汪德良，张 纯，杨 玉，张 磊，白文刚，李红智，姚明宇

基于太阳能光热发电的热化学储能体系研究进展

汪德良，张 纯，杨 玉，张 磊，白文刚，李红智，姚明宇

（西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

太阳能光热发电对缓解化石能源的紧张和减少碳排放具有深远的意义，大规模高温储热是太阳能光热发电的关键，热化学储能由于储能密度高等优势在太阳能光热发电领域具有广阔的应用前景。本文综述了热化学储能的基本原理和特点，详细介绍了几种有前景的热化学储能体系及其研究现状，其中包括金属氢化物储能体系、碳酸盐储能体系、氢氧化物储能体系、金属氧化物储能体系等，并总结了各种储能体系现存的问题。最后，针对热化学储能存在的问题，指出了未来热化学储能的研究方向。

太阳能；光热发电；储能；储热；热化学储能；研究进展

随着社会经济的发展，人们对电力的需求与日俱增。我国目前电力主要依赖于火力发电，以燃煤为主的火力发电会向大气中排放大量的粉尘、氮氧化物、硫氧化物和重金属等污染物和二氧化碳等温室气体，给生态环境带来严重危害[1]。太阳能是太阳内部发生核聚变释放出的能量，利用太阳能发电可以减少煤炭、石油和天然气等化石能源的使用，减少污染物的排放。太阳能发电主要有2种形式：一种是光伏发电，利用半导体电子元器件的光生伏特效应，将吸收太阳光辐射能直接转化为电能；一种是光热发电，通过太阳能加热水或者其他工质将太阳辐射能转换为热能再转化为电能。太阳能发电因具有来源广、运行费用低、不污染环境等优点而受到广泛关注，通过太阳能发电的大规模应用，可以降低我国能源消费结构中化石能源的比重，改善能源结构。

1 储能和热化学储能

太阳能具有间歇性和不稳定，难以持续稳定供应。单纯的太阳能光热发电在广泛应用前仍有许多问题亟待解决，其中实现太阳能高效、稳定和大规模的储存，保证持续稳定供给是太阳能光热发电技术的关键。根据热量存储原理的不同，可以将储能系统分为显热储能、潜热储能和热化学储能3种类型[2]。3种储能系统的特点和对比见表1[3-4]。显热储能是通过储能介质温度的变化实现能量的存储，加热储能介质提高其温度，从而将热能储存其中，主要的储能介质有高温混凝土、高温熔盐等。显热储能是目前太阳能热发电领域技术成熟度最高、应用最广泛的储能形式，是主流的太阳能热发电储能技术[1]。潜热储能主要是通过储能介质发生相变吸收和释放能量实现能量的存储和释放，主要的储能介质有熔盐和金属相变材料[1,3]。热化学储能主要是基于一种可逆的热化学反应，通过可逆反应的吸热和放热进行能量的存储和释放[1,3]，其化学反应通式为

C+DH↔A+B (1)

在热化学储能过程中，热量通过正反应即吸热反应存储起来，并通过逆反应即放热反应释放。在吸热阶段，反应物C吸收热能后发生分解，转化为产物A和B；在放热阶段，产物A和B作为反应物混合后发生反应，转化为产物C，同时释放出热量，反应物和反应产物都可以在环境温度或者工作温度下存储[3]。

表1 储能系统的特点与对比

Tab.1 Characteristics and comparison of the thermal energy storage systems

由表1可以看出，热化学储能具有以下优势：1）储能密度高，热化学储能密度比显热储能密度高1个数量级；2）热化学储能可以在环境温度下进行，由于没有热损失，储能周期理论上无限长；3）可以长距离运输。相对于显热储能和潜热储能，具有上述优势的热化学储能成为太阳能转化和存储极有前景的形式，可以实现热能的持续供应，保证太阳能光热电站的连续稳定运行[3]。

2 热化学储能体系

目前的热化学储能体系中主要有金属氢化物储能体系、碳酸盐储能体系、氢氧化物储能体系、金属氧化物储能体系、氨储能体系和有机物储能体系等，中高温热化学储能体系分类和代表性反应物如图1所示[4]。

图1 中高温热化学储能体系分类和代表性反应物

表2为常见热化学储能体系的性能与反应温度比较。目前国内外对于热化学储能体系的研究主要集中在储能材料的改性与优化，包括在储能材料中掺入不同的添加剂改善储能材料的循环性能、储能系统的设计、反应器设计等方面；除实验研究以外，基于计算机的数值模拟也被用于热化学储能体系研究，建立了多种传热传质模型并进行了模拟计算。

表2 常见的热化学储能体系的性能与反应温度比较

Tab.2 Performance and reaction temperature of common thermochemical energy storage systems

2.1 金属氢化物储能体系

金属氢化物的储能原理是利用某些金属具有与氢气发生反应的能力，在合适的温度和压力条件下，金属与氢气反应生成金属氢化物，同时放出大量的热[1]；在合适的温度和压力条件下，金属氢化物受热分解，吸收大量的热，释放出氢气[1]。反应通式为

MH+DHr↔M+/2H2(2)

式中M表示某种金属。

典型的金属氢化物储能系统[2]如图2所示，该储能系统主要由高温蓄热反应器、低温储氢反应器和氢气阀等部分组成，其中高温蓄热反应器中填充高温金属氢化物，即在氢气压力一定时，热化学反应平衡温度较高的金属氢化物；在低温储氢反应器中填充的是低温金属氢化物，即在氢气压力一定时，热化学反应平衡温度较低的金属氢化物。

图2 金属氢化物储能系统示意

太阳光热发电在光照充足时，多余的热量进入高温蓄热反应器，高温金属氢化物受热后发生分解反应，释放出氢气，氢气通过氢气阀进入低温储氢反应器中，与低温储氢材料发生化合反应，氢气被储存在低温储氢反应器中[3]；当太阳光照不足或没有太阳光照时，使用低温热源加热低温储氢反应器中的低温金属氢化物，低温金属氢化物受热发生分解反应，释放出氢气，氢气通过氢气阀回到高温蓄热反应器中，与高温金属氢化物发生化合反应，释放出大量的热[3]。目前推荐的高温储氢材料有LiH、MgH2、CaH2、TiH2等。其中MgH2由于储氢密度较高、反应可逆性较好，成为热化学储能中比较有前景的储能材料。MgH2的反应温度为250~500 ℃,反应方程式为

MgH2+∆Hr↔Mg+H2∆Hr=75 kJ/mol (3)

在不同的金属氢化物储能体系方面，Reiser等人[5]研究了Mg、Mg-Fe、Mg-Co、Mg-Ni等多种金属氢化物的储能性能，发现Mg-Fe储能体系和Mg-Co储能体系的解离平衡压力比单一金属Mg储能体系更低，在运行条件上更具有应用前途。

在金属氢化物的添加剂方面，Kumar等人[6]研究了不同形态的Nb2O5对Mg/MgH2储能体系氢化和脱氢动力学的影响。结果表明，Nb2O5是Mg/MgH2储能体系的合适催化剂，介孔非晶态Nb2O5对氢化和脱氢动力学有显著改善；XPS分析表明，MgH2掺杂Nb2O5后脱氢制得的Mg-NbO复合材料中，NbO均匀分布在镁表面，掺杂NbO的镁表面显著降低了氢离解过程的活化能，导致加氢反应动力学加快。Kumar等人[7]还研究了V2O5对Mg/MgH2储能体系氢化和脱氢动力学的影响，结果表明MgH2掺杂V2O5后脱氢制得的纳米Mg-V复合材料，钒元素均匀的分布在镁的表面，显著降低了氢解离的活化能，使得该材料在较低温度下表现出较快的加氢脱氢动力学。

在金属氢化物储能体系的模拟计算方面，Aswin等人基于热力学第一定律和第二定律对金属氢化物反应储能体系进行理论研究，指出反应体系中氢的物质的量和氢气压力以及氢气温度存在函数关系，为以后金属氢化物储能体系的热力学计算指明方法[8]。Wang等人[9]对Mg/MgH2热化学蓄热反应器放热过程进行数值研究，结果表明，反应器的传热流体存在最佳温度，此外，孔隙率是影响放热过程的一个重要因素，降低孔隙率可以提高材料的瞬时放热功率，提高材料的储能密度，但是由于填充量和传热的影响，会增加反应时间。Mellouli等人[10]建立了高温金属氢化物Mg2FeH6与低温金属氢化物Na3AlH6耦合的二维传热传质数学模型，并通过编程模拟循环，论证了该系统的技术可行性，并对该系统进行了性能评估，结果表明，该系统可以回收96%的太阳能。Nyamsi等人[11]利用热力学第一定律，对金属氢化物储能系统进行了详细的建模和分析，从储能密度和储能效率两方面对4种传统的金属氢化物LaNi5、Mg、Mg2Ni和Mg2FeH6性能进行比较，详细研究和讨论了温度、氢气压力和传热流体流量等对上述性能指标的影响。

2.2 碳酸盐储能体系

碳酸盐的储能原理是利用某些碳酸盐受热发生分解这一特性。在合适的温度和压力条件下，碳酸盐吸收热量分解生成金属氧化物，释放出二氧化碳，之后金属氧化物和二氧化碳发生化合反应，重新生成碳酸盐，吸收大量的热。反应通式为

MCO3+∆Hr↔MO+CO2(4)

碳酸盐储能体系储能密度高、无副反应、产物容易分离、原料成本低廉，在太阳能光热发电方面有广阔的应用前景。目前研究的热点集中在CaCO3/CaO储能体系和PbCO3/PbO储能体系，其反应式分别为：

CaCO3+∆Hr↔CaO+CO2∆Hr=178 kJ/mol (5)

PbCO3+∆Hr↔PbO+CO2∆Hr=88 kJ/mol (6)

在碳酸盐储能体系及其储能系统的研究方面，Andre等人[12]用热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)研究了BaCO3、CaCO3和SrCO3的分解反应及其金属氧化物的碳酸化反应，并测定了上述碳酸盐的反应焓，此外还研究了添加MgO等对提高这3种碳酸盐热稳定性的影响。结果表明，在连续储能循环中，添加MgO后的热稳定性变好，尤其添加MgO的SrCO3/SrO储能体系表现出显著的热稳定性，在一定程度上抑制了材料烧结，可使该体系在无显著性能损失的情况下进行连续的完全煅烧和碳酸化循环。Chen等人[13]采用热重分析和差示扫描量热法研究了SiO2掺杂碳酸钙的热力学、动力学和循环稳定性。结果表明：SiO2对蓄热能力有轻微的负面影响，但是放热量有所增加，并且比热容提高了20%；在循环稳定性方面，由于晶界迁移阻力的增加，SiO2掺杂CaCO3的循环稳定性提高了28%。Benitez-Guerrero等人[14]研究了聚光太阳能热发电厂中石灰石、大理石等天然碳酸钙矿物在热化学储能中的多次循环性能。尽管这些矿物成分相似，几乎均为纯碳酸钙，但由于粒径和微观结构的差异，它们的多次循环性能显著不同。研究结果表明，循环过程中，孔道堵塞是制约材料多次循环活性的主要因素。Han等人[15]对CaO/CaCO3蓄热循环进行了模拟实验，表征了以碳酸钙纳米颗粒和抗氧化石墨纳米薄片为原料合成的新型复合材料的热化学性能，研究了负载的石墨纳米薄片对复合材料热化学行为的影响。在H3BO3溶液中浸渍可显著提高石墨纳米薄片的抗氧化性能，从而提高该新型复合材料在蓄热/放热过程中的稳定性。实验结果表明新型复合材料的热输入速率随石墨纳米薄片质量分数的增加而增加，这是由于复合材料具有适宜的孔结构和较高的热传导率。此外，石墨纳米薄片的存在增强了纯碳酸钙的循环稳定性。Kato等人[16]通过整合CaO/CO2和PbO/CO2等2个储能体系，建立了一个CaO/PbO/CO2的复合系统，如图3所示。该系统由2个反应器组成，主要的运行方式包括能量存储模式和能量输出模式。

图3 CaO/PbO/CO2热化学反应储能系统原理

在碳酸盐储能体系反应器方面，Meier等人[17]采用塔式太阳能集热方式，设计了一个10 kW的太阳能回转窑煅烧反应器，利用该反应器煅烧CaCO3/CaO储能体系，并稳定运行超过100 h。在碳酸盐储能体系模拟计算方面，Edwards等人[18]通过分析CaCO3/CaO循环的传热平衡模型，表明CaO的活性、碳酸化的压力和温度是该装置运行的关键参数，此外还建立了一个包括太阳能煅烧炉和加压流化床碳酸盐炉在内的开放式布雷顿循环燃气轮机模型，模型计算结果表明，CaO活性在15%~40%之间时，发电效率可达40%~50%。

2.3 氢氧化物储能体系

氢氧化物储能体系是利用氢氧化物分解和与水进行化合反应时的热效应进行能量的存储和释放[3]。已知的用于储能的氢氧化物储能体系包括Mg(OH)2/MgO、Ca(OH)2/CaO和Ba(OH)2/BaO等，目前研究较多的是Mg(OH)2/MgO储能体系和Ca(OH)2/CaO储能体系，其反应式分别为：

Mg(OH)2+∆Hr↔MgO+H2O ∆Hr=81 kJ/mol (7)

Ca(OH)2+∆Hr↔CaO+H2O ∆Hr=104 kJ/mol (8)

式中Ca(OH)2/CaO储能体系的反应温度为410~550 ℃。

Ca(OH)2脱水反应温度较高，适用于储存高温热能，Ca(OH)2/CaO储能体系热化学储能系统如 图4所示。

图4 Ca(OH)2/CaO储能体系热化学储能示意

该体系储能密度大，能量的储存和释放速度快，Ca(OH)2和CaO安全无毒、价格低廉。但是由于氢氧化物储能体系中的反应物特别容易聚集 和烧结，会造成反应物床层的传热性能变差，降 低反应物活性，这是氢氧化物储能体系要解决的一个问题[1]。

Ca(OH)2在热化学储能和能量释放循环过程中会发生团聚效应，并产生不均匀性，导致床层特性的永久性变化，严重影响传质与传热，可以通过在Ca(OH)2中加入添加剂，减小颗粒团聚的吸引力。Roßkopf等人[19]在中试规模的热化学储能反应器中，在Ca(OH)2中添加了名为Aerosil的添加剂，并研究了该添加剂在储能和能量释放循环过程中的副反应、表面稳定性和不同涂层结构。研究结果表明，由于该添加剂的加入，在储能和能量释放循环过程中会发生副反应，使得Ca(OH)2结构更加稳定，阻止了Ca(OH)2的团聚，反应器床层的性能可以得到很大的改善。Kariya等人[20]利用蛭石多孔性及化学稳定性好的优点将其作为Ca(OH)2的添加剂，采用浸渍法制备了由Ca(OH)2和蛭石组成的复合材料，然后用热重分析对复合材料的反应性能进行研究。结果表明，与原Ca(OH)2相比，添加蛭石后形成的复合材料在重复多次的水合和脱水试验中具有良好的蒸汽扩散率，蛭石的添加促进了Ca(OH)2的脱水和水合。Kariya等人[21]还利用多孔碳化硅孔隙率高及化学稳定性好等优点，在Ca(OH)2中掺杂了碳化硅颗粒作为添加剂组成新的复合材料，并利用热重分析对该材料进行研究，结果表明，碳化硅的加入改善了蒸汽在该材料中的扩散。Shkatulov等人[22]用不同的盐对Ca(OH)2和Mg(OH)2进行改性，研究了碱金属氯化物、硝酸盐、硫酸盐和醋酸盐等对Ca(OH)2和Mg(OH)2脱水动力学的影响，结果表明，碱金属硝酸盐和醋酸盐对Ca(OH)2和Mg(OH)2的脱水率有很大影响，少量的KNO3和LiNO3也能显著降低Ca(OH)2和Mg(OH)2的脱水温度。

在Ca(OH)2/CaO储能体系反应器设计方面，Linder等人[23]设计了一个含有约20 kg的Ca(OH)2反应器，并搭建了试验台用于储能试验，并用开发的模拟计算工具对实验结果进行分析。在反应器能量释放过程中，模拟计算结果与实验结果保持良好的一致性，同时也表明该试验装置和操作方式会导致一定的热损失。Criado等人[24]研究了以Ca(OH)2/ CaO储能体系为核心的大型固体料仓耦合循环流化床反应器的热化学储能过程，通过求解进料和出料过程中的质量和能量平衡，计算得到料仓体积和流化床反应器的特征尺寸，并分析了输出热功率为100 MW案例的基本过程集成方案，证明了所提出的工艺在技术上是可行的。

2.4 金属氧化物储能体系

金属氧化物储能体系使用多价态金属氧化物。高价金属氧化物在高温下吸热分解，生成低价金属氧化物；低价金属氧化物与氧气发生氧化反应，释放出热量。金属氧化物储能体系利用不同价态的金属氧化物间的相互转化，实现太阳能的存储和释放。化学反应通式为

MO(y+z)+∆Hr↔MO+/2O2(9)

反应温度通常在600~1 000 ℃，特别适用于高温热能存储。金属氧化物的氧化还原反应热效应大，该体系具有较大的储能密度和较高的操作温度，是太阳能光热发电领域热化学储能比较有前景的方法之一[1]。目前比较有前途的金属氧化物储能体系包括Co3O4/CoO、Mn3O4/MnO、Fe2O3/FeO和CuO/Cu2O等，其中Co3O4/CoO储能体系具有很高的储能密度和优异的动力学性能，是目前研究的热点。Co3O4/CoO的反应式为

2Co3O4+∆Hr↔6CoO+O2∆Hr=205 kJ/mol (10)

该反应温度为700~850 ℃。

Müller等人[25]利用原位X射线衍射方法研究了不同条件下Co3O4、MnO2和PbO2的氧化还原反应，并结合热重分析法和差示扫描量热法对3种不同的氧化物Co3O4、MnO2和PbO2的可逆氧化还原性能、不同气氛下的反应性能以及高温下热化学储能的性能进行了研究。结果表明：Co3O4和Mn2O3/Mn3O4的氧化还原反应是完全可逆的，PbO2在氧化还原过程中许多中间相都未观察到任何可逆性；氧气浓度对Mn2O3储能体系的影响最为明显，显著影响氧化还原温度，而对于Co3O4储能体系，氧气浓度对于该体系的影响为中等。Singh等人[26]将Co3O4/CoO储能体系涂敷在堇青石蜂窝结构上，研究了该体系的氧化还原循环性能，并建立了一个热化学储能反应器传热传质和化学反应的二维轴对称数值模型，并利用安装在Jülich试验装置上的热容量为74 kW·h反应器的试验结果验证了该数值模型，研究结果表明，所建立的数值模型能够准确预测储能反应器储能和释放能量的性能。Nekokar等人[27]研究了Co3O4/CoO储能体系不同的机械活化时间（1、2、4、8、16 h）对于该体系储能性能的影响，结果表明，随着机械活化时间的延长，一个氧化还原循环过程后，颗粒的烧结和生长速度加快。机械活化降低了还原过程的起始温度，而提高了再氧化过程的起始温度。对未机械活化的样品和1 h机械活化的样品的循环氧化还原性能比较，结果表明机械活化减弱了该体系的循环氧化还原性能。

2.5 氨储能体系

氨储能体系是利用合成氨和氨分解时的热效应进行能量的存储和释放。目前工业上普遍采用的合成氨技术是德国化学家哈伯提出的工业氨合成方法，即“循环法”，经过一百多年的发展，合成氨工艺已经十分成熟。氨储能体系的反应式为

2NH3+∆Hr↔N2+3H2∆Hr=66.5 kJ/mol (11)

该反应温度范围为400~700 ℃，压力为1.0~ 3.0 MPa，正反应和逆反应都需要催化剂。采用氨基热化学储能系统的太阳能热发电系统如图5所示。

图5 采用氨基热化学储能系统的太阳能热发电系统

龙新峰等[28-29]根据氨基热化学储能原理，建立了合成氨放热反应器的数学模型，在一定的设计压力和氢氮比条件下，考察了进气温度和进气流量对放热反应的影响，计算结果表明，合成氨反应器的热释放速率和温度受各种操作条件和结构参数的影响，在进行合成氨反应器的优化设计时，可以通过采用热分析和㶲分析来确定合适的操作条件[28]。Chen等人[30]采用管内蒸汽、壳内填充铁催化剂多孔床的方法，设计制造了同轴套管合成氨反应器，并在实验室中首次使用氨合成反应器将蒸汽加热到足够高的温度，该反应器实现了在约26 MPa下将超临界蒸汽从约350 ℃加热到约650 ℃；并提出一个模拟氨合成反应器中超临界蒸汽加热的模型，该模型是一个二维、稳态、非均匀、填充床反应器计算模型。模拟计算结果表明，该模型温度分布与反应器的实验结果一致。利用该模型进行灵敏度分析，研究6个输入参数对燃气和蒸汽温度分布的影响。结果表明，该反应器的传热能力有限，对活化能最敏感，对进口氨的质量分数也很敏感。提高传热性能和降低入口氨质量分数是提高反应器单位燃气流量下加热高参数蒸汽能力的关键。Chen等人[31-33]还对合成氨系统的设计与优化、利用氨基热化学储能系统生产高温蒸汽或超临界二氧化碳的可行性和氨合成反应器的热回收等进行了模拟计算研究。

2.6 有机物储能体系

有机物储能体系通过对有机物进行高温裂解、重整以及气化的方式达到能量存储的目的。其中，甲烷（CH4）在自然界分布广泛，是最简单的有机物，也是化学工业的基础原料。其热化学重整反应的反应热很高，是提高烃类化合物热值的基础反应，也是目前工业上技术成熟的制氢储能方法。根据反应物的不同，CH4热化学重整体系可以分为CH4/CO2干态重整和CH4/H2O蒸汽重整反应，其反应式分别为：

CH4+CO2+∆Hr↔2CO+2H2∆Hr=247 kJ/mol (12)

CH4+H2O+∆Hr↔CO+3H2∆Hr=206 kJ/mol (13)

图6为基于CH4/CO2重整反应的热化学储能系统[34]。

图6 基于CH4/CO2重整反应的热化学储能系统

在CH4重整反应研究方面，陈源等[35]研究了固定床反应器内CH4/CO2重整反应的热化学储能过程，揭示了加热温度、反应物流量和CH4/CO2摩尔比等参数对于热化学储能过程的影响机制。试验结果表明：提高加热温度能够提高CH4转化率和热化学储能效率；随着反应物流量的增加，CH4转化率降低，热化学储能效率先增加后减小存在极大值；提高反应器入口二氧化碳含量有利于提高CH4转化率，但会导致热化学储能效率降低。

在CH4重整反应催化剂研究方面，杜娟等[36]通过等体积浸渍法，制备了Pt-Ru/γ-Al2O3催化剂，在石英管固定床反应器中对该催化剂进行活性和稳定性测试，并利用热重和透射电子显微镜进行表征。实验结果表明，该催化剂具有良好的催化效率及优越的稳定性，在800 ℃下能连续运行500 h。通过建立二维固定床数值模型分析了反应器内的温度场、流场与组分场分布，模拟结果表明，建立的数值模型与实验值吻合较好，能较好地反映固定床反应器内的传热传质与组分分布特性。Zhang等人[37]研究了微波辐射下铁/碳化硅催化剂上CH4/CO2重整反应全过程，并利用质谱和傅立叶转移红外光谱对反应过程进行了实时分析，研究了微波功率对反应气体组成、反应物转化率和产物选择性的影响。结合扫描电镜、X射线衍射、BET和热重分析发现，催化剂活性没有明显降低，碳沉积量可以忽略不计。试验结果表明，廉价的铁基催化剂在微波辐射下具有良好的催化活性和稳定性，具有广阔的应用前景。Zhang等人[38]研究了金属氧化物对CH4重整催化剂NiO/MO-Ce0.5Zr0.5O2（M指Mg、La和Ca）促进作用，采用浸渍法制备了一系列NiO/Ce0.5Zr0.5O2和NiO/MO-Ce0.5Zr0.5O2催化剂。加入助剂后，NiO/MO-Ce0.5Zr0.5O2的催化活性和稳定性明显高于NiO/Ce0.5Zr0.5O2，质量分数为8%NiO/ 4%MgO-Ce0.5Zr0.5O2在800 C下，CH4水蒸气重整反应的CH4转化率最高，达97%以上，并且稳定性最高，连续稳定性试验50 h后未见明显失活。

在CH4重整模拟计算方面，Lu等人[39]对管式填充床反应器中CH4/CO2重整的传热和热化学性能进行实验和数值研究，实验结果表明，操作温度、CH4流量和摩尔分数对热化学储能过程有显著影响。利用层流有限速率模型和阿累尼乌斯方程对管式填充床反应器内CH4重整过程进行进一步的模拟，模拟结果与实验数据吻合较好。李威等[40]对CH4重整储能反应过程中积碳效应进行了模拟与分析，建立了CH4裂解反应的二维非稳态数学模型，利用商用软件Comsol Multiphysics将质量、动量、化学反应等多物理场进行耦合计算和分析，模拟其在小型管式反应器内的裂解反应，模拟计算结果表明，CH4重整反应与积碳效应是互相伴随的，积碳使催化剂孔隙率逐渐降低而失活，在消除或减少积碳的过程中重整反应也受到一定程度的影响。

3 总结与展望

目前，热化学储能体系大多数处在实验室研究阶段，仅有部分在中试规模的试验台上进行了研究和验证，太阳能光热电站尚未有商业化的热化学储能体系得到应用。热化学储能体系在实际应用中存在着许多技术难题，如部分储能体系循环寿命较短；部分储能体系的反应物对设备的腐蚀性较大，不宜长时间储存等。为了尽快实现热化学储能商业化应用，应该在以下几个方面进行重点研究：

1）合适的储能体系，主要包括储能材料腐蚀性小，热化学反应的可逆性好，副反应少，操作条件适宜；

2）合适的添加剂，储能材料的添加剂主要是可以改善储能材料的循环性能、传热性能，延长储能体系的寿命；

3）储能反应器、释放能量反应器和换热器的设计和建模，主要包括储能过程和释放能量过程中传热过程的优化；

4）储能反应器、释放能量反应器的中试放大研究，主要包括反应器中储能和释放能量的过程模拟和反应器的放大；

5）热化学储能式太阳能光热发电系统的优化，主要包括对系统进行建模和优化、提高能量利用效率等。

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Research progress of thermochemical energy storage system based on solar thermal power generation

WANG Deliang, ZHANG Chun, YANG Yu, ZHANG Lei, BAI Wengang, LI Hongzhi, YAO Mingyu

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

The solar thermal power generation is of great significance to alleviate the shortage of fossil energy and reducing carbon emissions, while large-scale high-temperature thermal storage is the key to solar thermal power generation. Thermochemical energy storage has broad application prospects in the field of solar thermal power generation due to its high energy storage density. In this paper, the basic principles and characteristics of thermochemical energy storage are reviewed. Several promising thermochemical energy storage systems and their research status are introduced in this paper, including metal hydride energy storage system, carbonate energy storage system, hydroxide energy storage system and metal oxide energy storage system. The existing problems of various energy storage systems are also summarized. Finally, the future research direction of thermochemical energy storage is also pointed out based on the existing problems.

solar energy, solar thermal power generation, energy storage, thermal energy storage, thermochemical energy storage, research progress

TK519；TM615

A

10.19666/j.rlfd.201904079

汪德良, 张纯, 杨玉, 等. 基于太阳能光热发电的热化学储能体系研究进展[J]. 热力发电, 2019, 48(7): 1-9. WANG Deliang, ZHANG Chun, YANG Yu, et al. Research progress of thermochemical energy storage system based on solar thermal power generation[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 1-9.

2019-04-14

国家自然科学基金项目(51706181, 51806172)；国家重点研发计划项目(2018YFB1501004)；中国华能集团有限公司总部科技项目(HNKJ15-H07)；西安热工研究院有限公司研究开发基金(ZD-18-TYK13)

Supported by：National Natural Science Foundation of China (51706181, 51806172); National Key Research and Development Program (2018YFB1501 004); Science and Technology Project of China Huaneng Group Co., Ltd. (HNKJ15-H07); Research and Development Foundation of Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd. (ZD-18-TYK13)

汪德良(1965—)，男，硕士，正高级工程师，西安热工研究院有限公司副总经理（副院长），中国电机工程学会火电专委会新能源学组组长，主要研究方向为发电厂工程技术，wangdeliang@tpri.com.cn。

（责任编辑 杜亚勤）