力导致的"热棘轮"现象、以及传热流体与固体材料之间的热交换效率等问题都亟待解决。现有的研究多集中于低温应用，对高温条件下不同系统配置的对比分析较为缺乏。

为解决这些问题，研究人员开展了一项创新性研究，系统分析了高温固体储热系统的性能。该研究发表在国际知名期刊《Journal of Energy Storage》上，由德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心的研究团队完成。

研究团队开发了一套完整的数值模型，采用一维传热模型，结合CoolProp库获取随温度变化的流体热物性参数。模型通过有限差分法求解控制方程，采用牛顿-拉夫森算法进行数值计算。时间步长设为30秒，空间分辨率为0.4米，在保证计算精度的同时提高了效率。

研究设定了明确的系统参数：储热容量为50MWh_th，热功率10MW_th，运行温度最高达1000°C。系统采用电加热器进行充电，使用超临界二氧化碳（sCO₂）动力循环进行放电发电。研究人员重点比较了四种固体结构配置：棒束结构（RBS）、通道嵌入式结构（CES）、平行板结构（PPS）和矩形板结构（RSS），所有结构的孔隙率固定为44%。

4.1. 模型验证

研究团队通过将开发的一维模型与文献中的有限元模型结果进行对比，验证了模型的可靠性。结果显示，对于混凝土和铸钢材料，模型预测与参考数据最大偏差分别为+19%和-7%，证明了模型在高温条件下的适用性。

4.2. 储热容器尺寸设计

根据能量平衡方程，研究人员计算了各配置所需的储热材料质量和容器尺寸。结果显示，Firebricks（FB）材料因密度和比热容优势，所需质量最小（392.49吨），而Asbestos-Containing Waste（ACW）需要最大质量（460.29吨）。CES结构因具有更多的传热通道，需要最多的传热域数量（最多289,231个）。

4.3. 充电阶段性能

4.3.1. 能量密度

能量密度分析表明，FB材料表现最佳，达到0.45MWh/m3。在传热流体方面，氦气（He）因高热导率充电时间最短，但效率较低；而二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂）在CES结构中充电效率超过90%，充电时间约2.7-3.5小时。

4.3.2. 温度分布

温度分布分析揭示了不同结构的传热特性。CES结构温度曲线较为平缓，表明热交换更充分；RBS结构因存在旁通流，流体与固体温度存在明显差异。这种差异直接影响系统的热效率。

4.3.3. 充电效率和时间

充电效率分析显示，CO₂、N₂和Ar在大多数配置中效率超过90%。氦气虽然充电速度快，但因高粘度导致的压降较大，效率相对较低。CES结构在所有配置中表现最为稳定和高效。

4.4. 放电阶段性能

4.4.1. 传热流体质量流量

放电过程分为两个阶段：第一阶段通过旁路系统维持PHE入口温度恒定在600°C；第二阶段当温度低于600°C时，直接连接TES和PHE。氦气因高热容需求质量流量最小（2-5kg/s），而氩气（Ar）需求最大（21-35kg/s）。

4.4.2. 温度分布

放电温度分布显示，CES结构在相变过程中温度变化最为平缓，表明其热释放过程更为稳定。RBS、PPS和RSS结构温度曲线相似，但效率存在差异。

4.4.3. 放电效率和时间

放电效率分析表明，氦气在多数配置中效率最高（70-90%），但充电效率较低影响整体性能。CES结构配合CO₂/N₂在FB材料上表现最佳，放电效率稳定在较高水平。第二阶段放电时间较短，表明大部分能量已在第一阶段有效提取。

5. 整体热效率

整体效率综合考虑充电、放电和风机能耗。结果显示，CES结构配合CO₂/N₂在FB材料上整体效率最高。氦气虽然放电效率高，但因充电效率低和风机能耗大，整体效率不具优势。系统效率受材料特性、流体性质和结构设计的综合影响。

本研究通过系统分析高温固体储热系统的性能，得出以下重要结论：CES结构因其优化的传热面积和无旁通区设计，在多数配置中表现最优；FB材料因高能量密度成为理想选择；CO₂和N₂作为传热流体在效率和成本间达到最佳平衡。这些发现为设计高效、经济的高温储热系统提供了重要依据，对推进可再生能源的大规模应用和实现碳中和目标具有重要意义。未来研究将聚焦于几何参数优化、材料制造工艺改进以及低温余热利用等方面，进一步提升系统性能和经济性。