集装箱式3 MWh高温固体储热与供热系统的实验性能研究

《Energies》：Experimental Study on Performance of a Containerized 3 MWh High-Temperature Solid Heat Storage and Heat Supply System

　　

： 集装箱式高温固体储热是实现蒸汽与热水灵活联合供应的极具前景的解决方案。本文对一套3 MWh集装箱式高温固体储热与供热系统开展了实验研究，该系统可同时提供饱和/过热蒸汽和热水。采用高密度镁砖作为储热介质，利用低谷电或弃用可再生能源将其加热至800 °C以上。循环空气由变频风机依次驱动流经饱和段与过热段换热单元，实现热能按需输出。集成设备尺寸为11.8 m × 2.13 m × 2.18 m。实验在直接电加热模式与储热模式下开展。在直接电加热模式下，储热体维持在900 °C。随着循环空气流量增加，饱和段进/出口空气温差从600 °C降至300 °C，过热段从350 °C降至70 °C，而输出功率则随之增大。在储热模式下，研究人员采用自适应风量调节策略，在储热砖温度下降的情况下维持稳定功率释放。完整的24 h储/放热循环测试表明，有效储热容量为3.14 MWh，电热转换效率为97.84%，可稳定供应450 °C以上的过热蒸汽。

论文解读：

一、研究背景与意义

随着全球气候治理进程的推进以及各国碳中和承诺的落实，风电和光伏装机容量快速扩张，但其间歇性和波动性特征引发了弃风弃光问题和电网运行挑战。储能在可再生能源消纳中扮演着关键角色，可平滑新能源功率波动、缓解弃电问题并提升电网对新能源电力的吸纳能力。在各类储能技术中，高温固体储热技术因储热密度高、使用寿命长、成本低且环境友好，被视为提升电力系统灵活性和促进可再生电力深度融入的有效途径。该技术利用低谷电或弃用可再生能源储热，随后按需释放，在工业蒸汽供应、区域清洁供热以及工业园区热电联产等场景中展现出巨大的应用潜力。

然而，现有研究大多聚焦于固定式大规模储热装置，且受限于换热环节的复杂性和控制难度，多数方案缺乏能够按需同时输出饱和/过热蒸汽和热水的系统化设计。针对这一空白，研究人员开发了一套集装箱式3 MWh高温固体储热与供热系统，采用多级储热、串联换热和自适应风量调节技术，克服了传统固体储热装置功能单一和占地面积大的缺点，为分布式能源供应和电网调峰提供了技术支撑。

二、研究内容与主要结论

研究人员构建了一套集装箱式3 MWh高温固体储热与供热系统，主要由储热罐体、汽水系统和热风系统组成。储热罐体包含电加热器、饱和段固体储热体和过热段储热体；汽水系统包括水箱、水泵、饱和加热器、过热器及相关阀门。储热砖采用氧化镁含量超过85%的高密度镁砖，表观密度为2950 kg/m3，导热系数为4.52 W/(m·K)，比热容为1.09 kJ/(kg·K)，体积热容为797 kW·h/m3。电加热丝由铁铬铝合金制成，沿高度方向布置四层加热层，上下单元并联连接。

实验在两种典型运行模式下开展：直接电加热蒸汽供应模式和储热模式。在直接电加热模式下，系统作为直接蒸汽发生器运行，储热体由电阻丝持续加热并维持在恒定高温，通过循环空气生产蒸汽或热水。在储热模式下，系统作为储能单元运行，利用低谷电或可再生能源富余电力储热，在需要热水和蒸汽时按需释放热量。此外，研究人员进行了24 h连续运行测试，模拟完整的“储热—放热”运行循环，获取了系统平均电储热功率、储热容量、转换效率和热损失率等核心性能指标。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：第一，高密度镁砖储热介质与嵌入式电阻丝加热技术，实现800 °C以上的高温储热；第二，多级串联换热系统设计，通过饱和段和过热段依次换热实现饱和/过热蒸汽和热水的联合输出；第三，自适应风量调节策略，利用变频风机实时调节循环空气流量以维持稳定输出功率；第四，基于中国国家标准GB/T 39288—2020的性能测试与计算方法，对储热电功率、供能功率、储热容量和电热转换效率进行定量评估。系统从山东滨州运输至湖南衡阳，运输距离约1500 km，验证了系统的移动性和快速部署能力。

四、研究结果

1. 1.
   直接电加热蒸汽供应模式实验结果

在饱和段储热体维持在900 °C的条件下，当循环空气流量从1520 Nm3/h增加到7800 Nm3/h时，储热体出口空气温度从600 °C逐渐降至300 °C，进/出口空气温差从350 °C迅速缩小至70 °C。在过热段，当循环空气流量从2800 Nm3/h增加到8000 Nm3/h时，出口空气温度从600 °C降至500 °C，进/出口温差从35 °C降至10 °C。尽管循环空气流量增加降低了进/出口温差，但湍流增强提高了传热速率，饱和段输出功率从134 kW升至199 kW，过热段输出功率从29 kW升至41 kW。过热段循环空气的传热强度明显低于饱和段，原因在于过热段换热面积较小且进风与储热体之间的温差相对较小。

1. 2.
   储热模式实验结果

在储热模式下，随着持续放热，饱和段固体储热体温度在1.5 h内从800 °C逐渐降至745 °C，循环空气进/出口温差从360 °C降至267 °C。为补偿储热体温度下降导致的传热减弱，循环空气流量从1530 m3/h增加至2062 m3/h以维持恒定输出热功率。过热段储热体温度从790 °C降至722 °C，进/出口温差从156 °C降至99 °C，循环空气流量从880 m3/h增至1384 m3/h。在上述1.5 h放热过程中，过热蒸汽温度维持在约450 °C，最大温差仅为18.8 °C；过热蒸汽压力保持在约2 MPa，最大压力偏差仅为81 kPa。过热蒸汽产率维持在约0.23 t/h，变化范围仅为?7.46%，输出功率保持在约207 kW，变化范围仅为?7.43%，稳态偏差控制在±8%以内。

1. 3.
   系统整体性能

24 h连续运行测试完成了两个充放热循环。在低谷电时段22:00开始充热，饱和段和过热段储热体分别从440 °C和490 °C加热至850 °C，充热时长4 h，并恒温保持至次日07:00。随后以过热蒸汽形式缓慢放热至11:00，放热结束时过热段温度降至650 °C，饱和段降至600 °C。在下一个低谷时段11:00重新充热，5 h内加热至850 °C并保持至19:00，随后快速放热至22:00，储热体温度降至约500 °C。系统最大加热功率下可在5 h内完成满充热，储热容量约3.14 MWh，可产生2 MPa、450 °C的过热蒸汽，同时具备供应饱和蒸汽和热水的能力，电热转换效率达97.84%。

五、讨论与结论

该集装箱式系统在保持高热性能的同时实现了紧凑集成，但相比应用于工业园区或电站的大型储热装置，由于比表面积较大，热损失比例相对较高。系统运输1500 km后可在目的地快速调试并现场供应热水和蒸汽，验证了其移动性优势。

研究结论可归纳为三点：其一，在直接电加热蒸汽供应模式下，实验定量揭示了恒温储热条件下循环空气流量对传热过程和系统输出特性的影响规律，循环空气流量的变化通过改变单位体积空气在储热砖气流通道内的停留时间来影响空气单次循环吸热能力和整体传热性能，该规律可为直接供热场景中的运行参数匹配和输出功率快速调节提供直接的实验支撑。其二，在储热供热模式下，实验识别了稳定功率供应目标下全周期放热过程的动态特性，验证了自适应风量调节机制的稳定供能性能，系统能够稳定输出450 °C以上的过热蒸汽。其三，24 h内两个充放热循环实验表明，系统能够适应中国峰谷电价周期，稳定产生450 °C过热蒸汽，电热转换效率达到97.84%，经1500 km长途运输后可在目的地快速调试运行，展现了良好的移动性优势。