综述:熔盐电加热用于热能储存:技术、传热强化及应用综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》:Molten salt electric heating for thermal energy storage: A review of technologies, heat transfer enhancement, and applications

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月06日 来源:RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS 18.0

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   摘要高渗透率可再生能源并网对电网稳定性提出了挑战。熔盐储热技术具有可扩展性和与传统热力系统的良好兼容性,是提升电力系统灵活性的前景方案。熔盐被广泛用作高温热储能介质和传热流体,而熔盐电加热器(MSEH)则为大规模灵活负荷调节提供了技术途径。本文系统综述了电阻式、感应式和电极式

  

摘要

高渗透率可再生能源并网对电网稳定性提出了挑战。熔盐储热技术具有可扩展性和与传统热力系统的良好兼容性,是提升电力系统灵活性的前景方案。熔盐被广泛用作高温热储能介质和传热流体,而熔盐电加热器(MSEH)则为大规模灵活负荷调节提供了技术途径。本文系统综述了电阻式、感应式和电极式MSEH的最新研究进展,涵盖其工作原理、结构构型、传热强化策略、加热性能及工程应用。已报道的应用表明,MSEH已实现兆瓦级运行,代表性单台容量分别为电阻式5 MW、感应式10 MW和电极式11.25 MW,对应电压等级分别为0.69 kV、10 kV和0.69 kV。此外,本文进一步探讨了多物理场耦合、加热性能、长期可靠性、系统集成与控制以及经济可行性等方面的问题,突出了MSEH未来发展的研究与工程考量。本综述的研究成果为下一代大规模储能和电力系统灵活运行中MSEH的结构优化、性能评估及工程应用提供了有价值的指导。

引言

随着可再生能源渗透率不断提高,电力系统正加速从以化石燃料为基础的框架向以风电和光伏等可再生能源为主导的低碳电力供应结构转变[[1], [2], [3]]。然而,风能和太阳能的输出强烈依赖于气象条件,表现出显著的间歇性、随机性和波动性[[4], [5], [6]]。在高渗透率条件下并网将对电力系统的灵活性和稳定性构成重大挑战[7,8]。
储能技术在缓解可再生能源输出的不确定性和波动性方面发挥着关键作用[[9], [10], [11]],并通过在时间维度上重新分配能量来平衡电力供需[[12], [13], [14]]。电力系统中常见的储能技术包括飞轮储能[15]、抽水蓄能[16]、压缩空气储能[17]、电化学储能[18]以及热储能(TES)[[19], [20], [21], [22]]。在这些技术中,飞轮储能主要适用于快速响应和频率调节。相比之下,高可再生能源渗透率下的负荷调节需要具有大容量、经济可行性和数小时及以上运行时长的储能方案[[23], [24], [25]]。在此背景下,热储能技术具有成本低、技术成熟、与传统热力系统兼容性好等潜在优势[[26], [27], [28], [29], [30]]。在中高温范围内,熔盐通常表现出优异的热物理性质,如高热容和相对较低的黏度,使其成为热储能系统中优良的热储能介质和传热流体(HTF)。因此,基于熔盐的热储能技术受到了广泛关注[31]。
熔盐在热储能系统中通常用作显热储能介质和传热流体,通过宽工作范围内的温度变化来储存和释放能量[21]。除了在热储能系统中作为显热储能介质和传热流体的作用外,熔盐还可用作相变材料(PCM)进行静止潜热储存[32]。在熔盐热储能系统中,熔盐的加热方式可分为太阳能热加热[33]、高温流体加热[34,35]和电加热[36]。对于不同的能源利用场景,太阳能热加热主要适用于太阳能资源丰富的聚光太阳能(CSP)电站。高温流体加热和电加热均可应用于CSP系统升级、工业过程供热和火电厂耦合,但后者直接以电力作为能量输入,因此与电力调节的耦合更加紧密。在大规模可再生能源并网背景下,电热储能(ETES)以电力作为输入载体,吸收被削减的风电和太阳能电力,满足现代电力系统的灵活性需求[36]。
熔盐ETES系统的典型配置如图1所示。其运行通常涉及电转热转换、热储能和热转电转换,其中熔盐电加热器(MSEH)将电网电力转化为高温热能进行储存和后续利用[37]。除图1所示的双罐熔盐储能配置外,针对熔盐ETES系统还提出了单罐配置[[38], [39], [40], [41]]。在ETES系统中,熔盐的运行特性直接受电能与热能之间转换过程的支配。因此,作为将电能转化为熔盐高温热能的核心设备,电加热装置在很大程度上决定了系统的功率水平、温度分布和运行安全性。这些特性影响熔盐ETES在波动可再生能源电力输入下的动态响应能力及其支持灵活稳定能量输出的能力。因此,设备级的加热行为为评估MSEH在大规模储能中系统级作用提供了重要依据。
目前,MSEH主要包括三种电加热方式,即电阻加热、感应加热和电极加热。这三种类型的MSEH在加热机制、传热路径和功率调节方面存在显著差异。随着MSEH越来越多地被考虑用于工程应用,这些技术之间在系统规模、电压等级和技术成熟度方面的差异也需要进一步澄清。然而,现有研究仍然较为有限,主要集中在单一加热方法、局部结构优化或特定运行条件上。这凸显了系统比较不同类型MSEH的需求。本文综述了三种典型MSEH的工作原理、关键技术、加热性能和工程应用,旨在为其在大规模储能和可再生能源并网中的进一步应用提供参考。
本综述的框架如图2所示。第2节介绍MSEH的分类,并从电源调节、流道设计和熔盐性质角度总结传热强化策略。第3节讨论MSEH的加热性能,重点分析温度分布特性、流动与传热特性以及冷启动特性。第4节介绍MSEH在工程实践中的应用现状与展望。最后,第5节讨论MSEH面临的关键挑战和未来研究方向。

章节摘要

传热强化策略

本节首先对MSEH的电阻式、感应式和电极式加热技术进行分类,并比较其基本特性。随后在以下小节中,从电源调节、流道设计和熔盐性质三个方面综述相关的强化策略。

MSEH的加热性能

在MSEH中,加热性能与能源利用效率、设备安全裕度和长期运行稳定性直接相关。现有研究主要集中在温度分布特性、流动与传热特性以及冷启动特性三个方面。温度分布特性主要关注最高温度水平和温度均匀性等指标,反映局部过热的风险。流动与传热

工程应用

前几节从电源调节、流道设计和熔盐性质三个方面综述了旨在提升MSEH加热性能的各类技术(第2.2–2.4节)。此外,还从温度分布特性、流动与传热特性以及冷启动特性等方面总结了现有MSEH研究的进展。然而,在实际工程应用中,MSEH需要满足

挑战与展望

前面对加热机制、强化策略、加热性能和工程应用的比较表明,MSEH在文献研究和示范应用方面均已取得进展,但由于多物理场耦合机制、加热性能、可靠性、系统集成与控制以及经济可行性等方面仍存在挑战,其大规模部署仍需要进一步发展。
多物理场耦合机制需要进一步

结论

在高可再生能源渗透率和向低碳电力系统转型的背景下,MSEH为大规模灵活负荷调节提供了技术途径。基于对加热机制、强化策略、加热性能和工程应用的比较,本综述的主要结论如下。
MSEH可分为电阻式、感应式和电极式加热器。电阻式加热器的研究和应用最为成熟

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢煤专项重大研究计划(2024ZD1700300)的支持。
王佳伟|许金亮|雷钰川|董新宇|王燕|项品诚|王帅|罗坤
浙江大学清洁能源利用国家重点实验室,浙江 杭州,310027,中国
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