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填充床、移动床和流化床作为高温固态储热系统的核心换热器构型,直接影响着系统的传热传质性能、运行效率和投资成本。本报告系统研究了三种床型换热器的储热技术,从工作原理、传热机制、关键参数、应用场景、优缺点对比等维度进行了深入分析。研究表明,填充床结构简单、压降低,但传热系数较小(5-83 W/(m²·K)),适合小规模储热系统;移动床通过颗粒流动改善了传热性能(75-250 W/(m²·K))和温度均匀性,适用粒径范围较宽;流化床具有最高的传热系数(250-950 W/(m²·K))和最优的温度均匀性,适合高功率密度应用,但操作复杂、颗粒磨损问题突出。在材料粒径选择上,填充床适用1-100mm颗粒,移动床适用0.104-50mm颗粒,流化床要求颗粒粒径小于0.8mm。我国在流化床高温颗粒储热领域取得重要进展,MW级中试实现了650℃以上温域和48小时连续稳定运行。本报告最后分析了三种床型的技术挑战和发展趋势,为高温储热系统的工程选型和优化设计提供了科学依据。
关键词:填充床;移动床;流化床;换热器;高温储热;传热系数
1 引言1.1 研究背景高温固态储热技术是实现可再生能源大规模利用和工业深度脱碳的关键支撑技术。在该技术体系中,换热器作为连接储热介质与传热流体的核心设备,其性能直接决定了系统的储放热速率、温度均匀性和整体效率。根据固体颗粒的运动状态,储热换热器可分为填充床、移动床和流化床三大类,每一类都有其独特的工作原理、传热特性和适用场景。
随着我国“双碳”战略的深入推进,火电机组灵活性改造、工业余热回收、太阳能热发电等领域对高温储热技术的需求日益迫切。据统计,我国火电机组灵活性改造市场规模超过千亿元,其中储热技术是核心手段之一。在此背景下,系统研究三种床型换热器的储热技术,对于指导工程选型、优化系统设计、提升技术经济性具有重要意义。
1.2 三种床型换热器概述填充床换热器是最简单的构型,固体颗粒固定不动,传热流体通过颗粒间的空隙流动进行热量交换。这种结构具有可靠性高、维护简单的优点,但也存在传热系数低、温度分布不均匀的问题。
移动床换热器中,固体颗粒依靠重力缓慢向下流动,与传热流体形成逆流或并流换热。颗粒的运动改善了传热性能和温度均匀性,但增加了系统的复杂性和颗粒磨损风险。
流化床换热器利用高速流体使颗粒悬浮并剧烈运动,形成类似流体的状态,具有最高的传热效率和最优的温度均匀性,但操作条件苛刻,能耗较高。
1.3 报告框架本报告共分为六个部分。第1章引言阐述研究背景;第2章系统论述三种床型换热器的结构与工作原理;第3章分析传热传质机制;第4章探讨关键参数与性能优化;第5章介绍典型应用案例;第6章分析技术挑战与发展趋势。
2 三种床型换热器结构与工作原理2.1 填充床换热器2.1.1 结构特征填充床换热器由容器、固体颗粒填料和流体分布器三部分组成。固体颗粒被填充在容器内,形成固定床层,颗粒之间形成曲折的孔隙通道。传热流体从一端进入,流经颗粒间空隙,从另一端排出。根据流体流动方向,可分为轴向流动和径向流动两种形式。
轴向流动填充床是最常见的形式,流体沿床层轴向流动,结构简单,易于制造。径向流动填充床中,流体沿径向流动,流动路径较短,压降较小,适用于大流量工况。
2.1.2 工作原理填充床储热的工作过程分为充热和放热两个阶段。充热时,高温流体(如烟气、热空气)流经颗粒床层,将热量传递给颗粒,颗粒温度升高储存热能。放热时,低温流体流经床层,从高温颗粒吸收热量,温度升高后供给热用户。
填充床的传热过程包括:流体与颗粒表面的对流传热、颗粒内部的热传导、颗粒之间的接触传热以及颗粒与容器壁之间的传热。由于颗粒固定不动,传热主要依靠流体与颗粒表面的对流。
2.1.3 适用粒径范围填充床通常采用1-100mm的颗粒。研究表明,颗粒粒径越小,比表面积越大,传热性能越好,但流体流动阻力(压降)也越大。反之,颗粒粒径越大,压降减小,但传热效率降低。实际设计中需要在传热性能和压降之间寻求平衡。
2.2 移动床换热器2.2.1 结构特征移动床换热器的基本结构包括颗粒料仓、颗粒流动控制装置、换热管束或换热板、颗粒收集装置等。固体颗粒依靠重力从上向下缓慢流动,传热流体则根据需要采用并流或逆流方式与颗粒换热。
根据颗粒与流体的流动方向,移动床可分为逆流移动床和并流移动床。逆流移动床中,颗粒向下流动,流体向上流动,形成最大的传热温差,换热效率最高。并流移动床中,颗粒与流体同向流动,适合需要温和换热的场合。
2.2.2 工作原理移动床储热的工作过程为:高温颗粒从顶部进入床层,依靠重力向下缓慢移动,与向上流动的低温流体进行逆流换热,颗粒温度逐渐降低,流体温度逐渐升高。放热过程则相反,低温颗粒从顶部进入,与高温流体换热后温度升高。
与填充床相比,移动床中颗粒的连续运动带来了两个显著优势:一是颗粒不断更新,避免了局部过热或过冷;二是可以通过调节颗粒流速控制换热量,实现灵活运行。
2.2.3 适用粒径范围移动床适用的颗粒粒径范围为0.104-50mm。研究表明,颗粒粒径约4mm时,堆积密度和换热效率达到最优。粒径过小容易导致颗粒粘连和流动不畅,粒径过大则影响换热效果。
2.3 流化床换热器2.3.1 结构特征流化床换热器的核心部件包括布风板、风室、床层、换热管束和颗粒分离回收装置。气体通过布风板均匀进入床层,当气速达到临界流化速度时,颗粒被气流托起,形成流态化。流化床中颗粒呈现剧烈的无规则运动,床层表现出类似液体的流动特性。
根据气速的不同,流化床可分为散式流化床、鼓泡流化床、湍流流化床和循环流化床。对于储热应用,鼓泡流化床和循环流化床较为常见。
2.3.2 工作原理流化床储热利用高速气体使颗粒流态化,实现高效换热。充热时,高温气体进入床层,使颗粒流态化并迅速升温,颗粒储存热量。放热时,低温气体进入床层,从高温颗粒吸收热量后排出。
流化床的高效换热源于颗粒的剧烈运动。颗粒不断翻滚,使边界层不断更新,传热阻力大大降低。同时,颗粒的快速运动使床层温度分布非常均匀,避免了局部过热或过冷问题。
2.3.3 适用粒径范围流化床要求颗粒粒径不超过0.8mm,以确保良好的流化质量。粒径越小,流化所需的临界气速越低,但颗粒夹带和损失问题越突出。实际应用中常采用0.1-0.5mm的颗粒,既保证流化质量,又控制颗粒损失。
表1 三种床型换热器关键参数对比
| 参数 | 填充床 | 移动床 | 流化床 |
|---|---|---|---|
| 适用粒径(mm) | 1-100 | 0.104-50 | <0.8 |
| 最优粒径(mm) | 5-20 | 约4 | 0.1-0.5 |
| 传热系数(W/(m²·K)) | 5-83 | 75-250 | 250-950 |
| 压降 | 低-中 | 中 | 高 |
| 颗粒运动状态 | 静止 | 缓慢流动 | 剧烈流态化 |
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3 传热传质机制分析3.1 填充床传热机制填充床中的传热是一个复杂过程,涉及多种传热方式的耦合作用。
3.1.1 流体-颗粒对流传热流体与颗粒表面的对流传热是填充床最主要的传热方式。对流传热系数取决于流体的流速、物性以及颗粒的形状和尺寸。对于球形颗粒填充床,常用关联式有:
当Re < 100时:Nu = 2 + 1.1 Re^0.6 Pr^1/3
当Re > 100时:Nu = 0.6 Re^0.7 Pr^1/3
其中,Re为雷诺数,Pr为普朗特数,Nu为努塞尔数。
研究表明,填充床的传热系数一般在5-83 W/(m²·K)范围内,远低于流化床。这是填充床储热系统的主要限制因素。
3.1.2 颗粒内部热传导颗粒内部的热传导服从傅里叶定律。对于大颗粒,内部温度梯度不可忽略;对于小颗粒,可视为集总参数系统,内部温度均匀。热传导时间常数与颗粒直径的平方成正比,因此减小颗粒直径是提高传热速率最有效的措施。
3.1.3 颗粒间接触传热颗粒之间的接触传热取决于接触状态和接触面积。在高温条件下,辐射传热也发挥重要作用。填充床的有效热导率可表示为:
k_eff = k_g + k_c + k_r
其中,k_g为气体导热贡献,k_c为颗粒接触导热贡献,k_r为辐射传热贡献。当温度超过800℃时,辐射传热成为主导因素。
3.2 移动床传热机制移动床的传热机制与填充床相似,但颗粒的运动带来了额外的对流换热增强。
3.2.1 逆流换热特性移动床通常采用逆流换热方式,即颗粒向下运动,流体向上流动。这种配置可实现最大的传热温差,换热效率最高。在理想的逆流移动床中,温度分布沿着床层高度连续变化,颗粒温度从顶部到底部逐渐降低,流体温度从底部到顶部逐渐升高。
3.2.2 颗粒运动对传热的增强颗粒的缓慢运动对传热有多方面影响:首先,颗粒的不断更新消除了局部过热或过冷,使温度分布更加均匀;其次,颗粒的相对运动破坏了边界层,增加了对流换热系数;第三,颗粒的移动促进了接触点的热量传递。
移动床的传热系数可达75-250 W/(m²·K),显著高于填充床。研究表明,颗粒流速是影响传热系数的重要因素,适当提高颗粒流速可增强传热。
3.2.3 温度分布特征移动床中,温度分布呈现明显的分层特征。在床层顶部,新进入的颗粒与即将排出的流体接触,温差较小;在床层中部,颗粒与流体的温差适中,传热速率最大;在床层底部,颗粒即将排出,与进入的流体接触,温差最大。这种温度分布特性使得移动床非常适合需要精确温度控制的应用。
3.3 流化床传热机制流化床具有独特的传热特性,传热系数远高于其他床型。
3.3.1 颗粒-壁面传热流化床中颗粒与壁面的传热包括:颗粒与壁面的直接接触传热、气体与壁面的对流传热、以及颗粒对边界层的扰动作用。研究表明,流化床的壁面传热系数可达250-950 W/(m²·K),比固定床高一个数量级。
颗粒的剧烈运动使壁面边界层不断被破坏和更新,这是流化床高传热系数的根本原因。传热系数随气速的增加而增加,达到最大值后略有下降。
3.3.2 气固两相流与传热强化流化床中的气固两相流呈现复杂的流动结构。在鼓泡流化床中,气泡相和乳化相共存,气泡的上升和破裂促进了颗粒的混合和循环。在循环流化床中,颗粒被气流携带出床层,经分离后返回,形成强烈的内外循环。
这种复杂的两相流结构带来了优异的传热性能:颗粒的快速混合使床层温度高度均匀,温差可控制在几度以内;气固接触面积巨大,传热效率极高;换热管表面被颗粒不断冲刷,有效避免了积灰和结垢。
3.3.3 床层温度均匀性流化床最突出的优势之一是温度均匀性好。由于颗粒的剧烈运动和快速混合,床层内任何一点的温度都非常接近,即使有强烈的换热或化学反应,温度梯度也很小。这一特性对于储热系统尤为重要,避免了热应力和温度不均匀导致的性能衰减。
3.4 三种床型传热机制对比表2 三种床型传热机制对比
| 传热特性 | 填充床 | 移动床 | 流化床 |
|---|---|---|---|
| 主要传热方式 | 流体-颗粒对流 | 流体-颗粒对流+颗粒运动 | 气固两相流+边界层破坏 |
| 传热系数范围(W/(m²·K)) | 5-83 | 75-250 | 250-950 |
| 温度分布 | 不均匀,存在热点 | 分层分布 | 高度均匀 |
| 传热强化机制 | 减小粒径 | 调节颗粒流速 | 提高气速 |
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4 关键参数与性能优化4.1 粒径选择与优化粒径是影响三种床型性能的关键参数,其影响具有两面性。
填充床:粒径减小使比表面积增大,传热系数提高,但压降急剧增加。对于填充床,通常在传热性能和压降之间寻求平衡。研究表明,5-20mm的颗粒在填充床中具有较好的综合性能。
移动床:粒径对流动性和传热性能均有显著影响。粒径过小(<0.1mm)容易导致颗粒粘连和流动不畅;粒径过大(>50mm)则传热效率降低。4mm左右的颗粒在堆积密度和换热效率方面达到最优。
流化床:粒径直接影响流化质量和临界流化速度。粒径越小,临界流化速度越低,但颗粒夹带损失越严重。0.1-0.5mm的颗粒可保证良好的流化质量,同时控制颗粒损失在可接受范围内。
4.2 流动参数调控4.2.1 流体流速流体流速是影响传热系数和压降的核心参数。对于三种床型,流速的影响规律不同。
填充床中,传热系数随流速增加而增加,但增加速率逐渐减缓。高流速时压降急剧增加,限制了流速的上限。
移动床中,流体流速与颗粒流速的匹配至关重要。优化气固速度比可最大化传热效率。研究表明,适当的气固速度比(约10-20)可获得最佳换热效果。
流化床中,气速必须高于临界流化速度。随着气速增加,床层从散式流化过渡到鼓泡流化,再过渡到湍流流化,传热系数先增加后趋于稳定。
4.2.2 颗粒循环速率对于移动床和流化床,颗粒循环速率是可控的重要参数。
移动床中,增加颗粒流速可提高换热量,但颗粒流速过快可能导致换热不充分,降低热效率。优化颗粒流速应使颗粒与流体充分换热,出口温度接近设计值。
流化床中,颗粒循环速率决定了床层的物料更新速度。高循环速率有利于温度均匀和传热强化,但会增加颗粒磨损和系统能耗。
4.3 换热器几何结构设计4.3.1 高径比床层的高径比影响流体分布和换热效果。对于填充床和移动床,适当的高径比可保证充分的换热时间和均匀的流体分布。过大的高径比导致压降增加,过小则换热不充分。
典型设计中,填充床的高径比在2-5之间,移动床在3-8之间,流化床在1-3之间。
4.3.2 流体分布器设计流体分布器是保证流动均匀性的关键部件。分布器设计不当会导致偏流、沟流和死区,严重影响换热效率。
对于填充床,常用的分布器包括多孔板、喷嘴和环形分布器。对于移动床,需要同时考虑流体分布和颗粒流动的均匀性。对于流化床,布风板的设计直接影响流化质量和床层稳定性。
4.3.3 内构件优化在床层内部添加内构件可强化传热。常见的内构件包括挡板、翅片、换热管等。
挡板可引导流体流动路径,增加流体与颗粒的接触时间;翅片可扩大换热面积,提高传热系数;换热管可实现对床层的直接加热或冷却。研究表明,合理布置内构件可使传热系数提高20-50%。
4.4 操作参数优化策略表3 三种床型操作参数优化策略
| 参数 | 填充床 | 移动床 | 流化床 |
|---|---|---|---|
| 粒径优化 | 5-20mm | ~4mm | 0.1-0.5mm |
| 流速范围 | 低-中速 | 气固速度匹配 | 高于临界流化速度 |
| 高径比 | 2-5 | 3-8 | 1-3 |
| 温度范围 | 室温-1500℃ | 室温-1000℃ | 室温-900℃ |
| 关键优化目标 | 传热-压降平衡 | 气固速度匹配 | 流化质量 |
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5 工程应用案例分析5.1 填充床储热应用5.1.1 太阳能热发电储热系统填充床储热技术在太阳能热发电中已有多项应用。以西班牙Andasol电站为例,采用熔盐作为传热流体,储热材料为天然岩石,储热容量超过1000 MWhth。
该系统中,冷盐从冷罐抽出,经换热器加热后进入填充床储热模块,将热量储存在岩石中。需要放热时,冷盐流经填充床吸收热量,升温后用于发电。该系统实现了稳定的昼夜连续发电,年运行时间提高2000小时以上。
5.1.2 工业余热回收填充床储热技术在工业余热回收领域也有广泛应用。某钢铁厂采用填充床储热系统回收高炉渣余热,储热介质为耐火砖,工作温度800℃,储热容量50 MWhth。系统年回收热量相当于节省标准煤5000吨,减排CO₂ 1.3万吨。
5.1.3 技术特点填充床储热系统结构简单、投资低、可靠性高,适合大规模应用。但传热系数低、温度分布不均匀的问题限制了其在变工况条件下的应用。
5.2 移动床储热应用5.2.1 颗粒加热器移动床颗粒加热器是移动床储热系统的典型应用。德国DLR开发了移动床颗粒加热器,用于太阳能热发电系统。颗粒从顶部进入,依靠重力向下流动,与聚焦的太阳能辐射换热,温度可达800℃以上。
该系统的特点是颗粒与换热表面接触充分,传热效率高,且可通过调节颗粒流速控制出口温度。中试系统已实现连续稳定运行超过1000小时。
5.2.2 热化学储热系统移动床在热化学储热系统中也有应用。瑞士ETH Zurich开发了基于Ca(OH)₂/CaO体系的移动床热化学储热系统,颗粒在移动床反应器中进行水合/脱水反应,实现热能的储存和释放。
该系统的优势是能够处理较宽的颗粒尺寸分布,且颗粒流动可控。研究表明,移动床反应器中的传热传质性能优于固定床反应器。
5.2.3 技术特点移动床储热系统兼具填充床的简单性和流化床的高效性,特别适合中等功率密度的应用。但颗粒流动的均匀性控制是技术难点,需要精密的颗粒流动控制装置。
5.3 流化床储热应用5.3.1 中国科学院流态化储热中试中国科学院工程热物理研究所在流化床高温固体颗粒储热领域取得了重要进展。研究团队提出了一种流化态高温固体颗粒储放热技术,以廉价固体颗粒作为高温储热介质,基于循环床的强蓄热能力与分级流态化高效换热优势,形成了一种新型储放热工艺。
中试试验中,系统实现了48小时连续稳定运行,固体颗粒储热温域超过650℃,传热系数显著高于传统床型。研究团队揭示了固体颗粒的输运调节机制,确定了典型工况下的最优气固质量比,阐明了换热器的流动阻力特性与温度响应规律。
5.3.2 鄂尔多斯“沙子热力电池”2025年,清华大学与鄂尔多斯实验室联合研发的“MWh级高温固体颗粒储热装置”中试成功。该装置采用流态化技术,以沙子等固体颗粒为储热介质,最高工作温度达1500℃。
该项目在技术路线和工程实践上都取得了重要突破。系统采用电磁感应加热、氮气传热、颗粒储热的技术路线,实现了600-1500℃全温域的贯通。相较于传统熔盐储热,该技术储热能力提高3倍以上,成本降低2/3。
5.3.3 技术特点流化床储热系统传热效率最高、温度均匀性最好,适合高功率密度应用。但系统复杂、能耗较高、颗粒磨损问题突出,需要权衡效率与可靠性。
表4 典型床型储热工程应用案例
| 项目/机构 | 床型 | 储热介质 | 工作温度 | 储热容量 | 技术特点 |
|---|---|---|---|---|---|
| Andasol电站 | 填充床 | 岩石 | ~400℃ | >1000 MWhth | 大规模应用 |
| 德国DLR | 移动床 | 陶瓷颗粒 | 800℃ | 1 MWhth | 颗粒加热器 |
| 中国科学院工热所 | 流化床 | 固体颗粒 | >650℃ | MW级 | 流态化技术 |
| 鄂尔多斯“沙子热力电池” | 流化床 | 沙子 | 1500℃ | MWh级 | 超高温储热 |
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6 技术挑战与发展趋势6.1 关键技术挑战6.1.1 传热性能限制填充床的传热系数较低,是制约其发展的主要瓶颈。在需要快速充放热的场景中,填充床往往难以满足要求。尽管可以通过减小颗粒粒径来提高传热系数,但会导致压降急剧增加,形成两难选择。
移动床的传热性能优于填充床,但受限于颗粒流速和换热时间。如何在保证换热效率的同时提高单位体积的换热量,是移动床研究的重要课题。
流化床的传热性能最优,但高传热系数往往伴随着高能耗和颗粒磨损。在追求高效传热的同时控制能量消耗和材料损耗,是流化床技术面临的挑战。
6.1.2 流动均匀性控制对于移动床,颗粒流动的均匀性是影响性能的关键因素。由于壁面效应和颗粒物性的变化,移动床中可能出现“死区”和“优先流”现象,导致部分区域换热不充分。
对于流化床,气泡的形成和运动可能导致气固接触不均匀,形成“节涌”和“沟流”现象。布风板的设计和操作参数的优化是保证流化质量的关键。
6.1.3 颗粒磨损与粉尘问题颗粒在流动和流化过程中会发生磨损,产生粉尘。粉尘不仅影响传热性能,还可能导致管路堵塞和设备磨损。对于流化床,粉尘夹带和分离回收是必须解决的技术难题。
研究表明,颗粒的磨损速率与颗粒硬度、形状、气速和碰撞频率有关。通过选择高硬度颗粒、优化操作参数和采用耐磨材料,可有效降低磨损。
6.1.4 高温稳定性与热应力在高温条件下,材料的热膨胀、热疲劳和热应力问题突出。频繁的充放热循环可能导致储热材料开裂、粉化,换热设备产生热疲劳损伤。
针对高温应用,需要选择热稳定性好的储热材料,设计合理的温度控制策略,避免温度剧烈波动和热冲击。
6.2 未来发展趋势6.2.1 复合床型技术单一的床型难以满足所有应用需求,复合床型技术是未来的发展方向。例如,将填充床与移动床结合,在填充区域实现高效储热,在移动区域实现灵活出热;或将流化床与移动床结合,利用流化床的高效换热和移动床的稳定流动。
6.2.2 智能化控制随着传感技术和人工智能的发展,储热系统的智能化控制成为可能。通过在线监测温度分布、颗粒流速、流体流量等参数,结合数字孪生模型,实现系统的优化运行和故障预警。
6.2.3 超高温应用拓展超高温储热(>1000℃)是未来的重要发展方向,可满足钢铁、水泥、化工等高温工业用热需求。鄂尔多斯“沙子热力电池”已实现1500℃的工作温度,为超高温储热提供了成功范例。
超高温条件下,辐射传热成为主导,材料选择更加苛刻,系统设计需要综合考虑热力学、传热学和材料科学的协同优化。
6.2.4 规模化与标准化随着储热技术的成熟,规模化应用和标准化设计成为必然趋势。通过建立统一的性能评价标准和设计规范,降低系统成本,提高可靠性,推动储热技术的产业化发展。
7 结论本报告系统研究了填充床、移动床和流化床三种换热器储热技术,主要结论如下:
(1)三种床型在结构、原理和性能上各有特点。填充床结构简单、压降低,但传热系数低(5-83 W/(m²·K));移动床通过颗粒流动改善传热(75-250 W/(m²·K))和温度均匀性;流化床传热系数最高(250-950 W/(m²·K)),温度均匀性最优,但系统复杂。
(2)粒径选择是影响床型性能的关键参数。填充床适用1-100mm颗粒,移动床适用0.104-50mm颗粒,流化床要求颗粒粒径小于0.8mm。4mm左右的颗粒在移动床中综合性能最优。
(3)我国在流化床高温颗粒储热领域取得重要进展。中国科学院工热所MW级中试实现650℃以上温域和48小时连续运行;鄂尔多斯“沙子热力电池”实现1500℃超高温储热,为工业高温用能提供了新范式。
(4)三种床型面临不同的技术挑战:填充床传热受限,移动床流动均匀性难控,流化床颗粒磨损和粉尘问题突出。未来发展方向包括复合床型技术、智能化控制、超高温应用拓展和规模化标准化。
高温固态储热技术正处于从示范向产业化加速转化的关键时期。根据应用场景选择合适的床型,并持续进行技术创新和优化,将有力推动储热技术在能源转型和工业脱碳中发挥重要作用。
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