1）高性能储热介质的筛选

对比于传统相变储热材料，液态金属和在储热方面都有着优越的性能，此外陶瓷颗粒内部疏松多孔的结构使得其具备良好的储热能力，弥补了液态金属热容量不高的弊端。因此本项目采用液态金属与陶瓷颗粒为储热材料，来进行高温储热系统的设计和优化研究。

选取储热材料优势如下：液态金属材料具有高导热系数、高潜热值，且这种材料所用装置简单、体积小、设计灵活、使用方便且易于管理。虽然液态金属的热容量相对低于硝酸盐/亚硝酸盐,不太适合用作热能储存介质,但主要优点是高导热率和高密度。与传统的熔盐储能相比,液态金属使用温度范围大(最高可达1000℃) ,化学稳定性好,温度上限对储能限制小,热导率和传热效果在同等条件下(300℃ )为熔盐的十倍,具有优越的储热能力。因此,采用液态金属及合金作为储能介质，能够代替传统的导热油、熔盐的介质。并且由于液态金属具有远高于非金属流体如水、空气乃至其他液体的热导率,因而将其作为传热流体时，可以加快热循环和余热回收的效率，并可以由较小的体积实现较好的散热效果,且不受安装位置限制。此外,采用不同的液态金属可以用于回收不同温度的余热,并且可以实现显热和潜热的同时回收。液态金属的导电性也决定了它可以采用无运动部件的电磁泵来驱动。而且，系统内液态金属进行封闭循环，不会对环境造成影响。

陶瓷材料具有耐高温性，这表明陶瓷材料突破一般储热材料只能应用于中低温的储热场合，拓宽了陶瓷材料的应用场合和前景。陶瓷具有非常强的化学稳定性，它不被大多数物质所溶解，也不易受到机械和化学作用的破坏，这说明在高温条件下，陶瓷能够很好的抵抗金属腐蚀。此外陶瓷材料的成本也相对低廉，使得其具备优良的经济效益。此外与熔盐等材料为介质的储热系统对比，陶瓷颗粒系统不会存在流体冻结的风险，因此不需要任何辅助加热措施，使得储热系统的能耗降低。

2)基于双介质储热系统模型的构建

该双介质储热模型通过模拟火电厂各种储热和放热过程进行构建，如燃烧过程中产生的高温废气进行余热储存，通过电加热棒对谷电进行利用，在夜晚利用谷电对储热罐进行充热，白天再释放热量，满足电厂储热/使用热能等过程。

储热装置如图1和图2所示，包括保温层4.1、储热罐体4.2、相变材料4.3、固体颗粒4.4、电加热棒4.5、U形换热管4.6。相变储热装置在实际工作环境中，由于自然散热效应，其储热/放热性能参数的测量会受到一定影响，此外升温过程中外壁温度极高，存在烫伤风险。因此，为了降低储热装置的热损失，并提升其使用安全性，需要在储热罐的四周和底部铺设隔热材料。为确保良好的隔热效果，在储热罐的四周、底部和顶部包裹了绝热毡，以确保全方位的隔热保护。

    

储热体的热源有两种途径，1是火电厂燃烧过程中产生的高温废气，高温废气通过进气管流过U形换热管，此时储热体吸热。将高温热废气中的热量吸收储存起来，换热后的废气从冷介质端排出，此时电加热棒无需通电工作。2是夜间时间段时内的谷电，当没有高温废气作为热源时，利用加热棒通电对储热体加热，储存热量，当需要用热时打开风机，将冷介质加热为热介质输出。

3)双介质储热系统实验研究及性能分析

在储热阶段、放热阶段和保温阶段分别对实验结果进行分析。通过改变液态金属与陶瓷颗粒的比例、空气流量的条件下，获得不同状况下的实验数据，并分析数据以获得最佳的储热性能的控制条件。对比以往相变储热实验结果，分析本项目双介质储热结果的优缺势。

1)储热材料发展

储热材料在整个储热系统中起着决定性的作用, 因此受到了国内外研究学者的广泛关注而成为当前材料和能源领域的研究热点。储热材料的作用机制主要包括两个阶段:一、能量的储存阶段;二、能量的释放阶段[1]。通过热能的储存和释放阶段的循环进行，利用储热材料就可以解决热能在需求与供应的时间和空间上的不协调性, 提高能源的利用率, 从而达到能源高效利用并节省能源的目的。储热材料按储热方式主要可分为:显热储热材料, 潜热储热 (相变) 材料和化学反应热储热材料。目前显热储热技术成熟、操作简单，仍是目前应用最广泛的储热方式之一。显热储热按照材料的物态可分为固态和液态。常见的固态相变材料包含混凝土、镁砖、鹅卵石等。常见的液态显热材料包括水、导热油、液态金属和熔盐等。其中水是低温应用领域中(<120 ℃)最常使用的显热材料。导热油、液态金属、熔盐等物质常常应用于中高温领域(>120 ℃) 。太阳能光热发电(CSP)系统中最早使用的高温液态显热储热材料以导热油为主，包括Caloria®和 Therminol VP-1® 。随着太阳能光热技术的发展，导热油难以满足更高的运行温度，这限制了郎肯(Rankine)循环发电效率，因此逐渐被熔融盐所取代[2]。目前国内外对混合熔融盐显热储热材料的研究主要采用同类酸根离子盐的混合.Radde等[3]研制开发了一种熔点在65摄氏度, 使用温度高达500摄氏度的新型五元混合硝酸盐.北京工业大学的马重芳课题组研制了130余种混合熔融盐配方, 其中一些产品性能优异, 熔点在100摄氏度左右, 使用温度高达600摄氏度。Peng等[4]通过在三元硝酸熔融盐基础上添加了多种添加剂从而显著提高了三元硝酸熔融盐的最高使用温度。

相变储热具有能量密度高、相变过程温度近似 恒定的优点[5-6]。目前，最常见的是固-液相变材料。根据相变材料的化学性质，可分为无机、有机及复合相变材料。无机相变材料包括熔融盐、水合盐、金属合金等。其中，水合盐比较适用于中低温储能，但相变时易出现过冷和相分离问题。金属合金比较适合中高温储能，但价格昂贵。熔融盐的价格经济，且具较大的储能密度。下图3列举了单一熔盐的相变温度和相变潜热[7]，可以看到单一熔融盐覆盖了广泛的温度区间和储热密度。然而，多数无机类相变材料都具有一定腐蚀性[8]。为了克服单一材料性能的不足，同时对材料进行封装，可通过制备复合相变材料使材料的整体性能满足应用的需求。其配制方法包括凝胶或增稠、物理共混法，多孔吸附法和微囊封装技术等。[9-12]

随着“双碳”计划的提出，绿色发展逐渐成为主流，而在工业生产中高温储能技术是推动碳中和目标下能源绿色转型、构建以新能源为主体的零碳电力系统的关键技术。在这样的时代背景下，新型高温储热技术也迎来了新的发展机遇。

2)储热系统和技术

热能存储技术可用于削峰填谷、克服新能源波动性、热管理、跨季节存储等。根据国际再生能源总署预测，热能(冷与热)存储装机量将于2030年(800 GWh)达到2019年(234 GWh)规模的3倍，热能存储装机量的提升将强化全球能源基础设施。根据工作区间的不同，热能存储技术可分为零下 (<0 ℃)、低温(0～100 ℃)、中温(100～500 ℃)以及高温(>500 ℃)。显热储热、相变储热、热化学储热和机械-热能储能等不同类型的储能方式和不同种类的储热材料也具有各自的工作温度区间范围，如下图所示。

热能储存主要技术种类

相变储热凭借近似恒温的储热过程在热管理领域中有广泛应用，例如数据机房、电动/燃油汽车、 建筑温控、冷链以及航天器等。2021 年通信基站和数据中心分别占全球总耗能的 4% 和 3%，而常规热管理系统的耗电分别约占通信基站和占数据中心用电量的 17.5% 和38%。基于相变储能的热管理系统可有效应对紧急失控情况、避免重要部件的损坏，同时可以调节峰谷电。

与热能储能技术相耦合的主要热管理技术

热化学储热技术目前主要应用于供暖和供冷，除此以外，热化学系统与新能源特别是太阳能的相结合也是一个重要的研究热点。PROMES 实验室安装了一种基于 BaCl2/NH3工作对的太阳能空调试验装置[16]。该装置由一个20 m2 的平板太阳能集热器提供热能，并能实现20 kWh的日制冷量。经过2年的实验运行表明，太阳能集热器的年平均效率和系统COP分别为0.4～0.5和0.3～0.4。

3）全球储热技术应用和市场

供热目前全球绝大部分(85%)的储热技术应用于区域供热系统以及建筑供热。显热储热是迄今为止最成熟和最广泛被商业应用的储热技术类型，尤其是水罐储热。目前，显热供热技术的应用主要集中在欧洲。以英国为例，截至2016年，英国家庭大约安装了180万个蓄热电暖器(固态储热)以及1100万个热水储罐供热系统(容积超过50 L)[17]。此外，全球大部分大型储热技术设施的装机主要来自北欧(尤其是丹麦、德国和瑞典)的区域供热系统。其中，太阳能区域供热 (solar districtheating，SDH)系统在欧洲供热部门的能源转型中发挥着重要作用。丹麦在太阳能区域供热系统的装机数量和容量上领先全球，70%以上的大型太阳能区域供热厂都在丹麦建造[18]。

供冷目前联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)预测全球的制冷需求将从2000年的300 TWh大幅增长至2100年的10000 TWh，约占到彼时全球电力总需求的一半[19]。储冷应用中，冰储冷已经成功商业化，而相变储冷大多还处于实验室规模的研究[20]。

目前随着全球越来越多国家承诺零碳排放，电力部门低碳转型以及不断提升电气化程度已经成为当前发展的大趋势。

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储热材料创新：高热导率的液态金属：高热导率的液态金属，可以加快热量的传输速度，提高系统的热能存储和释放效率。相变温度可调的陶瓷颗粒：通过选择或设计具有适宜相变温度的陶瓷颗粒，可以使得储热系统适应不同的应用场景和温度要求。热稳定性好的材料：在高温环境下，材料的热稳定性至关重要。选择具有良好热稳定性的材料可以保证系统在长期运行中性能不退化。化学兼容性：液态金属和陶瓷颗粒之间不应发生化学反应，以免影响系统的稳定性和寿命。低成本与可持续性：开发低成本且环境友好的材料是提高储热系统经济性和可持续性的关键。

新型双介质储热系统：该储热系统区别于传统储热系统模型，采用双介质储热材料，可以根据需求调整介质的比例，适应不同的工作温度和能量需求。并且不同于以往的熔盐类、复合金属等双介质储热系统，液态金属的热导率和传热效果在同等条件下（如300℃）为熔盐的十倍，具有出色的储热性能。液态金属的使用温度范围大，最高可达1000℃，适用于高温场合。此外通过合理设计和优化，可以降低建设和运营成本，提高整体经济效益。

首次系统开展实验研究：首次提出液态金属与陶瓷颗粒为储热介质的双介质储热模型，首次进行该方向上的实验研究和测试，并给出该方向上的相关研究成果。

实验装置系统如下图3和图4所示，实验中以冷空气作为工作介质。实验装置系统包括：冷介质输入端1、通风管2、热介质输出端3、储热装置4和数据采集系统5。

实验过程：冷介质输入端1包含有可调速风机，利用加热棒通电对储热体加热，储存热量，当需要时打开风机，将冷介质加热为热介质输出。冷介质输入端还有一种作用，针对电厂中产生的锅炉高温废气，不经过风机，直接从通风管进入储热体内部的U形换热管，高温热废气通过U形换热管时，储热体吸热。将高温热废气中的热量吸收储存起来，换热后的废气从冷介质端排出，当需要释放热量时，打开冷端风机，常温空气经过U形换热管吸热后，从热介质端输出。通风管2一端与冷介质输入端的风机出风口相连，通过储热装置4内部的U形换热管与换热介质输出端3的通风管相连。热介质端3在实验时设置有一个较大的半密封壳体，用来模拟热介质输出场合的空间并且减小实验室空气流动对测量数据的影响。数据采集系统5检测并记录储热体内部的2个测温点处温度随时间变化的曲线以及热介质输出端的温度变化情况。

本实验中使用的4个测温热电偶的位置布置如下图5和图6所示，其中测温热电偶1、2、3均在储热体模块，测温点1、2位于储热罐体的内部，测温点1靠近U形换热管，测温点2靠近电加热棒，设置测温点1和2能够看出储热体内部换热管附近和加热棒附近温度的变化情况，测温点3位于储热体外层的保温层，将探头插入保温层，能够看出储热罐体的保温效果，测温点4布置在热介质端的出风管内部，用来测量不同流速下出风口温度变化的情况。

    图5  储热体测温点分布图                                                          图6  输出端测温点图

拟解决的问题

在储热罐运行过程中，循环次数可能会对储热罐的运行性能与储热性能产生影响，故我们需要在相同条件下进行多次循环试验以保证实验的准确性。

罐内流体流速对储热与放热性能产生的影响。

在储、放热过程中初始介质温度对其运行性能的影响。

        预期成果

构建双介质储热模型仿真系统，可以对各项数据进行测量。

研究出双介质储热模型的大概运行性能及储热性能并对其进行简要分析。

发表高水平学术论文一篇，申请发明专利一项。