2.5 储热技术评价依据与经济性

2.5.1 储热技术评价依据

储热技术在各个领域都有广泛的应用，它不仅能回收、二次利用工业废热及余热，减少环境污染，还可以实现节能减排，替代不可再生能源。可以从技术、环境、经济、节能、集成、存储耐久性等方面来评价储热系统的性能。

2.5.1.1 技术依据

在储热系统中对相变储热材料的选择要符合以下要求：

（1）热性能要求：合适的相变温度；较大的相变潜热；合适的导热性能（导热系数一般宜大）。

（2）化学性能要求：在相变过程中不应发生熔析现象，以免导致相变介质化学成分的变化；必须在恒定的温度下融化及固化，即必须是可逆相变，不发生过冷现象（或过冷很小），性能稳定；无毒、对人体无腐蚀；与容器材料相容，即不腐蚀容器；不易燃；较快的结晶速度和晶体生长速度。

（3）物理性能要求：低蒸汽压；体积膨胀率较小；密度较大。

（4）经济性能要求：原料易购、价格便宜。

在设计储热系统工程之前，设计者应该考虑储热的技术信息，即储存的类型、所需储存的数量、存储效率、系统的可靠性、花费和可以采用的存储系统的类型以及相变储热材料的选择等。例如，若需要在某个地区建立储热系统，但由于区域的限制，能量存储实施困难，并且要在能量储存的装置上有较大投入，尽管投资是有益的，但从技术和经济的角度来分析不太合适。

2.5.1.2 环境依据

用于储热系统的材料不能使用有毒的物质，材料废物要易回收、易降解，且降解时不能产生有毒物质，系统在运行过程不能对人的健康，环境或生态的平衡造成危害。

2.5.1.3 经济依据

判断储热系统是否经济可行，需要从初始投资和运行成本两个方面与发电装置进行比较，比较时必须是相同负荷和相同的运行时间。一般来说，储热系统的初始投资要高于发电装置，但运行成本要低。据文献报道，由于控制方法的改进，加拿大的储热系统用于加热时费用是20～60加元/（kW·h），而用于空调时，由于可以采用了比较小的制冷机代替传统的制冷机，所以其费用是15～50加元/（kW·h），初始投资费用比传统的制冷方式的要低。同时，制备储热系统所用原料要易得、价格便宜。

2.5.1.4 节能依据

好的储热系统首先要降低工程的成本，其次要能减少电的消耗，达到节能的目的。许多建筑物中，主要是中午和下午的集中空调或热泵系统消耗电能，若将储冷（热）系统与它们配套使用，则可利用“削峰填谷”来缓解电网负荷，提高能源利用率，减少一次能源的使用，达到节能和环保的目的。若进一步与冷空气分布系统配套使用，则可大大提高储冷（热）系统的效率。美国电力研究院的研究表明，具有储冷系统和冷空气分布系统的集中空调运行费用要比一般空调系统低20%～60%。

2.5.1.5 集成依据

当需要在现有热能设备中集成储热系统时，必须对该设备的实际操作参数做出估计，然后分析可能采用的储热系统。

2.5.1.6 存储耐久性

不同场合要求热量在系统中存放的时间也不同，所以按存储时间的长短，储热系统可以分为短期、中期和长期三类。短期存储是为了减小系统规模或者充分利用一天的能量分配，最佳动力只能持续几小时至一天；中期存储的储热时间为3～5天（或至多一周），主要目的是满足阴雨天的热负荷需要；长期存储是以季节或年为存储周期，存储时间是几个月或一年，其目的是调整季节间或年间的热量供需的不平衡。短期存储投资小、效率最高，可超过90%；长期存储效率最低，一般不超过70%。

2.5.2 储热技术的经济性

储热技术是一种大容量储能技术，是解决电网调峰和可再生能源消纳并实现清洁能源供暖的一个主要方案，同时其在太阳能光热电站中作为一种重要部件用于提升能源系统效率。

2.5.2.1 电网调峰

夏季高峰负荷使消费者和生产者的能源成本都极为昂贵。工业上采用效率低的调峰电厂来满足这些高峰负荷，这些电厂一般采用燃气涡轮机，比其他能源的投资成本更低，但运行所需的燃料费更高，对环境产生的影响大。

热电联产机组“以热定电”运行所导致的调峰能力不足是造成目前中国“三北”电网大量弃风的一个重要原因，大型抽汽式热电厂通过配置储热可以提高机组调峰能力。配置储热后可调节的电功率和热功率的范围变宽，更有利于汽轮机供热不足或供热剩余部分情况下由蓄热罐进行补偿供热或蓄热以维持总供热功率的稳定，从而提高了机组的调峰能力。

2.5.2.2 可再生能源消纳

风电作为可再生能源，近年来在我国发展迅速，但弃风问题突出，风电消纳问题已成为风电产业持续健康发展需要解决的关键问题。系统调峰能力不足是导致限电弃风的一个主要原因，我国风电发展的主要地区是 “三北”地区 （东北、华北、西北），电源结构以燃煤火电机组为主，调节能力较差。跳出电力系统范畴，在热电联合系统中解决可再生能源消纳问题，利用大容量储热提高能源系统大时空范围优化配置能力，可提高可再生能源消纳能力。例如，研究者基于对电力系统和热力系统耦合关系的分析，在热电联产机组处和电供热负荷处加装大容量储热系统，通过对储热环节的控制，打破 “以热定电”的热电刚性耦合关系，实现电、热供需曲线的时间平移和优化匹配，可以有效提高电力系统的调节能力，促进风电消纳。应用储热系统的可选位置如图2.25中虚线框所示，一是在电源侧，一是在负荷侧。在电源侧应用大容量储热技术实现热电联产机组的热电控制解耦，打破 “以热定电”的刚性约束，有效提高热电联产机组的调节能力，增强电力系统的灵活性，解决风电消纳问题。在负荷侧应用包含大容量储热的风电供热系统，利用弃风电量实现清洁供热，既能有效增加地区用电负荷，又能提高地区电力系统的调节能力，促进可再生能源的就地消纳。

2.5.2.3 在太阳能热发电系统中的应用

太阳能是巨大的能源宝库，但到达地球表面的太阳辐射能量密度却很低，而且辐射强度也不断发生变化，具有显著的稀薄性、间断性和不稳定性。为了提高太阳能热发电系统的稳定性和可靠性，需要设置储热装置，在太阳能不足时将储存的热能释放出来以满足发电需求。太阳能热发电系统中采用储热技术的目的是降低发电成本，提高发电的有效性，以实现容量缓冲，可调度性和时间平移，提高年利用率，电力输出更加平稳和高效满负荷运行等。

储热时间与太阳倍数（SM）是影响槽式太阳能热发电系统经济性的两个重要因素：由图2.26可以看出，太阳倍数不变，项目总体投资随热储热时间的增加而增加；由图2.27可以看出，在相同的太阳倍数下，随着储热时间增加，上网电价呈现先降低后上升的趋势，故存在一个储热时间点，使得上网电价最低，系统最经济。

目前，太阳能热发电系统中的储热形式有显热储热、相变储热和化学能储热。太阳能热发电系统是一种既能提供清洁电力又不影响电力系统可靠性的新能源电源，其通常配有大规模的储热系统（TES），储热系统不仅可以提供阴雨天等太阳辐射不足时系统持续发电所需的能量，还可使太阳能热发电系统在一定范围内根据发电计划调整出力，并平滑出力，使其能够适应电网的需求。储热系统的储能效率可达95%～97%，而其储能成本仅为大规模蓄电池储能成本的约1/30。因此，储热系统使太阳能热发电系统可以像常规火电厂一样稳定、安全地向电网提供可靠电力，是太阳能热发电系统非常重要的组成部分，只有配置了储热系统的太阳能热发电系统才能保证长时间持续稳定运行，具有可调性，能够参与电网调峰。目前，太阳能热发电系统中常用的储热系统有单罐储热系统和双罐储热系统，单罐储热（图2.28）建设成本低，但技术风险较高，操作较复杂，如何更好地实现冷、热流体分层是未来的一个研究方面。以熔融盐为介质的双罐储热（图2.29）系统易于实现，可保证太阳能热发电系统连续、稳定地发电，目前主要应用于塔式系统及以导热油为传热介质的槽式系统中。