《Next Energy》：Cyclic performance of high-temperature magnetite rock bed thermal energy storage: An experimental study
编辑推荐：
本研究针对高温岩基储热（RTES）领域，系统地开展了磁铁矿填充床在循环充放电条件下的实验性能评估，以解决当前实验数据匮乏、基础传质现象演变不明确等核心问题。研究人员构建了实验室规模的卧式磁铁矿RTES系统，在500℃/50℃的充放电温度下，考察了1、2、4次循环（总时长8小时）对温度演化、传热速率、热效率及能量指数的影响。结果表明，系统总体上表现出稳定的循环行为，随着时间推移趋于稳态，且热回收率逐渐提高，最高可达约89.87%。这为磁铁矿作为高密度、高稳定性储热介质在工业高温储热（如CSP、工业废热回收）中的应用提供了关键的实验依据和性能基准。
随着全球对可再生能源集成和工业脱碳需求的日益增长，可靠、经济的大规模储热技术成为关键。在多种储热技术中，基于岩石的显热储热（RTES）因其材料成本低廉、系统结构简单、寿命长等优势，尤其适合高温应用场景。然而，尽管前景广阔，但针对特定高性能储热材料（如磁铁矿）在真实、多次循环工况下的实验研究仍然有限，系统性能与内部基础传质现象之间的关联也缺乏深入理解。这就像我们知道一块电池容量很大，却不清楚它在反复充放电时内部的化学反应如何变化、效率如何衰减。为了填补这一空白，并为下一代高性能工业储热系统设计提供扎实的数据支撑，来自加拿大舍布鲁克大学的研究团队展开了一项创新的实验研究，成果发表在《Next Energy》期刊上。
研究人员主要采用了实验室规模实验、激光闪光分析（LFA）与差示扫描量热法（DSC）材料表征、以及不确定性分析等关键技术方法。他们自主搭建了一套卧式圆柱形RTES实验台，以平均粒径8毫米的磁铁矿颗粒为储热介质，空气作为传热流体（HTF）。通过布置多个K型热电偶传感器，实时监测床层内不同位置的温度变化。研究设定了总时长为8小时的实验，并比较了三种不同的充/放电周期模式：4小时充/4小时放（1循环）、2小时充/2小时放（2循环）和1小时充/1小时放（4循环），充放电入口温度分别固定为500℃和50℃。通过对温度演化、传热速率、热效率、热能指数和归一化热能等多个参数的分析，系统评估了系统的储热能力和循环稳定性。
研究结果
3.1. 评估RTES容量
研究人员首先进行了长达8.7小时的连续充电测试，以评估系统的最大储热潜力。结果显示，系统表现出典型的热分层行为：靠近热空气入口的传感器升温更快，而远离入口的传感器升温较慢。在充电结束时，床层内仍存在显著的温度梯度。通过计算，系统在8小时充电过程中储存的总热能约为10.41 kWh（37.5 MJ），证明了其可观的储热能力。
3.2. 循环充/放电
本章节深入分析了系统在多次循环下的热行为。
3.2.1. RTES中的温度分层
在不同循环模式下，温度分布图清晰显示了热波在充放电过程中的前进和后退。在1循环模式中，充电4小时后，最近端（Sensor 1）与最远端（Sensor 7）的温差达到约158.4°C。在4循环模式中，随着循环次数的增加，各传感器在充电阶段达到的峰值温度略有上升，特别是远离充电入口的传感器，其温度增长百分比更高，这主要是由于循环初始温度逐步升高所致。对相邻传感器间温差的分析进一步揭示，系统在靠近充电入口处（Sensor 1与Sensor 2之间）存在最大的温度梯度，且该梯度随时间呈下降趋势，表明热量正逐渐向床层更深处传递。
3.2.2. 充/放电过程中的储存/释放能量
通过对传热速率积分，研究人员量化了每个充放电循环中储存和释放的热能。关键发现包括：在1循环模式下，放电过程释放的热能约为充电过程储存热能的89.87%（即热回收率）。在2循环模式下，第二个充电循环储存的热能比第一个循环少约21.04%，而第二个放电循环释放的热能比第一个循环低约13.98%；有趣的是，第二个循环的热回收率（92.43%）高于第一个循环（84.84%）。在4循环模式下，第二、三、四个充电循环储存的热能分别比第一个循环少约7.69%、13.36%和14.98%；然而，在放电侧，第四个循环释放的热能比前三个循环反而更多。这些数据共同表明，尽管每个充电循环储存的热能可能因系统初始状态变热而减少，但系统的放电效率在提升，热回收率总体呈上升趋势，系统正逐渐向一个更高效的稳态运行。
3.2.3. 无量纲传输参数的演变
研究进一步分析了颗粒雷诺数（Rep）、努塞尔数（Nu）和普朗特数（Pr）等关键无量纲参数在循环过程中的瞬态演变。结果表明，在高温下，流体密度和粘度的变化导致流动状态逐渐从惯性主导区向粘性主导区转变。同时，由于空气导热系数随温度升高而增加，Nu数在充电过程中上升，增强了流体与固体颗粒之间的对流传热。这些发现从传热传质基本原理层面解释了系统性能随循环演化的内在机理。
3.2.4. 热效率与热能指数
通过对热效率和归一化热能的分析，研究评估了系统的能量性能。总体而言，系统表现出稳健的充电能力和稳步提升的放电效率。尽管在循环初期存在热损失，但随着系统运行，其循环行为趋于稳定。
研究结论与意义
本实验研究通过对磁铁矿基RTES系统进行多循环充放电测试，得出了明确结论：该系统在高温（500℃）循环工况下能够达到稳定状态，并且热回收百分比随着时间推移逐渐增加。这意味着系统在多次使用后，性能不会显著衰减，反而能更有效地释放储存的热量。研究创新性地将系统宏观性能（如储热量、效率）与微观传输参数（如Re, Nu数）的瞬态演化直接关联，揭示了高温下流体与固体特性变化对热传递模式的影响机制，为理解和优化高溫RTES系统提供了新的视角。
这项工作的意义在于，它首次对卧式磁铁矿RTES进行了全面、系统的实验性能评估，提供了宝贵的实验数据，填补了该领域的知识空白。研究证实了磁铁矿作为一种高密度、高导热性、高热稳定性的天然材料，是高温工业储热应用的优异候选介质。所建立的实验方法和分析框架可为未来大规模RTES系统的设计、性能预测和运行优化提供 validated benchmark（验证基准），从而推动低成本、高效率储热技术的发展，助力可再生能源整合和工业过程脱碳。
