《Clean Technologies》：Sand Batteries for Thermal Energy Storage: A Review of Operating Principles, Technologies, Challenges and Future Perspectives
沙基热能储存（thermal energy storage, TES）作为一种储存可再生电力并实现扩展时段供热的潜在方案，已受到越来越多关注。该综述考察运行原理、储热配置、材料、热性能、经济性、环境考量、安全性、可靠性、优化，以及沙基TES与可再生能源及更广泛能源系统的潜在集成。特别关注这些方面之间的关系与权衡以及当前技术局限。所综述的研究表明，沙基TES能够利用丰富且相对低成本的储热介质提供高温储热，但其性能强烈取决于系统配置、运行温度、充放热条件、热损失和集成策略。已报道的经济与环境结果因电价、利用率、系统寿命、效率、系统边界及其他方法学假设而差异显著。尽管沙基TES显示出大规模、长时储热潜力，综合生命周期评价（life-cycle assessment, LCA）、长期运行数据以及系统级可靠性与安全性评价仍有限。混合配置、先进优化、人工智能（artificial intelligence, AI）以及与可再生能源系统的集成是有前景的进一步研究方向。因此，未来研究应聚焦于长期实验验证、一致的技术经济与环境评价、系统特定安全性与可靠性分析，以及支持实际部署的稳健控制与优化策略开发。
1. Introduction（引言）：全球能源转型推动可再生电力与热系统整合，太阳能和风能的间歇性及消费错配增加储能需求；热能约占全球终端能耗50%，高效储热对脱碳关键。热能储存（thermal energy storage, TES）可将多余电力转为热储存，沙电池利用沙或颗粒材料在高温下显热储存，具有介质丰富、低成本、高温稳定、寿命长和环境负担低等优势，但存在低热导率、热损失、热斜温层退化与传热优化等问题；该综述强调技术性能与运行、经济、环境、安全、可靠性、优化和数字化之间的多维关联。
2. Materials and Methods（材料与方法）：采用结构化文献综述，遵循PRISMA 2020，检索Scopus、Web of Science、SpringerLink、MDPI、IEEE Xplore、ScienceDirect和Google Scholar，重点为2016—2026年同行评议论文、会议论文和综述。纳入沙或颗粒材料TES技术、经济、环境或运行研究，含实验、数值模型或综述；排除无关、无技术数据和缺乏科学可信度文献。采用定性内容分析，按运行原理、材料、实验验证、数值模拟、传热、热斜温层、经济环境、AI和未来方向分类；局限是仅分析英文文献，未开展原创实验或模拟，数据多来自实验室样机和试点，商业工业测量有限。
3. Results（结果）：沙电池属于显热储存（sensible heat storage, SHS），通过升高储热介质温度储热；相较潜热储存（phase change materials, PCM）和热化学系统，结构简单、材料成本低、高温稳定，但储能密度较低。颗粒材料可分为天然矿物、建筑来源、工业副产物、岩石/矿物和工程/复合颗粒介质；石英砂最成熟，建筑砂和铸造砂可能低成本本地可得，工业残渣和回收材料受关注；选择取决于热稳定性、比热容、热导率、粒径分布、化学稳定性、可用性、成本和温度兼容性。
3.1. Operating Principle（运行原理）：包括充热、储存和放热三阶段，效率取决于充热温度、储热介质热导率、保温质量和储存期间热斜温层保持。
3.1.1. Charging（充热）：可再生电力驱动电加热器加热空气或载热介质，流经沙容器传热，沙温可达500—1000 °C，芬兰商业高温沙储热系统约500—600 °C，电能几乎全部转化为热能。
3.1.2. Storage（储存）：热量储存在大量沙粒中，Q=m·c
p·ΔT，厚保温层减少热损失，大罐体积/表面积比更有利。
3.1.3. Discharging（放热）：冷空气通过热沙吸热，再经换热器加热水、蒸汽或工艺空气，用于区域供热、工业过程和材料干燥。
3.2. Types of Technologies（技术类型）：按床型、热分层、储热机制和传热强化分类，包括固定床、带热斜温层固定床、流化床、移动床、沙–PCM混合和改进热导率沙电池，类别可重叠。
3.2.1. Packed-Bed（固定床）：最常见，罐内固定沙层，空气经多孔管、通道和换热器流动；优点为结构简单、低成本、低维护、高可靠，缺点是沙热导率低和传热较慢；芬兰Polar Night Energy商业固定床系统代表最高技术成熟度。
3.2.2. Packed-Bed with Thermocline（带热斜温层固定床）：单罐内形成热冷区与温度梯度；优点是投资低、材料少、占地小、外表面热损失低；长期运行因热传导、热弥散和流体混合使热斜温层变厚，降低可回收能量和效率，需优化粒径、气流、罐几何和运行策略。
3.2.3. Fluidised-Bed（流化床）：高速空气使沙粒悬浮、连续混合并呈流体行为，传热强、充放热快、温度均匀，但设备复杂、风机能耗高、颗粒磨损，适用于极高温和太阳能热发电。
3.2.4. Moving-Bed（移动床）：沙缓慢循环，冷沙加热后转移至罐并经换热器放热；温度控制较好且可连续运行，但运输系统机械复杂，适用于600 °C以上工业热。
3.2.5. Hybrid Sand Batteries with PCMs（沙–PCM混合沙电池）：结合沙显热和PCM潜热以提高有效储能密度；PCM须按熔点、热稳定性和允许温度选择，并需热分离、局部控制或封装，高温沙区与PCM区热分离是重要设计考虑，长期兼容性仍需研究。
3.2.6. Improved Sand Batteries with Increased Thermal Conductivity（提高热导率的改进沙电池）：比较TES、电储能等需一致功能基和系统边界，热储存效率与电往返效率不等价。沙电池热效率高、寿命长、介质退化可忽略，但能量密度低于电化学系统；其优势在耐久、安全、介质成本和长期储热。热密度q
th=Q
th/V=m·c
p·ΔT/V，电密度e
el=E
el/V
sys，须明确体积边界和充电效率η
ch，热密度不可直接视为等效电密度。
3.3. Technological Maturity of Individual Sand Battery Technologies (TRL)（技术成熟度）：固定床高温SHS已用于电厂和区域供热，TRL 8—9；热斜温层系统TRL 7—8；移动床和流化床TRL 4—7；沙–PCM混合TRL 3—5。电到热效率>95%，热到电效率25—45%，电往返常低于40%。商业固定床强制空气循环系统温度500—600 °C、热效率约80—90%、可储数周至数月且介质成本低。
Commercial Implementation of Sand Batteries（沙电池商业实施）：芬兰Pornainen的1 MW/100 MWh高温储热系统由Polar Night Energy为Loviisan L?mp?开发，约2000吨碎皂石，是迄今最大商业沙电池，证明大规模SHS区域供热技术可行性；但商业系统少，长期性能数据缺乏，保温优化与经济可行性仍待解决。
4. Modelling and Optimisation（建模与优化）：CFD、AI和数字孪生应用须按实验证据分级：直接验证的沙电池研究、相关TES可转移结果、提议或前瞻应用；商业沙电池较新，实验数据集有限。
4.1. CFD Simulations（CFD模拟）：CFD是颗粒TES传热与流动分析成熟方法；部分研究将三维CFD与固定床TES实验比较，温度曲线和热斜温层吻合，并显示有效热导率关联式显著影响模型精度；相关固定床结果可转移但非直接验证沙电池。CFD依赖湍流模型、传热关联式和有效热导率，且大罐计算资源需求高，须在代表性充热、放热和闲置条件下验证。
4.2. Application of Artificial Intelligence（人工智能应用）：AI在沙电池中处早期，ML和PINN可作代理模型；应用包括性能预测、监测、优化、故障诊断和预测维护。制造砂固定床PINN预测瞬态温度场达R
2=0.9616、RMSE 1.493 °C、MAE 0.984 °C；混合数值–ML固定床模型误差约0.16%、R
2=0.99，较传统非线性模型快约350倍。训练数据来自实验、CFD或混合；沙电池大数据缺乏，物理信息与混合方法更相关，但商业沙电池AI证据仍有限。
4.2.1. Replacing Long-Running CFD Simulations（替代长时CFD模拟）：高分辨率CFD可达数百万网格并耗时数小时至数天，代理或物理信息ML模型先由CFD数据库学习输入输出，再在优化中替代CFD，显著降低计算时间；现有量化证据多来自实验室或相关固定床TES，需商业验证。
4.2.2. Tank Design Optimisation（罐设计优化）：设计变量包括罐径、罐高、粒径、空气进出口、保温厚度和运行温度；沙电池优化是多准则问题，AI如遗传算法、贝叶斯优化和强化学习可探索大解空间，寻找低热损、稳定热斜温层和更优经济指标方案。
4.2.3. Predicting Thermocline Degradation（预测热斜温层退化）：热斜温层长期会变厚，减小热冷区温差并降低热能品质；CFD准确但耗时，AI可结合负荷、气象、传感器网络和运行历史预测变化并调整运行，以减少热损失并延长寿命。
4.2.4. Predictive Maintenance（预测维护）：故障多发生在风扇、换热器、电加热器和温度传感器；AI可用于监测、故障诊断、预测维护和剩余使用寿命（remaining useful life, RUL）估计；这些方法可转移至沙电池，但商业沙电池直接实验验证有限。
4.2.5. Charging and Discharging Management（充放热管理）：需在高可再生发电或低电价时充热，在热需求高时放热；该多准则问题需综合可再生预测、需求、电价和储热状态；ML和强化学习受关注，两级优化可改善含沙储热综合能源系统灵活性，但仍需系统特定验证。
4.2.6. Digital Twins（数字孪生）：数字孪生整合CFD、AI预测模型、传感器网络和控制系统，以实时监测、分析、优化罐运行，提升可靠性、利用率和降低运维成本；相关研究显示其可预测热行为、早期异常检测和优化运行，但尚未在商业沙电池上被实验验证，应视为前瞻应用。
4.2.7. The Main Limitations of the Application of Artificial Intelligence（AI应用主要限制）：高质量大数据缺乏、模型泛化差、可解释性不足和黑箱问题限制安全关键部署；PINN和混合算法可纳入质量、能量守恒和传热物理定律，提供稳健、可泛化解；AI最大贡献预计在减少CFD、优化设计运行、预测维护、充放管理和数字孪生。
5. Sustainability of Application（应用可持续性）：包括环境、经济、安全和可靠性。
5.1. Environmental Aspects（环境方面）：沙电池环境轮廓优于多数电化学系统，但并非无影响；LCA包括原料供应加工、生产建造、运行、生命末和脱碳贡献。多数环境负担来自钢结构、保温材料和电气基础设施，沙本身占比较小；运行无直接CO
2、NO
x、SO
2和颗粒物排放，若用可再生电力充电则运行排放可忽略；无电解液泄漏或着火风险；生命末沙可回用、钢可回收、无危险电解液、钴镍和复杂湿法回收；水耗较低，EROEI可能较有利，土地利用主要与采砂和罐建造有关，需推广铸造砂、工业废砂和建筑副产物。
5.2. Economic Aspects（经济方面）：LCCA下LCC=CAPEX+OPEX+M+R+D，沙电池资本支出占主导，运行维护和组件更换成本低，介质无化学降解；寿命约20—40年，循环次数高；LCOH文献约20—70 USD/MWh，但多为储存相关成本且可能不含充电电费，不能直接视为交付热总成本；经济风险包括依赖低电价剩余可再生电力、利用率不足和长期热损失，生命末成本较低。
5.3. System Security（系统安全）：5.3.1 Fire Risk（火灾风险）：非可燃颗粒介质降低火灾风险，但电气设备、过热、绝缘失效、热表面、热膨胀和控制保护故障仍可能，需系统特定防护。5.3.2 Risk of Explosion（爆炸风险）：常压或低压运行降低压力失效风险，但相关电气、过热、热膨胀、组件失效和压力积累仍须监测与保护。5.3.3 Safety at High Temperatures（高温安全）：商业系统约500—600 °C，研究向800 °C以上发展，风险包括局部过热、材料热疲劳、保温损坏和人员烧伤，需多层保温、温度传感器、自动停机和维护程序。5.3.4 End-of-Life Safety（生命末安全）：无电解液、危险金属或化学不稳定物质，拆解安全，材料可回用或回收。
5.4. System Reliability（系统可靠性）：5.4.1 Storage Media Reliability（储热介质可靠性）：石英砂化学惰性、热稳定，无电化学降解，数千次加热冷却循环后储热能力无明显下降。5.4.2 Thermal Reliability（热可靠性）：保温质量、罐几何、气流和热斜温层保持影响可用热容与长期效率；长期储存会使热斜温层退化，CFD和数字孪生可用于监测与优化。5.4.3 Mechanical Reliability（机械可靠性）：罐、换热器、管道和风扇决定机械可靠性；沙磨蚀在流化和移动床中更明显，商业系统多用固定床；电加热器成熟但存在氧化、热疲劳和局部过载，保温退化和风扇故障需关注，大型系统可用冗余风扇。5.4.4 Reliability During Extreme Events（极端事件可靠性）：停电时热能可保留数小时至数天或数周，耐停电；罐体在保温设施内，耐气候且不存在水系统冻结问题。5.4.5 Critical Assessment（批判评估）：主要风险为热和机械风险，而非化学风险；火灾和爆炸风险低，无有毒或可燃材料，长期稳定性高；挑战是高温控制、保温长期稳定、辅助设备磨损和热斜温层保持。
6. Commercialisation Challenges（商业化挑战）：6.1 Limited Scope of Application（应用范围有限）：主要储热而非储电，直接热需求应用最具经济性。6.2 Relatively Low Energy Storage Density（储能密度较低）：罐大、占地大、建造成本高、集成复杂，适合大型市政和工业系统。6.3 Heat Transfer Problems（传热问题）：沙热导率低导致充放慢、温度梯度大和利用降低，可加金属插入、肋、石墨和换热器；铝屑混合可提高最大传热率约70%。6.4 Thermocline Preservation and Heat Loss（热斜温层保持与热损失）：长期储存使热斜温层退化和可用能减少，季节性储存中热损失显著。6.5 High Initial Investment Costs（初始投资高）：投资主要在钢罐、高温保温、换热器、风扇、电加热器和并网。6.6 Dependence on Cheap Renewable Electricity（依赖廉价可再生电力）：经济性依赖剩余可再生电力和低充电电价，北欧等市场较有利。6.7 Lack of Standardisation and Regulatory Framework（标准与监管缺乏）：技术标准、监管框架、融资模式和热灵活性市场不足。6.8 Insufficient Market Maturity and a Small Number of Reference Projects（市场成熟度和参考项目不足）：运行数据少、长期可靠性不确定、投资谨慎。6.9 Competition from Other Technologies（其他技术竞争）：热水罐、熔盐、混凝土、陶瓷、坑储和氢工业热等构成竞争。6.10 Sustainability of Sand Supply（砂供应可持续性）：需关注采砂对河床和海岸生态影响，推广替代来源。
7. Discussion（讨论）：研究焦点从运行原理转向商业化挑战；低热导率0.2—2.5 W m
?1 K
?1是主要缺点，促进金属翅片、石墨混合、复合颗粒和沙–金属混合材料研究；替代颗粒材料如陶瓷珠、氧化铝、铝土矿、冶金渣、回收铸造砂和地质聚合物受关注；超高温系统向800—1200 °C发展，但材料稳定性、氧化和保温耐久性面临挑战；季节性储热应视为前瞻应用，需长期实验报告储存时长、静置热损、回收能量和系统边界；先进数值方法、AI、数字孪生、可再生集成和工业热脱碳是重点；不同研究结果差异源于温度、材料、罐几何、流动、数值方法和经济假设。
8. Conclusions（结论）：沙基TES是高温和潜在长时储热的有前景方案，尤其与可再生电或热源耦合；性能和经济性依赖配置、运行条件、充放热效率、利用率、电价、寿命和融资假设。LCOH报道差异大且不可直接比较，须区分储存相关成本和交付热总成本。环境优势需完整LCA支持；安全应按具体系统、故障场景和保护措施评估；寿命、循环数、可靠性和TRL应依据证据基础解释。未来需长期实验和现场验证、标准化技术经济与LCA、系统级安全可靠性分析、热性能提升、先进优化控制、沙–PCM混合、AI辅助运行及更广泛能源系统集成。
