热储能技术在新型电力系统中的应用综述

热能是能源的重要组成部分,全球约90%能源是热能的转换、传输和储存。随着“双碳”目标的提出,储能成为促进新能源大规模、高质量发展的新动能,其中热储能是储能中最具有应用前景的技术之一。分析国内外热储能最新发展动态,重点介绍熔盐储热和固体储热的典型应用场景和发展建议。热储能可为绿电供热提供热能储存,解决绿电供热成本高的问题,也为新型电力系统提供巨大的可调节负荷资源。

相变微胶囊的制备及其在热储能中的应用进展

相变材料因高能量存储密度、高潜热和良好的热稳定性被广泛应用于潜热储能,但是泄漏、热导率低等问题限制了相变材料在热储能中的应用。微囊化能够防止相变材料的泄漏,降低与外界环境的反应并提高热导率,因此相变微胶囊是提高相变材料导热性和解决泄漏等问题的有效方法。介绍了相变微胶囊常见的制备方法及其在建筑材料、太阳能储能及热管理系统中的应用,并展望了该材料未来的发展趋势。

基于信息间隙决策理论-分布鲁棒优化的含电-氢-热混合储能综合能源系统需求响应策略

混合储能系统具有储能容量大、调节能力强等优点,有助于提高综合能源系统(integrated energy system,IES)的需求响应能力。首先,构建了一种电-氢-热混合储能系统(electric-hydrogen-thermal hybrid energy storage system,EHT-HESS),其中采用电解槽(electrolytic cell,EC)、蒸气重整反应(steam methane reforming,SMR)装置、储氢、热电联产氢燃料电池(hydrogen fuel cell,HFC)设备,实现电、气向氢能的转换,以及以氢能作为中间模态的“制氢-储氢-放氢/电/热”功能。其次,建立考虑EHT-HESS的IES需求响应策略优化模型,其中考虑IES响应电价和气价,同时根据富余风电量,进行购电、购气、用电、用热、用氢等策略决策的综合需求响应(integrated demand response,IDR)行为;并采用信息间隙决策理论(information gap decision theory,IGDT)计入概率分布未知的风电严重不确定性,采用基于综合范数的分布鲁棒优化(distributionally robust optimization,DRO)方法计入概率分布不完备的电价严重不确定性。最后,算例验证了模型和方法的合理性及有效性,并表明IES装设热电联产HFC构建EHT-HESS可实现氢能向电能与热能的转换,有助于增加风电消纳量,增加IDR决策的鲁棒性。

颗粒堆积床显热储能技术概述

颗粒堆积床显热储能技术具有系统构造简单、建造和运维成本较低、运行温度区间广等优点,在新能源消纳、工业余热利用和清洁供热等方面具有巨大的应用潜力。首先,从储能材料、储能容器两方面对颗粒堆积床显热储能技术进行介绍,概述颗粒堆积床显热储能领域的研究进展;其次,总结分析各设计参数对堆积床气流阻力特性、储热特性、热分层特性的影响,对可回收固体废弃物作为新型储能材料进行技术经济可行性分析,旨在为颗粒堆积床显热储能系统的优化设计提供参考。研究结果表明:床层的热容量是影响堆积床储能特性的最关键因素;与现有储能材料相比,将固体废弃物回收再利用为堆积储能材料具有较为明显的优势。

含热储能及有机朗肯循环的综合能源系统低碳经济调度

为促进能源低碳高效利用,降低系统的运行成本,提出了一种含热储能及有机朗肯循环的综合能源系统低碳经济调度模型。首先,对碳捕集装置和含热储能的有机朗肯循环系统进行建模,通过碳捕集装置和含热储能的有机朗肯循环系统联合运行,实现系统低碳运行的同时降低系统的峰时购能;其次,以系统的综合运行成本最小为目标,构建综合能源系统低碳经济调度模型,并设置不同的场景,采用CPLEX求解器对建立的模型进行求解。仿真结果表明:所提综合能源系统低碳经济调度模型能够有效实现能源的高效利用,并提升系统运行的低碳性和经济性。

考虑电/热储能灵活经济调控的综合能源系统与产消者日前协调优化运行策略

多元异质储能技术对含产消者的综合能源系统灵活运行和统筹资源协调具有积极作用。本工作提出考虑电/热储能灵活经济调控的综合能源系统日前博弈-鲁棒优化运行策略,该方法挖掘电/热异质储能在能源交易中的经济潜力和不确定因素下的灵活潜力。首先,考虑节点电压、管道温度等状态量的安全限制建立综合能源系统调度模型和储能运行模型;进而,在电热能源市场框架下,建立考虑储能经济运行的综合能源服务商与产消者博弈的Stackelberg模型及其MPEC形式;然后,基于Stackelberg博弈模型,提出计及电池储能日内灵活调整的两阶段鲁棒优化模型,采用改进的列约束生成算法求解。最后,算例验证了所提方法的有效性,储能灵活经济调控降低系统运行成本以及保证日内电力供需平衡。

储热储能中的计算机软件处理技术应用研究

实现热量的高效率转化、避免出现能源浪费问题,是储热储能系统的主要发展方向。近年来,计算机软件被广泛应用于各个领域之中,其优异的性能受到一致性好评,如何利用计算机软件的应用特性,达到解决能量资源的目的,成为了一项亟待解决的问题。针对上述问题,展开对储热储能中计算机软件处理技术的应用研究。首先,以热泵储能、汽驱压缩空气热储能系统为例,分析储热储能技术的发展形式;然后,分别从功率混合分配、资源综合调度两方面,确定计算机软件处理技术对储热储能的影响;最后,利用软件技术调节储热储能系统的工作特性,并实施对系统的耦合优化。

基于再热蒸汽抽汽-熔盐储热的火电系统分析

提出了一种基于再热蒸汽-抽汽熔盐储热的火电联合系统,通过建立仿真模型对系统的运行过程及效率进行了分析。为了使熔盐放热过程匹配主蒸汽温度,需要在抽汽充热过程之后再配置电加热器对熔盐提温,在此基础上研究了充热过程平均换热温差、放热过程夹点温差、低温储热温度对系统性能参数的影响。结果表明:充热过程中维持10 K平均换热温差,放热夹点温差从5 K增加至15 K会导致最高等效往返效率从88.2%降低至85.0%,同时最佳储热温度从314℃升高至324℃;放热过程中维持10 K夹点温差,充热过程的平均换热温差从5 K增加至15 K时,最高等效往返效率从89.5%降低至85.8%;2个温差均在10 K时,机组的最高等效往返效率为87.1%,该条件下运行时机组最低负荷可从30%下调至24.3%。

考虑电-气-热耦合和需求响应的虚拟电厂优化调度策略

热电联产机组以热定电的工作方式无法同时满足冬季供暖效率最大化和电力调峰需求,存在发电出力调节能力不足的问题。针对上述问题,提出了考虑电、气、热能源耦合特性以及需求响应的虚拟电厂优化调度策略。首先,为提升热电联产机组向下调峰能力,引入电制气设备和碳捕集技术,构建新型的热电联产耦合模型。其次,为提升系统运行的灵活性,考虑峰谷分时电价、热价,建立综合需求响应机制。然后,为减少系统发电成本,引入电、热储能装置,以系统总成本和电、热储能运行成本最小化为目标建立虚拟电厂双层优化模型,并根据下层优化模型的KKT(Karush-Kuhn-Tucher,KKT)条件将双层模型转为单层并线性化处理进行求解。结果表明,所提方法的碳排放、运行成本以及新能源消纳率达到最优,提升了热电机组向下调峰能力,满足了系统低碳性、经济性的需求。

专利视角下储能技术发展态势分析

储能技术是实现“双碳”目标的关键性支撑技术。专利是保护技术创新成果的重要方式,可以客观反映技术研发和市场竞争情况。将储能技术分为机械储能、热储能与电化学储能3个二级技术分支和7个三级技术分支,重点从专利申请量、专利公开量、申请国家(地区)分布、申请人、专利技术构成及专利价值度等方面进行研究,并对全球主要国家的储能技术专利进行综合对比。结果表明,我国储能技术专利申请量跃居全球第一,是全球首要保护目标市场国。中国在机械储能领域、日本在电化学储能领域分别具有明显规模优势,中国与日本在热储能领域相比其他国家具有一定的比较优势,电化学储能是当前的研究重点和热点。虽然我国储能技术专利申请量多,但专利平均被引次数、专利有效率及平均专利价值度均不具有优势,专利质量和价值与美国相比还有差距。我国可以通过提高储能技术国际化战略思维,加大储能技术政策性帮扶支持力度,深化产学研协同合作,助力抢抓以电化学储能为重点、以机械储能与热储能为补充的专利战略高地,培育更多具有自主知识产权且具备核心竞争力的企业。

储能技术研究进展及经济性分析

随着电力系统对能源调节能力的需求提升、新能源开发消纳规模不断加大则对储能的需求日益增长,而储能技术对于平衡能源供需、提高电力系统灵活性以及增强能源安全性均具有重要意义。概述储能技术的研究现状,对电化学储能、热储能、机械储能、电容式储能等常见储能技术的应用现状进行分析,总结不同储能的特性、应用场景及经济性效果,从度电成本经济性角度分析各个储能技术与经济结合的优势,并分析储能技术的发展方向、应用领域和发展趋势。目前储能技术的发展方向主要包括储能新材料、新技术以及新装备攻关,在储能新技术发展的同时也应关注其经济性和可行性。随着储能技术的成功应用和应用场景的不断扩大,未来的储能系统将呈现广域性、多元性的特点,加强各储能装置的耦合显得迫切而必要。未来储能在技术、经济性及发展方向呈现3个趋势:精准划分储能类型和合理规划多元储能系统,以实现新能源的高渗透、精确规划和配置多元储能装置;侧重开发多元储能与其他电源的协同运行与调度技术,尤其多元储能的协同运行能够在平衡与保供基础上发挥储能的安全稳定维护作用,其中长时间、跨季节、大容量、低成本的储能技术是实现电网安全稳定的关键;保障储能系统价值实现与政策机制,需研究建立促进储能可持续发展的系统价值形成机制和政策机制,构建促进储能参与平衡调节的中长期电力市场、现货市场和辅助服务市场机制。

计及火电机组热储能的含风电系统柔性调度

风电快速增长的同时保持较高的弃风率,因为电力系统缺乏足够的柔性容量来应对风电的不确定性。锅炉最小稳定燃烧率限制了火电机组的运行柔性。抽汽和热储能可以在不改变锅炉燃烧率的情况下调节机组功率输出。因此,对现有的火电机组进行抽汽和热储能改造是一个很有前景的选择,以消纳电力系统中高渗透率的风电,特别是在以火电为主的系统中。研究了火电机组抽汽与热储能改造后的柔性运行。首先,考虑到改造后的特点和技术约束,提出一种新的火电机组线性运行模型。其次,建立基于随机机组组合和滚动经济调度的模型,研究含风电电力系统进行抽汽和热储能改造的效益。最后,在IEEE24节点系统中进行仿真。仿真结果表明:采用抽汽和热储能改造的火电机组,可以有效降低弃风量,提高电力系统运行经济性。

太阳能热化学混合储能装置的储热性能

结合化学储能和显热储能设计新型太阳能热化学混合储能装置,利用碟式太阳能系统实验研究混合储能装置的储热性能.实验结果表明,太阳直射辐射强度约为600W/m2时,储能装置20min即可达到甲烷二氧化碳重整所需温度(750℃),但装置内部温度分布不均匀.根据储能装置传热规律与聚光太阳能非均匀分布特性建立数值模型,发现储能装置的温度分布和变化规律与实验相符,系统加热过程中温度分布具有不均匀性和非稳态性.

电磁热储能系统中谐振电路的机理研究

电磁热储能系统中的谐振电路作为电磁向热转换的实现环节,影响着电磁热储能系统的功率和效率。在实际工况下,流经谐振电路中加热管体的高频大电流会使管体的电感发生变化,进而影响系统的功率效率。该文以50kW电磁热储能系统中谐振电路为研究对象,基于有限元瞬态计算方法,确定了求解域内磁共能与电流的变化关系,并基于磁共能函数展开法,准确描述磁链函数,继而得出谐振电路中加热管体的动态电感函数。基于基波分析法,适配了电容,使电磁热储能系统在设计功率下保持高效率的运行。通过进行实验,对比实验值和计算值,谐振电路电压、电流波形和相位相吻合,动态电感计算较为准确。该文对电磁热储能系统谐振电路的设计与研究有一定参考价值。

布雷顿循环热泵储能的性能分析与多目标优化

热泵储能系统是一种新型的储能技术,具有储能成本低廉、不受地理条件限制的优点。相对于填料床式热泵储能系统,液态储能介质的热泵储能系统可以降低储罐的成本,减少储罐的自放热损失,提高系统的功率密度。针对液态储能介质的热泵储能系统开展热力学分析,得到往返效率、储能密度与功率密度的具体表达式,并分析系统参数对往返效率、储能密度与功率密度的影响。基于热泵储能系统的数值模型,采用遗传算法对热泵储能系统进行参数优化,得到往返效率c、储能密度re和功率密度rp之间的变化趋势:往返效率c随储能密度re的增加略有下减,随功率密度rp的增加略有上升。通过多维偏好分析的线性规划技术(linear programming technique for multidimensional analysis of preference,LINMAP)决策方法得到最优解决方案。此外,还将优化结果:最优解决方案、最大往返效率、最大储能密度3个工况进行了验证与展示,为热泵储能系统的研究工作提供了部分理论基础。

水合硝酸锰复合果壳多孔碳的相变热储能研究

开发具有较高潜热的蓄热型相变材料可以满足工程热能管理应用和建筑节能的需求,而且充分利用材料的相变潜热储能有助于缓解全球传统能源不足的问题。文章采用真空浸渍法,制备水合硝酸锰(Mn(NO_3)_2·6H_2O)/果壳多孔碳基复合相变材料,通过多种测试技术手段对其微观结构和热性能进行了分析,并研究了相变材料在多孔碳中的相变行为和热储能机制。结果表明:摩尔浓度为1.67 mol/L的复合相变材料MNCPCM-2具有均匀的Mn(NO_3)_2·6H_2O颗粒分布和较大的比表面积,其熔化相变温度T_m、相变潜热焓ΔH_1分别为27.6℃和173.6 kJ/kg,存储效率为95.7%;经过1 000次热循环,其熔化相变温度提高了13.0%,相变潜热焓降低了20.6%,最小存储效率为92.1%,且过冷度和失重较小,具有优良的相变储热和热稳定性及较好的热循环性能。

含热泵储能的独立微网电源容量优化配置方法

在对独立微网电源容量进行优化配置时,为了在保证供电可靠性的前提下进一步提高经济性,提出一种考虑源荷不确定性与激励型需求响应(DR)的含热泵储能(PHES)的独立微网电源容量优化配置方法。首先,给出含PHES的独立微网基本结构图,基于该结构图阐述PHES的工作原理并建立PHES的简化数学模型;其次,基于鲁棒优化方法构建不确定场景集;然后,建立考虑激励型DR的双层鲁棒容量优化配置模型;最后,采用内嵌混合整数线性规划的遗传算法对模型进行求解。算例结果表明,将PHES这一储能成本低、不受地理条件限制的新型储能替代成本较高的电池储能作为系统储能方案,能够进一步提高经济性;考虑源荷不确定性与DR两者共同作用对配置结果的影响,能够完善独立微网优化配置模型,使计算得到的配置结果更为合理。

灵活性资源参与的电热综合能源系统低碳优化

针对可再生能源的消纳问题,研究可控负荷机制与电-热耦合网中的储能调控策略,构建综合灵活性资源模型优化系统的低碳运行。首先分析区域电网中差异化布局的工业负荷调控机制,基于城市能源网架电热耦合建立可控负荷及电-热储能调控模型;然后以经济成本、风光消纳及碳排放为指标构建综合效益模型,提出碳排放流动拓扑,描述依附于能量流的碳排放流信息;最后对IEEE 33节点电网和45节点热网耦合能源系统进行仿真,分析多元灵活性资源响应对系统综合效益的改善效果,并通过拓扑直观显示典型场景中电-热碳排放流动过程。结果表明发掘灵活性资源能够提升电热综合能源系统对风光能源的消纳裕度,验证了所提方法的合理性和有效性。

基于固体填料床的泵热储能系统热-经济性分析

泵热储能技术因其具有大规模化、成本较低且无地理条件限制的优势,在未来电力系统中扮演着十分重要的角色。针对采用固体填料床且基于可逆焦耳-布雷顿循环的泵热储能系统,开展了不同设计参数对系统热-经济性的影响规律研究,结果表明:系统综合效率随着最大充电温度、做功部件多级效率和填料床孔隙率的增加而升高;当选取氦气为工质,磁铁矿为储热介质,且最大充电温度为850 K时,多级效率为92%,填料床孔隙率为46%时,得到最大综合效率72.45%。系统平准化储能成本随着最大充电温度和做功部件多级效率的增加而降低;当选取氦气为工质,磁铁矿为储热介质,且最大充电温度为850 K时,多级效率为92%,填料床孔隙率为40%时,可获得最小平准化储能成本0.211美元(/kW·h)。

中高温热化学反应储能研究进展

热化学反应储能可实现能源的高效转换、长时储存和远距离输运,在大规模储能领域有广阔的应用前景,是当前储能研究的热点之一。文章着眼于反应温度介于573-1273 K的中高温热化学反应体系：金属氢化物体系、氧化还原体系、有机体系、无机氢氧化物体系以及氨分解体系,从实验研究、数值模拟与技术创新等方面评述了当前几种有发展前景的储能体系的研究进展,并介绍了典型的示范工程。根据各体系研究中存在的问题,探讨和展望了其发展趋势。