新型儲能技術領域系列評價性綜述工作新型儲能技術進展與挑戰II：物理儲能與儲熱技術

摘 要：新型儲能技術日益成為中國建設新型能源體系和新型電力系統的關鍵技術，已成為中國經濟發展的新動能，將在促進可再生能源消納、實現能源體系轉型、提高能源利用效率、減少環境污染等方面發揮重要作用，相關技術研究也在快速發展。開展了該領域的系列評價性綜述工作，分為電化學儲能技術、物理儲能與儲熱技術、儲能集成與規劃3個部分，對各類新型儲能技術的應用領域、最新研究進展及局限性等問題進行了全面系統的對比分析，并進一步探討了儲能集成、安全、規劃調度等儲能系統相關領域面臨的挑戰及發展趨勢。第2部分為物理儲能與儲熱技術，重點對物理儲能與儲熱技術中的壓縮空氣儲能、飛輪儲能、重力儲能、相變儲熱、熱化學儲熱和卡諾電池技術與工程的相關成果進行了綜合分析與討論。總體而言，物理儲能和儲熱技術大多具有使用壽命長、安全性高的特點，且在能量轉化過程中自身多具有轉動慣量，屬于電網支撐型的儲能技術，可滿足從大規模長時儲能到高功率快速響應的不同需求。在新興的物理儲能和儲熱技術中，重力儲能和卡諾電池的相關技術顯示出良好的發展前景。

關鍵詞：儲能技術；物理儲能；壓縮空氣儲能；飛輪儲能；重力儲能；相變儲熱；熱化學儲熱；卡諾電池

中圖分類號：TK02 文獻標志碼：A

0" 引言

全面系統地對比分析各種儲能技術的應用領域、技術特性、技術成熟度、挑戰和局限性具有重大意義，有助于明確新型儲能技術未來主要的發展方向，為從事儲能技術研究攻關的科研工作者提供參考與借鑒。基于此，本工作開展新型儲能技術領域的系列評價性綜述，以新型儲能技術的現狀、發展和面臨的挑戰為主線，重點分為電化學儲能技術、物理儲能與儲熱技術、儲能集成和規劃3個部分，對新型儲能技術領域發展的熱點問題等進行綜述與討論。新型儲能技術發展迅速，其市場份額從2019年的不足8%上升至2023年的超過30%。其中，物理儲能和儲熱技術以熔鹽儲熱、壓縮空氣儲能和飛輪儲能為代表，各自市場份額占新型儲能技術市場份額的比重分別為3.0%、0.9%和0.2%[1]。本文為該系列論文的第2部分——物理儲能與儲熱技術，主要針對壓縮空氣儲能、飛輪儲能、重力儲能、相變儲熱、熱化學儲熱和卡諾電池的應用領域、最新研究進展及局限性等問題進行討論。

1）在物理儲能技術方面：壓縮空氣儲能（CAES）技術近年來取得了顯著的進步，在中國，該技術的商業化項目正在快速推進，比如：張家口100 MW先進壓縮空氣儲能示范項目的成功并網，標志著壓縮空氣儲能技術正逐步進入商業化應用階段[2]。飛輪儲能技術因具有功率密度大、使用壽命長和響應速度快的優點，特別適用于電力系統的頻率調節和短時能量平衡。近年來，真空環境和磁懸浮軸承技術的應用大幅減少了摩擦損失和能量消耗，進一步提升了儲能效率[3]。重力儲能技術作為一種新興的儲能方式，具有環保、安全、可靠等優點，針對該技術的研究重點主要集中在系統設計優化、材料選擇和施工技術等方面，以提高儲能效率和降低成本。

2）在儲熱技術方面：隨著新型相變材料（PCM）（例如：有機相變材料、納米復合相變材料等）的研發，相變材料的儲熱密度、熱穩定性和循環性能均得到顯著提升[4]，相變儲熱技術在太陽能利用、建筑節能、電力調峰等領域的應用也日益廣泛。熱化學儲熱技術具有能量密度高、儲能時間長等優點，近年來，隨著新型熱化學儲熱材料（例如：金屬氧化物、氫氧化物等）的開發、熱化學儲熱系統的集成，以及反應器的優化，熱化學儲熱技術的儲能效率和穩定性均得到提高[5]，在太陽能熱發電、工業過程熱管理等領域獲得應用。卡諾電池技術結合了熱力循環和儲熱技術，是一種新型的大規模儲能系統，具有更高的理論儲能效率和靈活性。隨著熱力循環技術的優化和儲熱材料的改進，卡諾電池的儲能效率和經濟性均得到了提升[6]，其在電網調峰、冷熱電聯供等領域具有廣闊的應用前景。

1" 物理儲能技術

1.1" 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能技術是利用壓縮空氣存儲能量的物理儲能技術，具有容量大、安全性高、使用壽命長的特點，是一種可與抽水蓄能相媲美的大規模長時儲能技術[7]。由于傳統的非補燃式壓縮空氣儲能技術存在依賴化石能源燃燒及儲能效率低等問題，近年來，絕熱壓縮空氣儲能技術、等溫壓縮空氣儲能技術和液化壓縮空氣儲能技術等先進壓縮空氣儲能技術引起了廣泛研究[8-9]。其中，絕熱壓縮空氣儲能技術的發展最為成熟，目前已達到300 MW級的電站示范階段，系統設計額定效率達到了72.1%[10]；液化壓縮空氣儲能技術目前處于10 MW級的電站示范階段；等溫壓縮空氣儲能技術目前處于1 MW級的試驗示范階段。

當前，眾多研究主要集中在構建壓縮空氣儲能與風電、聚光太陽能熱發電及光伏發電等可再生能源電力集成的耦合系統方面，對其開展了理論分析，并探討了通過與外部熱源及有機朗肯循環發電等集成的方式來進一步提高系統效率的系統設計[11-12]。在關鍵部件層面，研發主要針對適應壓縮空氣儲能動態運行特性的高效空氣壓縮機和膨脹機，同時也有大量針對新型蓄熱器的研發工作[13-14]。

然而當前大部分的壓縮空氣儲能技術研究仍停留在理論研究層面，缺乏與儲能電站試驗數據進行充分的對比研究，尤其是關鍵數據（例如：儲能效率）的理論值與試驗值仍存在較大偏差。同時，實際儲能電站接入電網后的儲釋能動態過程、儲能電站與可再生能源發電場站集成的動態和試驗示范等研究仍有待深入開展[15]。

1.2" 飛輪儲能

飛輪儲能技術具有功率密度大、使用壽命長、響應速度快、全壽命期成本低等特點。該技術的適用場景包括充當不間斷電源、穩定電壓、電網輔助調頻、平抑新能源發電輸出功率等[16]。由于單臺飛輪的功率容量有限，不能滿足各場景需求，因此通常以陣列形式應用。單臺飛輪及飛輪儲能陣列的結構示意圖如圖1所示。

在飛輪儲能技術的相關研究中，Zhang等[17]探究了初始偏心對飛輪轉子的影響。胡東旭等[18]通過實驗驗證了兆瓦級飛輪軸系結構的穩定性。林大方等[19]設計了復雜工況下儲能飛輪轉子的傳力支承結構，解決了復雜工況下的設計難題。Wei等[20]提出了基于自抗擾控制的直流母線電壓控制策略，提升了飛輪儲能系統的性能。Qin等[21]通過研究發現在大規模風電并網的情況下，飛輪儲能技術可使電網頻率偏差減少57.1%，波動范圍減少53.8%，提升了電網頻率質量。洪烽等[22]通過將飛輪儲能技術用于火電機組協調控制系統模型，降低了系統頻率偏差，并延長了設備的使用壽命。梁志宏等[23]優化了飛輪儲能系統的磁軸承性能，通過工程應用驗證了電力級大功率飛輪儲能系統耦合火電機組聯合運行的協調控制策略及其經濟性。

在大功率高速飛輪本體方面，尚存在以下技術難點需要突破，具體為：1）計及效率、安全性、儲能量和成本的大功率高速飛輪的轉子系統優化設計與制造技術；2）真空環境下大功率高速電機的冷卻與絕緣技術；3）復雜工況下，高可靠、強抗擾的飛輪軸系振動抑制技術。

在電網調頻應用方面，尚存在以下技術難點需要突破，具體為：1）飛輪單機高動態響應控制技術；2）飛輪儲能陣列功率一致性及寬功率域穩定控制技術；3）面向電網主動支撐的飛輪儲能陣列協同調控和能量管理技術。

1.3" 重力儲能

重力儲能的工作原理與抽水蓄能的工作原理類似，但其采用固體儲能介質，擺脫了抽水蓄能受地理條件限制的問題，適用于風光資源豐富且地理環境復雜的新能源大基地，具有長時儲能、大容量儲能、儲能介質無衰減、建設周期短、使用壽命長及環境友好等優勢。

雖然重力儲能的工作原理簡單，但其形式多樣，根據固體儲能介質（即儲能質量塊）的運行軌跡，重力儲能可分為垂直式重力儲能和斜坡式重力儲能兩大類[24-25]，工作原理示意圖如圖2所示。圖中：h1、h2、h3分別為加速區、勻速區、減速區的高度；m為儲能質量塊的質量；h為斜坡高度；為斜坡傾角。

按儲能塔不同的結構形式，垂直式重力儲能可細分為塔式、矩陣式及豎井式重力儲能[26]；按固體儲能介質不同的傳動方式，斜坡式重力儲能可細分為斜坡軌道式、懸架纜車式與斜坡纜軌式重力儲能[27]。

國際方面，瑞士Enegy Vault（EV）公司、英國Gravitricity公司、美國Advanced Rail Energy Storage （ARES）公司、奧地利IIASA研究所[25]與美國Energy Cache公司[28]都開展了針對不同類型重力儲能實現路徑的研究。2019年，瑞士EV公司在瑞士的提契諾州建設了5MW/35MWh儲能塔式重力儲能系統，并于2020年實現并網驗證；同年，該技術被世界經濟論壇評為“2020年技術先鋒”之一[29]，并在此后成為全球新型儲能技術研究的熱點。

國內方面，中電普瑞電力工程有限公司、華北電力大學、國網新疆電力有限公司聯合開展了斜坡式重力儲能系統的方案設計與控制技術研究[30]；國網江蘇省電力有限公司經濟技術研究院和華北電力大學聯合開展了垂直式矩陣型重力儲能系統并網關鍵技術的研究[31]；中國南方電網貴州電網有限責任公司（下文簡稱為“南網貴州電網公司”）、華北電力大學聯合開展了斜坡式重力儲能系統的關鍵技術及工程全景方案設計[32]；華北電力大學、中國科學院電工研究所等單位也聯合開展了垂直式和斜坡式重力儲能系統的方案設計、并網及運行控制技術的相關研究[25-26， 30-32]。

在垂直式重力儲能應用方面，中國天楹股份有限公司（下文簡稱為“中國天楹公司”）引進EVx技術方案，在江蘇省投資建設了全球首個百兆瓦時重力儲能示范工程——如東25MW/100MWh垂直式重力儲能項目。該工程于2023年9月封頂，并于2024年5月完成首套充放電單元的測試。同時，中國天楹公司擬在甘肅省張掖市、酒泉市，河北省張家口市懷來縣建設3套垂直式重力儲能示范工程。2024年4月，中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司擬在河北省張家口市赤城縣建設60MW/360MWh豎井式重力儲能示范工程，并與華北電力大學簽署了重力儲能全場景動模實驗平臺共建合作協議[33]。

在斜坡式重力儲能應用方面，美國ARES公司建設了50MW/12.5MWh的斜坡軌道式重力儲能示范工程；美國Energy Cache公司建設了50 kWh的懸架纜車式重力儲能工程；南網貴州電網公司建設了基于鏈式傳動的10 kW斜坡軌道式重力儲能樣機。

重力儲能具體分類及應用情況如圖3所示。

重力儲能的技術挑戰在于如何突破儲能質量塊重量與勢能位高度的限制，在考慮低成本、短周期、長時、大容量、高儲能效率的前提下，設計儲能質量塊重量、儲能高度差與構筑結構的最佳組合及最優結構；同時，重力儲能的機電耦聯系統復雜，使機網（即重力儲能發電電動機與電網之間）互動與精密控制的難度大，亟待突破系統建模理論、系統能效提升、機網聯合調控等核心技術，為國產化重力儲能的成套方案設計與示范工程建設提供技術支撐。

2" 儲熱技術

2.1" 相變儲熱

相變儲熱技術在建筑節能、電子器件及鋰電池的熱管理、工業余熱回收、電力儲能等領域具有廣泛的應用前景[34-35]。相變儲熱的基本原理是利用材料相變潛熱的釋放與吸收來存儲熱量，具有儲熱密度高、溫度變化小的特點。由于傳統相變儲熱材料本身具有導熱系數低、易泄露等問題，因此新型相變儲熱材料的開發和改性增強，以及相變儲熱單元的設計及強化傳熱成為當前相變儲熱的研究熱點。

在新型相變儲熱材料的開發和改性增強方面，在儲熱材料中添加高導熱系數的納米材料（例如：二氧化硅納米顆粒及碳納米管）制備高性能納米復合相變儲熱材料、與高導熱系數的材料基體（例如：石墨烯及膨脹石墨等）復合制備定型復合相變儲熱材料，以及利用化學或物理化學等方法對相變儲熱材料進行微封裝，將其制成高儲熱性能的核殼結構相變微膠囊是當前研究最多的相變儲熱材料的改性增強方式[36-38]。

在相變儲熱單元的強化傳熱方面，在相變儲熱裝置內添加各式各樣的高導熱翅片，添加多孔泡沫導熱系數金屬，施加超聲波、電場及磁場等外部場手段，以及施加外部壓力或旋轉等方式都是相變儲熱單元強化傳熱的常見手段[39-40]。

雖然已有的研究結果表明了相變儲熱材料的性能及相變儲熱單元的儲熱、釋熱速率都有所提升，但是相變儲熱材料改性增強后的循環穩定性及其導致的成本提升給相變儲熱技術的推廣帶來了難題[35]。因此，在深入理解各種增強方式的機理上，尋找兼具性能與經濟性的相變儲熱技術是研究人員面臨的重要挑戰。

2.2" 熱化學儲熱

熱化學儲熱是利用可逆反應，將高溫熱能轉換為化學能并儲存于反應介質中，需要使用時再通過逆向熱化學反應將化學能逆轉成熱能，并釋放出來[41]，示意圖如圖4所示。圖中：A、B、C代表不同物質；ΔH為焓值。與顯熱儲熱和潛熱儲熱相比，熱化學儲熱具有儲熱密度高、儲熱時間長、能量損失小等優點[42]。因此，熱化學儲熱技術在具有波動性的綠色能源整合、太陽能熱發電系統，以及工業余熱回收和再利用等多個方面都具有廣泛的應用前景。

當前，針對熱化學儲熱技術的研究眾多，研究領域主要涉及儲熱材料和反應器等方面。

目前已開發的熱化學儲熱循環有70種以上，具有較寬的適用工作溫度范圍和較大的儲熱密度范圍。常見熱化學儲熱材料的儲熱密度與工作溫度對比如圖5[43]所示。華北電力大學、南京航空航天大學、上海交通大學、浙江大學等院校對碳酸鹽[42，44]、氫氧化物[45] 、水合鹽熱分解[46]和金屬氧化物[47]等典型熱化學儲熱體系開展了研究，并通過實驗驗證了各熱化學儲熱體系的可行性。

熱化學儲熱系統的儲能效率在很大程度上取決于反應器的選擇和設計[48]。目前，已開發的典型反應器類型主要有：固定床反應器[49]、流化床反應器[50]、回轉窯反應器[51]、旋風反應器[52]等，如圖6所示。

其中，固定床反應器的結構簡單，是目前熱化學儲熱系統中應用最廣泛的反應器；流化床反應器的應用也較為廣泛；回轉窯反應器和旋風反應器均屬于動力輔助反應器，在動力輔助反應器中發生熱化學反應時，多余的熱量能及時被導出，具有較強的傳熱能力和較好的反應能力。

熱化學儲熱技術的研究大多數仍處于實驗室研究、初試及中試階段。中國在熱化學儲熱領域的研究仍處于起步階段，尚未有規模化應用的商業熱化學儲熱技術，眾多基礎科學問題和應用技術仍待發展。

2.3" 卡諾電池

卡諾電池（也稱為熱泵儲電，pumped thermal electricity storage，PTES）基于經典熱力學循環，通過“電-熱-電”轉換實現電能的大規模儲存。以基于布雷頓循環的卡諾電池技術為代表，其工作原理為：通常采用氣相工質作為充放電循環的工質；在儲能期間，可逆壓縮機與膨脹機組成高溫度比的熱泵，通過充電循環將輸入的電能轉換為熱能存儲在儲熱單元中；在釋能期間，可逆壓縮機作為熱機，將熱能轉換為電能進行輸出利用。布雷頓循環卡諾電池系統具有儲能溫度高、往返效率（即電-電轉換效率）高、結構簡單等優點，是當前最主流的高溫卡諾電池系統[53]。

卡諾電池技術不受地理條件和材料限制，成本低廉，有望實現吉瓦時級的電量儲存。此外，將卡諾電池技術與燃煤發電機組的熱力系統集成，能提升燃煤發電機組的調峰性能，適用于燃煤電廠退役改造為儲能電站。

為了降低壓縮機中的升溫比和提高循環效率，通常采用回熱循環，因此在卡諾電池系統中設置回熱器，即回熱卡諾電池系統。以液態工質作為儲能介質的回熱卡諾電池系統通過外部換熱器向環境散熱，其布局圖及溫度-比熵（T-s）圖如圖7所示。圖7a中的箭頭表示系統充能過程中工質的流動方向，釋能過程中工質的流動方向與之相反。

楊鶴等[54]以氮氣作為充放電循環工質，基于遺傳算法實現了回熱卡諾電池系統的往返效率、儲能密度、功率密度的多目標優化。利用LINMAP決策方法在帕累托（Pareto）前沿解集中確定了該回熱卡諾電池系統集成的最優運行方案，優化后系統的往返效率為65.6%、儲能密度為25.6 kWh/m3、功率密度為2.45 MW·（m3/s）-1，提升了往返效率并相應降低了儲罐、儲能介質、絕熱材料和占地面積的成本。

卡諾電池經常處于非額定工況狀態，需深入研究其動態特性，但當前研究多集中在穩態熱力學與控制參數方面，針對動態特性的研究不足。Yang等[55-56]基于渦輪機械和換熱器模型建立了卡諾電池系統動態模型，通過采用庫存控制策略，對電功率和負荷擾動進行研究，并通過張北地區風電場數據驗證，證明了該庫存控制策略的可行性和有效性。

利用卡諾電池代替燃煤發電機組鍋爐[57]，構成了熔鹽卡諾電池儲能發電系統[58]。此類系統選用高溫熱泵系統作為電轉熱部分，以高低溫熔鹽系統作為儲熱部分[59]，同時保留燃煤電廠的發電循環作為熱轉電部分。熔鹽卡諾電池儲能發電系統的布局圖如圖8所示，該系統通過可再生能源電廠的“棄電”或電網的低谷電驅動壓縮機將循環工質絕熱壓縮為高溫高壓狀態，高溫工質通過換熱器加熱熔鹽，進而將熱量儲存于高溫熔鹽罐中；熔鹽流體加熱蒸汽后，高溫高壓蒸汽驅動汽輪機發電。熔鹽卡諾電池儲能發電系統有效利用了原燃煤電廠的設備，降低了改造成本，在可再生能源消納、儲電系統建設方面具有巨大應用潛力，并可為退役后的燃煤電廠提供新的利用途徑[60]。

熔鹽卡諾電池儲能發電系統的工作原理是基于經典熱力學循環，其熱泵系統的系統參數對制熱系數和儲能性能至關重要。為優化熔鹽卡諾電池儲能發電系統的儲能效率、儲能密度，需對循環參數、工質的選擇、高溫儲熱技術，以及強化傳熱技術進行深入研究；同時，大容量極端高溫熱泵制熱技術和關鍵裝備（例如：壓縮機/膨脹機）也需突破。

3" 總結與展望

作為新型儲能技術領域系列評價性綜述的第2部分，本文對重要的物理儲能與儲熱技術的應用領域、最新研究進展及局限性等問題進行了闡述和討論。總體而言，物理儲能和儲熱技術大多具有使用壽命長、安全性高的特點，且在能量轉化過程中自身多具有轉動慣量，屬于電網支撐型的儲能技術，可滿足從大規模長時儲能到高功率快速響應的不同需求。在新興的物理儲能和儲熱技術中，重力儲能和卡諾電池的相關技術顯示出良好的發展前景。

1）壓縮空氣儲能技術取得了顯著進展，尤其是絕熱壓縮空氣儲能技術已達到300 MW規模級電站示范階段，系統設計額定效率高達72.1%。該領域面臨的挑戰主要包括：在關鍵數據（例如：儲能效率）上理論值與試驗值存在較大偏差，對實際儲能電站接入電網后的儲釋能動態過程及其與可再生能源發電場站集成的研究不足。未來研究需加強試驗驗證，優化系統設計，以推動壓縮空氣儲能技術的進一步發展。

2）飛輪儲能技術的研究聚焦于飛輪本體設計、控制策略及電網應用，實現了系統穩定性驗證和頻率質量提升。然而，大功率高速飛輪面臨轉子系統優化、冷卻與絕緣技術、振動抑制等挑戰，而電網調頻也需要突破單機高動態響應、飛輪儲能陣列功率一致性及協同調控等難點，以實現更高效、可靠的能源存儲與管理。

3）重力儲能技術通過固體介質突破了地理限制，建設周期短且環境友好。國內外企業與研究機構在垂直式和斜坡式重力儲能系統方面取得顯著進展，并建設多個示范工程。在技術發展方面還需要進一步優化設計與構筑結構，并突破機網互動與精密控制等核心技術，為重力儲能技術的廣泛應用提供技術支撐。

4）相變儲能技術以其高儲熱密度和溫度穩定性在建筑節能領域展現出廣泛的應用前景。當前研究集中在新型相變儲熱材料的開發、改性增強，以及相變儲熱單元的強化傳熱方面。然而，循環穩定性和成本問題仍是相變儲熱技術推廣應用的挑戰，尋找兼具性能與經濟性的相變儲熱技術是未來研究的重要方向。

5）熱化學儲熱技術以其高儲熱密度、長儲熱時間和低能量損失展現出巨大潛力，目前的研究方向涵蓋了多種熱化學儲熱體系和反應器類型；優化反應器設計、開發新型反應器是提高儲熱效率的關鍵。

6）卡諾電池技術基于熱力學循環實現電能與熱能的轉換儲存，具有理論清晰、無地理條件和材料限制的優勢，尤其在吉瓦時級電量儲存和燃煤機組改造方面展現出巨大應用潛力。目前，該技術仍需深入研究系統參數優化、工質選擇、高溫儲熱技術及強化傳熱技術，并突破大容量、高性能系數（COP）的極端高溫熱泵制熱技術和關鍵裝備的研發，克服這些挑戰將有助于卡諾電池技術的廣泛應用。

[參考文獻]

[1] 外唐網. 中關村儲能產業技術聯盟：2024中國儲能技術與產業最新進展與展望報告[R/OL]. （2024-04-29）. https：//www.sohu.com/a/775080132_120359514.

[2] 觀研報告網. 中國壓縮空氣儲能行業現狀深度研究與未來前景調研報告（2022—2029年）[R/OL]. [2024-06-01]. https：//www.chinabaogao.com/baogao/202209/611310.html.

[3] 銳觀網. 2024—2029年中國飛輪儲能行業市場發展潛力及投資前景分析報告[R/OL]. [2024-06-01]. https：//www.reportrc.com/report/20240527/65672.html.

[4] 江蘇興泰集團. 儲熱技術現狀及相變儲熱材料的研究進展[EB/OL]. （2023-05-31）[2024-06-01]. https：//www.sohu.com/a/680624897_121407143.

[5] 陳秋宇，李文濤，李竺豫，等. 中高溫熱化學儲熱材料研究進展[J]. 熱力發電，2024，53（6）：12-20.

[6] 顧清之. 我對卡諾電池的理解（4）——卡諾電池的未來[R/OL]. （2024-02-01）[2024-06-01]. https：//zhuanlan.zhihu.com/p/681001254.

[7] JANKOWSKI M，PA?AC A，SORNEK K，et al. Status and development perspectives of the compressed air energy storage （CAES） technologies——a literature review[J]. Energies，2024，17（9）：2064.

[8] LIANG T，ZHANG T T，LIN X P，et al. Liquid air energy storage technology：a comprehensive review of research，development and deployment[J]. Progress in energy，2023，5（1）：012002.

[9] BAZDAR E，SAMETI M，NASIRI F，et al. Compressed air energy storage in integrated energy systems：a review[J]. Renewable and sustainable energy reviews，2022，167：112701.

[10] 齊芳. 國際首套300兆瓦先進壓縮空氣儲能國家示范電站并網發電[N]. 光明日報，2024-05-01（6）.

[11] XIA T，LI Y W，ZHANG N，et al. Role of compressed air energy storage in urban integrated energy systems with increasing wind penetration[J]. Renewable and sustainable energy reviews，2022，160：112203.

[12] BARBOUR E，POTTIE D L. Adiabatic compressed air energy storage technology[J]. Joule，2021，5（8）：1914-1920.

[13] LIAO Z R，ZHONG H，XU C，et al. Investigation of a packed bed cold thermal storage in supercritical compressed air energy storage systems[J]. Applied energy，2020，269：115132.

[14] GUO H，XU Y J，YAN M D，et al. Chapter one ——effect of thermal storage and heat exchanger on compressed air energy storage systems[J]. Advances in heat transfer，2023，55：1-39.

[15] ZHANG X J，GAO Z Y，ZHOU B Q，et al. Advanced compressed air energy storage systems：fundamentals and applications[J]. Engineering，2024，34：246-269.

[16] 戴興建，姜新建，張剴. 飛輪儲能系統技術與工程應用[M]. 北京：化學工業出版社，2021.

[17] ZHANG H S，LIU Y B，TENG W，et al. Dynamic characteristics analysis of energy storage flywheel motor rotor with air-gap eccentricity fault[J]. Journal of energy storage，2024，89：111684.

[18] 胡東旭，朱少飛，魏曉鋼，等. MW級大儲能量飛輪軸系結構力學及動力學研究[J]. 儲能科學與技術，2024，13（5）：1542-1550.

[19] 林大方，王四季，王程陽，等. 復雜工況下儲能飛輪轉子傳力支承與減振設計[J]. 太陽能學報，2024，45（4）：356-364.

[20] WEI L，ZHOU Z Y，WANG B Y，et al. ADRC‐based control strategy for DC‐link voltage of flywheel energy storage system[J]. Energy science amp; engineering，2023，11（11）：4141-4154.

[21] QIN R，CHEN J T，LI Z，et al. Simulation of secondary frequency modulation process of wind power with auxiliary of flywheel energy storage[J]. Sustainability，2023，15（15）：11832.

[22] 洪烽，梁璐，逄亞蕾，等. 基于機組實時出力增量預測的火電-飛輪儲能系統協同調頻控制研究[J]. 中國電機工程學報，2023，43（21）：8366-8377.

[23] 梁志宏，劉吉臻，洪烽，等. 電力級大功率飛輪儲能系統耦合火電機組調頻技術研究及工程應用[EB/OL]. （2023-12-08）[2024-06-01]. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.231472.

[24] TONG W X，LU Z G，CHEN W J，et al. Solid gravity energy storage：a review[J]. Journal of energy storage，2022，53：105226.

[25] 王粟，肖立業，唐文冰，等. 新型重力儲能研究綜述[J]. 儲能科學與技術，2022，11（5）：1575-1582.

[26] 邱清泉，羅曉悅，林玉鑫，等. 垂直式重力儲能系統的研究進展和關鍵技術[J]. 儲能科學與技術，2024，13（3）：934-945.

[27] 張京業，林玉鑫，邱清泉，等. 基于斜坡和山體的重力儲能技術研究進展[J]. 儲能科學與技術，2023，13（3）：924-933.

[28] Energy Cache. Ultra long-duration energy storage in a solid fuel[EB/OL]. [2024-05-31]. https：//cache-energy.com/technology/.

[29] 東方財富網. Energy Vault因提供用于存儲清潔能源和交付可分配電力的經濟方式被世界經濟論壇評為技術先鋒[EB/OL]. （2020-06-17）[2024-05-31]. https：//caifuhao.eastmoney.com/news/20200617180327218729450/.

[30] 李明，亞夏爾?吐爾洪，查鯤鵬，等. 用于快速響應負荷需求的兩段式斜坡重力儲能系統放電功率調節方法[J]. 電機與控制應用，2024，51（4）：12-19.

[31] 李妍，王青山，張群，等. 一種重力儲能系統精確并網控制方法及系統[P]. 2024-03-29.

[32] 陳巨龍，李震，朱永清，等. 基于深度神經網絡的斜坡式重力儲能系統質量塊抓取裝置控制方法[J]. 電機與控制應用，2023，50（11）：37-45.

[33] 中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司官網. 華北院與華北電力大學簽約重力儲能實驗平臺共建合作協議[EB/OL]. （2024-04-23）. http：//www.ncpe.ceec.net.cn/art/2024/4/23/art_19319_2516835.html.

[34] FU W C，YAN X，GURUMUKHI Y，et al. High power and energy density dynamic phase change materials using pressure-enhanced close contact melting[J]. Nature energy，2022，7：270-280.

[35] YANG Z L，WALVEKAR R，WONG W P，et al. Advances in phase change materials， heat transfer enhancement techniques， and their applications in thermal energy storage：a comprehensive review[J]. Journal of energy storage，2024，87：111329.

[36] SHARSHIR S W，JOSEPH A，ELSHARKAWY M，et al. Thermal energy storage using phase change materials in building applications：a review of the recent development[J]. Energy and buildings，2023，285：112908.

[37] WONG W P，KAGALKAR A，PATEL R，et al. Nano-enhanced phase change materials for thermal energy storage：a comprehensive review of recent advancements，applications，and future challenges[J]. Journal of energy storage，2023，74：109265.

[38] WANG K C，TAO K Y，YE F，et al. A dual encapsulation strategy for high-temperature micro PCM particles with high cyclic durability[J]. Small，2024，20（24）：2310252.

[39] DIACONU B M，CRUCERU M，ANGHELESCU L. A critical review on heat transfer enhancement techniques in latent heat storage systems based on phase change materials. Passive and active techniques，system designs and optimization[J]. Journal of energy storage，2023，61：106830.

[40] CHOURE B K，ALAM T，KUMAR R. A review on heat transfer enhancement techniques for PCM based thermal energy storage system[J]. Journal of energy storage，2023，72：108161.

[41] ZHAO Y，ZHAO C Y，MARKIDES C N，et al. Medium-and high-temperature latent and thermochemical heat storage using metals and metallic compounds as heat storage media：a technical review[J]. Applied energy，2020，280：115950.

[42] ZHANG H J，XU C，XING J X，et al. Enhancing cyclic durability in CaO-based thermochemical energy storage by Zr-Y co-doping：mechanistic insights[J]. Solar energy materials and solar cells，2024，266：112680.

[43] TENG L，XUAN Y M，DA Y，et al. Modified Ca-looping materials for directly capturing solar energy and high-temperature storage[J]. Energy storage materials，2020，25：836-845.

[44] ZHANG H J，XU C，XU B W，et al. Study on heat transport analysis and improvement method in a single CaCO3 pellet for thermochemical energy storage[J]. Applied thermal engineering，2024，248：123145.

[45] YAN J，ZHAO C Y. Experimental study of CaO/Ca（OH）2 in a fixed-bed reactor for thermochemical heat storage[J]. Applied energy，2016，175：277-284.

[46] XU C，XIE Y Y，LIAO Z R，et al. Numerical study on the desorption process of a thermochemical reactor filled with MgCl2·6H2O for seasonal heat storage[J]. Applied thermal engineering，2019，146：785-794.

[47] DENG J L，GU C D，XU H R，et al. MgCr2O4-modified CuO/Cu2O for high-temperature thermochemical energy storage with high redox activity and sintering resistance[J]. ACS applied materials amp; interfaces，2022，14（38）：43151-43162.

[48] CHE J B，WANG F N，SONG C，et al. A multi-scale modeling of Ca-based material for solar-driven calcium-looping energy storage process：from calcination reactor to energy carrier[J]. Chemical engineering science，2024，293：119995.

[49] TIAN X K，GUO S J，JIANG L，et al. Integrated operation and efficiency analysis of CaCO3/CaO in a fixed-bed reactor for thermochemical energy storage[J]. Energy，2024，294：130867.

[50] ESENCE T，GUILLOT E，TESSONNEAUD M，et al. Solar calcination at pilot scale in a continuous flow multistage horizontal fluidized bed[J]. Solar energy，2020，207：367-378.

[51] MOUMIN G，TESCARI S，SUNDARRAJ P，et al. Solar treatment of cohesive particles in a directly irradiated rotary kiln[J]. Solar energy，2019，182：480-490.

[52] RINCON DUARTE J P，KRIECHBAUMER D，LACHMANN B，et al. Solar calcium looping cycle for CO2 capturing in a cement plant. Definition of process parameters and reactors selection[J]. Solar energy，2022，238：189-202.

[53] OLYMPIOS A V，MCTIGUE J D，FARRES-ANTUNEZ P，et al. Progress and prospects of thermo-mechanical energy storage——a critical review[J]. Progress in energy，2021，3（2）：022001.

[54] 楊鶴，杜小澤. 布雷頓循環熱泵儲能的性能分析與多目標優化[J]. 中國電機工程學報，2022，42（1）：196-210.

[55] YANG H，LI J D，GE Z H，et al. Dynamic characteristics and control strategy of pumped thermal electricity storage with reversible Brayton cycle[J]. Renewable energy，2022，198：1341-1353.

[56] YANG H，LI J D，GE Z H，et al. Dynamic performance for discharging process of pumped thermal electricity storage with reversible Brayton cycle[J]. Energy，2023，263：125930.

[57] YONG Q Q，JIN K Y，LI X B，et al. Thermo-economic analysis for a novel grid-scale pumped thermal electricity storage system coupled with a coal-fired power plant[J]. Energy，2023，280：128109.

[58] BLANQUICETH J，CARDEMIL J M，HENRíQUEZ M，et al. Thermodynamic evaluation of a pumped thermal electricity storage system integrated with large-scale thermal power plants[J]. Renewable and sustainable energy reviews，2023，175：113134.

[59] MCTIGUE J.“Carnot batteries”for electricity storage [R/OL]. （2019-12-04）. https：//www.nrel.gov/docs/fy20osti/75559.pdf.

[60] 圣力，薛新杰，孛衍君，等. 基于相變儲能介質熱泵儲電系統的模擬與分析[J]. 儲能科學與技術，2022，11（11）：3649-3657.

PROGRESS AND CHALLENGES IN NOVEL ENERGY STORAGE TECHNOLOGIES II： PHYSICAL ENERGY STORAGE AND

THERMAL STORAGE TECHNOLOGY

Ju Xing，Xu Chao，Hao Junhong，Song Jifeng，Teng Wei，Tian Huajun，

Zhao Haisen，Chen Zhe，Wang Tianhu，Liao Zhirong，Du Xiaoze

（Beijing Laboratory of New Energy Storage Technology，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Abstract：Novel energy storage technology is increasingly becoming a key technology for building a new type energy system and a new type power system in China，and has become a new driving force for China's economic development. It will play an important role in promoting the consumption of renewable energy，achieving energy system transformation，improving energy utilization efficiency，reducing environmental pollution，and related technological research is also developing rapidly. A series of review paperwork are conducted，which are divided into three parts：electrochemical energy storage technology，physical energy storage and thermal storage technology，energy storage integration and planning. A comprehensive and systematic comparative analysis is conducted on the application fields，latest research progress，and limitations of various novel energy storage technologies. Furthermore，the challenges and development trends faced by energy storage system related fields such as energy storage integration，security，planning and scheduling are further explored. This paper is the second part of the review work，which focuses on the comprehensive analysis and discussion of the" technologies and engineering achievements in physical energy storage and thermal storage technology，including compressed air energy storage，flywheel energy storage，gravity energy storage，phase change heat storage，thermochemical heat storage，and Carnot batteries. Overall，physical energy storage and thermal storage technologies mostly have the characteristics of long service life and high safety，and they often have rotational inertia in the energy conversion process. They belong to the grid supported energy storage technology and can meet different needs from large-scale long-term energy storage to high-power rapid response. Among emerging physical energy storage and thermal storage technologies，gravity energy storage and Carnot battery related technologies show promising development prospects.

Keywords：energy storage technology；physical energy storage；compressed air energy storage；flywheel energy storage；gravity energy storage；phase change heat storage；thermochemical heat storage；carnot battery