低气压环境下固体蓄热材料的蓄释热特性研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24071

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 1184-1191.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24071

• 储能 • 上一篇

低气压环境下固体蓄热材料的蓄释热特性研究

陈梦东¹, 康伟¹, 邓占锋¹, 赵文强², 雷国斌²

^1.北京智慧能源研究院，北京市昌平区 102209
^2.国网青海省电力公司电力科学研究院，青海省西宁市 810008

收稿日期:2024-07-15 修回日期:2024-10-13 出版日期:2025-12-31 发布日期:2025-12-25
通讯作者: 邓占锋
作者简介:陈梦东(1985)，男，博士，高级工程师，研究方向为固体储热技术和PEM制氢技术，buaacmd@163.com；
康伟(1983)，男，高级工程师，研究方向为储热装置，kangwei@bies.hrl.ac.cn；
邓占锋(1976)，男，教授级高级工程师，研究方向为储热技术和制氢技术，本文通信作者，dengzhanfeng@bise.hrl.ac.cn；
赵文强(1985)，男，高级工程师，主要研究方向为调相机运检、网源协调、综合能源等技术，zwqdt@126.com；
雷国斌(1988)，男，高级工程师，研究方向为电力工程技术，504415244@qq.com。
基金资助:
国网公司科技项目(5419-202134244A-0-0-00)

Research on Heat Storage and Release Characteristics of Solid Heat Storage Materials in Low-Pressure Environments

Mengdong CHEN¹, Wei KANG¹, Zhanfeng DENG¹, Wenqiang ZHAO², Guobin LEI²

^1.Beijing Institute of Smart Energy, Changping District, Beijing 102209, China
^2.State Grid Electric Power Company of Qinghai Province Electric Power Research Institute, Xining 810008, Qinghai Province, China

Received:2024-07-15 Revised:2024-10-13 Published:2025-12-31 Online:2025-12-25
Contact: Zhanfeng DENG
Supported by:
State Grid Corporation Technology Project(5419-202134244A-0-0-00)

摘要/Abstract

摘要：

目的在高海拔地区应用固体蓄热装置时，空气稀薄会导致其蓄热和释热性能有较大变化，为此，提出了一种测试固体蓄热材料在高海拔地区低气压环境下蓄释热特性的方法。方法搭建了由空气环路、水环路及数据采集单元组成的低气压环境模拟实验台，对2块蓄热砖组成的蓄热单元开展了压力范围为40~101 kPa的蓄热和释热实验，通过记录入口空气温度、蓄热砖的温度变化，分析低气压环境下蓄热材料的蓄热速率和释热速率，比较不同气压下空气与蓄热砖的传热性能。结果与101 kPa工况相比，80 kPa和40 kPa工况的蓄热时间均有明显增加，且空气压力越低，所需要的蓄热时间越长；同时，80 kPa和40 kPa的环境压力下蓄热砖的平均蓄热速率分别降低约15%和55%；释热时，80 kPa和40 kPa的释热时间分别增加了26.1%和135.4%。结论空气压力对蓄热砖的蓄热和释热速率均有重要影响，实验结果可为设计应用于高海拔地区的固体蓄热装置提供指导。

关键词: 可再生能源, 储能, 蓄热材料, 蓄热特性, 释热特性, 温度分布, 储热技术

Abstract:

Objectives When solid heat storage devices are applied in high-altitude areas, the thin air leads to significant variations in their heat storage and release performance. To address this, a method for testing the heat storage and release characteristics of solid heat storage materials in low-pressure environments in high-altitude areas is proposed. Methods A test bench for low-pressure environment simulation is constructed, consisting of an air loop unit, a water loop unit, and a data acquisition unit. Heat storage and release tests are conducted on a heat storage unit composed of two heat storage bricks under pressures ranging from 40 kPa to 101 kPa. By recording the inlet air temperature and the temperature variations of the heat storage bricks, the heat storage and release rates of the heat storage materials in low-pressure environments are analyzed, and the heat transfer performance between the air and heat storage bricks under different pressures is compared. Results Compared to the 101 kPa condition, the heat storage time increases significantly under both 80 kPa and 40 kPa conditions, with lower air pressure requiring longer heat storage time. Additionally, the average heat storage rates of the heat storage bricks at 80 kPa and 40 kPa decrease by approximately 15% and 55%, respectively. During heat release, the heat release time increases by 26.1% at 80 kPa and 135.4% at 40 kPa. Conclusions Air pressure significantly affects the heat storage and release rates of heat storage bricks, the experimental results can provide guidance for the design of solid heat storage devices applied in high-altitude areas.

Key words: renewable energy, energy storage, heat storage materials, heat storage characteristics, heat release characteristics, temperature distribution, heat storage technology

中图分类号:

TK 02

陈梦东, 康伟, 邓占锋, 赵文强, 雷国斌. 低气压环境下固体蓄热材料的蓄释热特性研究[J]. 发电技术, 2025, 46(6): 1184-1191.

Mengdong CHEN, Wei KANG, Zhanfeng DENG, Wenqiang ZHAO, Guobin LEI. Research on Heat Storage and Release Characteristics of Solid Heat Storage Materials in Low-Pressure Environments[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(6): 1184-1191.

图/表 12

图1 实验台测试原理及测点布置

Fig. 1 Test bench principle and test point arrangement

表1 实验仪表及精度

Tab. 1 Test instruments and their precision

序号	测量仪表	量程与精度
1	K型热电偶	测量温度范围：0~600 ℃ 精度：±1 ℃
2	空气流量计	流量范围：0~100 m³/h 精度：1.5级
3	真空计	绝对压力范围：0~1 bar 精度：1.5级
4	PT100热电阻	水温度范围：0~100 ℃ 精度：±0.5 ℃
5	水流量计	流量范围：0⁓1 m³/h 精度：±1.5%

图2 蓄热砖结构示意图

Fig. 2 Schematic diagram of heat storage brick structure

图3 实验台实物图

Fig. 3 Photos of test bench

表2 蓄热实验工况

Tab. 2 Operating conditions for heat storage tests

工况	压力/kPa	加热丝分阶段加热温度/℃	实验起始温度/℃
1	101	90~170~250	45
2	80	90~170~250	48
3	40	90~170~250	49
4	40	550	45

表3 释热实验工况

Tab. 3 Operating conditions for heat release tests

工况	压力/kPa	实验起始温度/℃	释热空气入口温度/℃
5	101	230	30
6	80	224	30
7	40	225	30
8	40	347	30
9	40	432	30

图4 蓄热模式下蓄热砖温度、蓄热功率及单位面积传热量的变化曲线

Fig. 4 Variation curves of heat storage brick temperature, heat storage capacity, and heat transfer per unit area over time in heat storge mode

图5 释热模式下蓄热砖温度的变化曲线

Fig. 5 Variation curve of heat storage brick temperature over time in heat release mode

图6 不同大气压下蓄热砖蓄热温度的变化曲线

Fig. 6 Variation curves of heat storage temperature under different atmospheric pressures

图7 不同大气压下各蓄热阶段平均蓄热功率对比

Fig. 7 Comparison of average heat storage capacities during various heat storage stages under different atmospheric pressures

图8 不同大气压下蓄热砖释热温度的变化曲线

Fig. 8 Variation curve of heat release temperature of heat storage brick temperature under different atmospheric pressures

图9 不同大气压下蓄热砖释热功率对比

Fig. 9 Comparison of heat release capaties of heat storage bricks under different atmospheric pressures

参考文献 21

[1]	李建林，张则栋，谭宇良，等．碳中和目标下储能发展前景综述[J]．电气时代，2022(1)：61-65．
	LI J L， ZHANG Z D， TAN Y L，et al ．Review of the development prospect of energy storage under the goal of carbon neutrality[J]．Electric Age，2022(1)：61-65．
[2]	张力菠，吴一锴，王群伟．考虑碳中和目标与成本优化的可再生能源大规模发展规划[J]．广东电力，2023，36(7)：31-39．
	ZHANG L B， WU Y K， WANG Q W ．Large-scale development of renewable energy in consideration of carbon neutrality and cost optimization[J]．Guangdong Electric Power，2023，36(7)：31-39．
[3]	杨洁，吴志强，范宏．基于实时电价的含储能可再生能源系统协同调度策略[J]．智慧电力，2023，51(4)：46-53． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2023.04.007
	YANG J， WU Z Q， FAN H ．Collaborative scheduling strategy for renewable energy systemswith energy storage based on real time price[J]．Smart Power，2023，51(4)：46-53． doi:10.3969/j.issn.1673-7598.2023.04.007
[4]	张雷，刘琦，赵晓丽，等．电力需求增长和负荷灵活性提升视角下的风光资源密集地区可再生能源消纳研究[J]．全球能源互联网，2024，7(4)：454-462．
	ZHANG L， LIU Q， ZHAO X L，et al ．Research on renewable energy penetration in wind and solar resource-intensive areas from the perspective of power demand growth and load flexibility enhancement[J]．Journal of Global Energy Interconnection，2024，7(4)：454-462．
[5]	李文升，刘晓明，曹永吉，等．考虑电力系统灵活性的网-储联合规划[J]．智慧电力，2023，51(4)：30-37．
	LI W S， LIU X M， CAO Y J，et al ．Joint planning of energy storage and transmission line considering power system flexibility[J]．Smart Power，2023，51(4)：30-37．
[6]	姜竹，邹博杨，丛琳，等．储热技术研究进展与展望[J]．储能科学与技术，2022，11(9)：2746-2771． doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0538
	JIANG Z， ZOU B Y， CONG L，et al ．Recent progress and outlook of thermal energy storage technologies[J]．Energy Storage Science and Technology，2022，11(9)：2746-2771． doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0538
[7]	KHARE S， DELL'AMICO M， KNIGHT C，et al ．Selection of materials for high temperature sensible energy storage[J]．Solar Energy Materials and Solar Cells，2013，115：114-122． doi:10.1016/j.solmat.2013.03.009
[8]	吴考阳．固体蓄热新型换热方式研究[D]．张家口：河北建筑工程学院，2021．
	WU K Y ．Research on new heat transfer mode of solid heat storage[D]．Zhangjiakou：Hebei University of Architecture，2021．
[9]	MAWIRE A， MCPHERSON M， VAN DEN HEETKAMP R R J，et al ．Simulated performance of storage materials for pebble bed thermal energy storage (TES) systems[J]．Applied Energy，2009，86(7/8)：1246-1252． doi:10.1016/j.apenergy.2008.09.009
[10]	MAWIRE A， MCPHERSON M ．Experimental characterisation of a thermal energy storage system using temperature and power controlled charging[J]．Renewable Energy，2008，33(4)：682-693． doi:10.1016/j.renene.2007.04.021
[11]	郑志伟，仇性启，祁风雷，等．蜂窝陶瓷蓄热体传热和阻力特性实验研究[J]．石油化工设备，2013，42(1)：9-13．
	ZHENG Z W， QIU X Q， QI F L，et al ．Experimental study of heat transfer and resistance characteristics on honeycomb ceramic regenerator[J]．Petro-Chemical Equipment，2013，42(1)：9-13．
[12]	XU G Z， HU X， LIAO Z R，et al ．Experimental and numerical study of an electrical thermal storage device for space heating[J]．Energies，2018，11(9)：2180． doi:10.3390/en11092180
[13]	陈梦东，章康，马美秀，等．基于Workbench的固体电蓄热装置换热通道参数优化[J]．热能动力工程，2023，38(10)：64-71．
	CHEN M D， ZHANG K， MA M X，et al ．Optimization of heat exchange channel parameters of solid electric heat storage device based on workbench[J]．Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2023，38(10)：64-71．
[14]	毕月虹，吴娟，鲁一涵．固体蓄热砖孔道结构参数对蓄/释热性能的影响[J]．北京工业大学学报，2022，48(5)：543-551．
	BI Y H， WU J， LU Y H ．Influence of pore structure parameters of solid thermal storage bricks on the heat storage/release performance[J]．Journal of Beijing University of Technology，2022，48(5)：543-551．
[15]	赵頔，王启民．基于ANSYS分析的蓄热砖蓄热特性数值模拟及实验研究[J]．沈阳工程学院学报(自然科学版)，2020，16(2)：34-38．
	ZHAO D， WANG Q M ．Numerical simulation and experimental study on thermal storage characteristics of thermal storage brick based on ANSYS analysis[J]．Journal of Shenyang Institute of Engineering (Natural Science)，2020，16(2)：34-38．
[16]	陈贶，刘鹏，刘大玮．谷电固体蓄热供暖方案的应用与分析[J]．有色冶金节能，2020，36(1)：41-44．
	CHEN K， LIU P， LIU D W ．Application and analysis of the heating scheme of valley electricity solid heat storage[J]．Energy Saving of Nonferrous Metallurgy，2020，36(1)：41-44．
[17]	李传，葛志伟，金翼，等．基于复合相变材料储热单元的储热特性[J]．储能科学与技术，2015，4(2)：169-175．
	LI C， GE Z W， JIN Y，et al ．Heat transfer behaviour of thermal energy storage components using composite phase change materials[J]．Energy Storage Science and Technology，2015，4(2)：169-175．
[18]	胡思科，周林林，邢姣娇．圆形和椭圆形孔道固体蓄热装置蓄放热特性模拟[J]．热力发电，2018，47(1)：38-45．
	HU S K， ZHOU L L， XING J J ．Simulation on heat discharge and heat storage performance of solid heat storage device with round and oval pore canals[J]．Thermal Power Generation，2018，47(1)：38-45．
[19]	赵思聪，刘云亮，朱瑞，等．固态储热装置温度场试验研究[J]．热能动力工程，2022，37(S1)：66-76．
	ZHAO S C， LIU Y L， ZHU R，et al ．Experimental study on temperature field of solid-state heat storage device[J]．Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2022，37(S1)：66-76．
[20]	孙德明，马昕霞，朱泊旭，等．多种固体蓄热装置放热特性的数值模拟研究[J]．上海电力大学学报，2022，38(3)：227-233．
	SUN D M， MA X X， ZHU B X，et al ．Numerical simulation study on heat dissipation characteristics of multiple solid regenerative devices[J]．Journal of Shanghai University of Electric Power，2022，38(3)：227-233．
[21]	邢作霞，赵海川，马士平，等．电制热固体储热装置关键参数设计研究和经济性评估[J]．储能科学与技术，2019，8(6)：1211-1216．
	XING Z X， ZHAO H C， MA S P，et al ．Study on key parameters design and economic evaluation of the electric heating and solid sensible heat thermal storage device[J]．Energy Storage Science and Technology，2019，8(6)：1211-1216．

低气压环境下固体蓄热材料的蓄释热特性研究

Research on Heat Storage and Release Characteristics of Solid Heat Storage Materials in Low-Pressure Environments

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

图/表 12

参考文献 21

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	王志康, 张儒琪, 袁少可, 韩东江, 隋军. 有机朗肯-蒸汽压缩循环系统研究进展[J]. 发电技术, 2025, 46(6): 1059-1073.
[2]	罗斌, 白小龙, 臧天磊, 黄燕, 张琳, 李萌, 张雪霞, 蒋永龙. 风光水互补发电系统研究综述[J]. 发电技术, 2025, 46(6): 1097-1111.
[3]	王曦, 陈心怡. 一种基于时序卷积网络-Transformer的海上风电功率预测方法[J]. 发电技术, 2025, 46(6): 1123-1132.
[4]	陈锋, 路小敏, 沈冰, 王军鹏. 基于消纳-保供博弈的分布式储能双层规划模型[J]. 发电技术, 2025, 46(6): 1133-1143.
[5]	张萍, 李永强, 杏华良. 基于变分模态分解的平抑风电波动混合储能容量优化配置[J]. 发电技术, 2025, 46(6): 1144-1153.
[6]	张效伟, 衣振晓, 王凯. 基于改进自适应蜜獾算法优化时间卷积网络的车载锂离子电池健康状态估计[J]. 发电技术, 2025, 46(6): 1154-1163.
[7]	张静姝, 刘倩, 姚晓乐, 徐超, 巨星. 应用于锂离子电池无源热管理与安全防护的水合盐复合相变材料[J]. 发电技术, 2025, 46(6): 1164-1175.
[8]	李建林, 彭禹宸, 王茜, 姜晓霞, 王垒. 锂离子电池建模研究现状与展望[J]. 发电技术, 2025, 46(5): 857-871.
[9]	邹博, 任建地, 许道明, 邓立生, 廖力达, 肖俊兵. 氯化物熔盐储热技术应用于新能源发电的研究进展[J]. 发电技术, 2025, 46(5): 872-884.
[10]	马宁, 赵攀, 刘艾杰, 许文盼, 王江峰. 纯氢补燃型和天然气补燃型压缩空气储能系统特性与㶲经济性对比[J]. 发电技术, 2025, 46(5): 885-896.
[11]	董福贵, 张伟. 考虑容量价值的独立新型储能电站运行策略优化研究[J]. 发电技术, 2025, 46(5): 897-908.
[12]	路诗梦, 孙建林, 曾凡杰, 林小杰, 吴均湛, 马添翼, 钟崴, 谢立坤, 谢伟. 零碳地热能综合利用技术研究进展[J]. 发电技术, 2025, 46(5): 909-922.
[13]	龙潇, 张晋宾, 陈令特. 未来能源技术展望[J]. 发电技术, 2025, 46(4): 651-693.
[14]	马浩然, 袁至, 王维庆, 李骥. 考虑数据中心和储能接入的主动配电网经济调度研究[J]. 发电技术, 2025, 46(4): 748-757.
[15]	王杰, 徐立军, 李笑竹, 樊小朝, 古丽扎提∙海拉提null, 王维庆. 计及灵活性不足风险的配电网智能软开关与多类型共享储能协调优化[J]. 发电技术, 2025, 46(4): 758-767.