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本文亮點：本文基于近三萬篇文獻的系統性綜述與科學計量分析，構建了“材料—系統—應用”三層儲熱知識體系，分析了應用場景，揭示了以熱化學儲熱、鈣循環(huán)為代表的長時儲能，以及MXene智能材料、綜合能源系統集成和機器學習優(yōu)化等前沿方向。研究針對規(guī)?；瘧闷款i提出系統性解決方案，為儲熱技術未來發(fā)展提供路徑參考。
摘 要 儲熱技術通過解決熱能供需在時間、空間及強度上的不匹配問題，已成為提高能源系統靈活性和可再生能源消納能力的關鍵?；趯f篇文獻的系統性綜述與科學知識圖譜分析，梳理了儲熱領域的研究進展、應用脈絡與發(fā)展趨勢。研究發(fā)現，儲熱技術領域研究規(guī)模持續(xù)快速增長，已形成“材料—系統—應用”多層遞進的知識體系，呈現出以中國、美國和歐洲為主導的差異化布局。研究前沿圍繞高性能、智能化和系統融合展開，重點聚焦以熱化學儲熱、鈣循環(huán)為代表的長時儲能技術，以MXene基復合材料、磁場調控為代表的智能響應材料，以綜合能源系統、卡諾電池為核心的多能耦合集成，以及機器學習賦能的儲熱全鏈條優(yōu)化。為推動儲熱技術規(guī)?；瘧?，亟需在材料、系統與市場層面協同創(chuàng)新，突破關鍵技術瓶頸，以支撐未來能源系統的安全高效運行。
關鍵詞 儲熱；顯熱儲熱；潛熱儲熱；熱化學儲熱；科學知識圖譜
在全球能源結構向綠色低碳轉型與碳中和目標深入推進的背景下，儲熱(TES)技術作為一種高效、靈活的能源時空調節(jié)手段，正日益展現出其重要的戰(zhàn)略價值。該技術以儲熱材料為媒介，將太陽能光熱、工業(yè)余熱、低品位廢熱等熱能加以儲存，并在需求時段釋放，從而有效解決能源供給與需求在時間、空間和強度上的不匹配問題。儲熱能夠顯著提高能源綜合利用效率，促進可再生能源的大規(guī)模并網與消納，增強電力系統的穩(wěn)定性與靈活性，并在工業(yè)節(jié)能、建筑供暖與制冷、電網調峰及區(qū)域能源系統構建等多個關鍵領域發(fā)揮著核心支撐作用，是推動能源體系清潔化、低碳化和智能化進程中不可或缺的關鍵技術。
為系統梳理儲熱技術的研究脈絡與發(fā)展趨勢，本文采用BERTopic主題模型與科學知識圖譜相結合的方法，對儲熱技術在建筑、工業(yè)、電力等多場景中的應用路徑展開分析。該組合方法融合了BERTopic模型的結構化主題聚類優(yōu)勢與科學知識圖譜的演進脈絡可視化能力，實現了從宏觀趨勢到微觀主題的挖掘，有效規(guī)避了傳統綜述的主觀性局限。研究基于Web of Science數據庫，圍繞儲熱技術、材料及場景等關鍵詞構建檢索式，于2025年11月20日完成檢索，經數據清洗后得到29751篇有效文獻作為計量分析樣本。通過分析全球研究趨勢、主題分布與主要機構布局，本文旨在總結材料創(chuàng)新、系統集成、多能耦合與智慧優(yōu)化等前沿方向，以期為儲熱技術的規(guī)?；瘧门c可持續(xù)發(fā)展提供參考。
1 儲熱技術分類及應用場景分析
儲熱技術依據儲能機制可分為顯熱儲熱(SHS)、潛熱儲熱(LHS)和熱化學儲熱(TCHS)三大類，如圖1所示。顯熱儲熱通過介質溫度變化儲熱，成本低但儲能密度有限；潛熱儲熱依托相變材料的相變過程儲熱，儲能密度高、近似等溫，但導熱性能通常較差；熱化學儲熱基于可逆化學反應，儲能密度最高、熱損失極小，適合長期儲能，但技術復雜且成本較高。三類技術各具特點，構成了儲熱技術體系的基礎，并在工業(yè)應用前沿呈現出深度融合與創(chuàng)新態(tài)勢。例如，高溫熔鹽顯熱儲熱應用于鋼鐵、化工等行業(yè)的余熱回收與綠電消納；復合相變材料的突破推動潛熱儲熱在工業(yè)蒸汽供給和中溫場景中的規(guī)?；涞?；熱化學儲熱則在跨季節(jié)長時儲能和工業(yè)高溫工藝電氣化脫碳中展現出巨大潛力。
圖1 儲熱技術的分類體系及其典型材料
Fig. 1 Classification of thermal energy storage technologies and their typical materials
從研究熱度與分布來看，儲熱技術已全面涵蓋能源、工業(yè)、建筑、交通、生活及特種環(huán)境等領域?；谡撐臄盗康姆治鼋沂玖饲逦奶荽畏植几窬?圖2)，其中電力系統與可再生能源領域的研究體量最大(12262篇)，而潛熱儲熱(5506篇)是主導技術路線，尤以聚光太陽能發(fā)電場景最為集中；建筑領域(8257篇)次之，研究聚焦于空間供暖/制冷的節(jié)能與舒適性需求，潛熱儲熱(4521篇)與顯熱儲熱(2373篇)并重發(fā)展；工業(yè)領域(4245篇)位居第三，以潛熱儲熱(2777篇)為重點，中低溫余熱回收(2187篇)當前研究較多；交通、生活及特種環(huán)境等領域的論文數量相對較少，但覆蓋了電池熱管理、智能紡織、食品冷鏈等眾多新興細分方向，展現出持續(xù)擴展的應用前景。
圖2 應用場景—儲熱技術類型—具體應用方向的層級論文數量分布
Fig. 2 Hierarchical distribution of the number of papers by application scenario, thermal energy storage technology type, and specific application direction
在具體技術路線和材料選擇上，不同應用場景呈現出顯著的差異化特征，如表1所示。電力系統與可再生能源中，光熱發(fā)電主要采用熔鹽、混凝土等介質的顯熱儲熱以實現大規(guī)模能量緩存，光伏板冷卻則多選用有機相變材料的潛熱儲熱以提升效率，而熱化學儲熱憑借其高能量密度和長時儲能能力，在卡諾電池、碳捕集等高溫或長周期儲能場景中展現出獨特優(yōu)勢。建筑領域，區(qū)域供熱與跨季節(jié)儲能依賴于地下土壤、水體等大型顯熱儲熱系統，而空間溫控與生活熱水則更多采用相變材料等潛熱儲熱技術，兩者常結合使用以構建高效復合系統。工業(yè)余熱回收重點結合顯熱與潛熱技術處理中低溫廢熱，高溫過程熱管理則可能拓展至熱化學儲熱。在交通及新興生活領域，技術選型進一步精細化，例如電池熱管理傾向使用潛熱儲熱以保證溫度均勻性，車廂供暖則采用顯熱儲熱以降低能耗，智能紡織、醫(yī)療熱療等領域則根據特定溫控需求選用定制化的相變或熱化學材料。總體而言，實際應用中的技術選型與組合，緊密圍繞特定場景的熱能規(guī)模、溫度區(qū)間、空間條件及經濟性約束，旨在構建多層次、高效率的熱能管理解決方案。
表1 儲熱技術的應用場景
Table 1 Application scenarios of thermal energy storage technologies
2 全球儲熱技術研究的主題分布
儲熱技術研究呈現快速增長態(tài)勢，其演進歷程與全球能源轉型需求高度相關，可分為四個階段，如圖3所示。萌芽期(1999年以前)，年均發(fā)文量低于百篇，受早期能源危機驅動，主要聚焦于顯熱儲水等基礎理論研究；積累期(2000—2009年)，在可再生能源政策激勵下，年均發(fā)文量突破百篇，研究重心逐步轉向相變材料及系統初步集成；快速增長期(2010—2019年)，光熱發(fā)電商業(yè)化推進及重大科研計劃支持，年均發(fā)文量躍升至千篇規(guī)模，高溫儲熱與系統優(yōu)化成為研究熱點；爆發(fā)期(2020—2025年)，在全球碳中和目標與長時儲能需求的雙重推動下，年均發(fā)文量已逾兩千篇并保持強勁增長態(tài)勢。整體而言，該領域持續(xù)增長，尤其在2010年后增長斜率顯著上升，相關研究已從早期的基礎科學探索，逐步演進為支撐可再生能源規(guī)模化并網和工業(yè)系統低碳轉型的關鍵核心技術領域。
圖3 儲熱技術研究論文的趨勢分析
Fig. 3 Trend analysis of research papers on thermal energy storage technologies
為系統梳理全球儲熱領域的知識結構與研究脈絡，本文采用BERTopic主題模型對相關論文摘要進行挖掘，構建了如圖4所示的主題圖。圖中每個點代表一篇論文，點的位置由UMAP算法依據文本相似性確定，點距越近則主題相關性越高，點距越遠則主題差異越大，不同顏色代表由HDBSCAN聚類劃分的不同主題。分析顯示，各主題依其研究內容與關聯性，在主題圖中呈現出以“材料—系統—應用”為主線的遞進式知識體系。圖下方聚集了以材料研發(fā)為核心的基礎研究集群，圖中部則延伸至單元器件與系統集成層面，圖上方及外圍分布著面向不同場景的多元化應用主題，這一空間布局直觀揭示了儲熱技術從基礎材料突破，經系統技術支撐，最終走向場景落地的演進路徑。
圖4 儲熱技術研究論文的主題圖分析
Fig. 4 Topic map analysis of research papers on thermal energy storage technologies
在核心材料研究集群(位于主題圖下方)，聚集了多個主題緊密關聯的研究方向，共同構成了儲熱技術發(fā)展的材料基礎。其中，PEG基復合相變材料(主題1)、納米增強相變材料(主題11)與相變微膠囊(主題6)在知識空間中鄰近，形成了通過化學復合、納米改性與微封裝等技術提升有機相變材料性能的核心研究脈絡。相鄰的金屬泡沫復合相變材料(主題14)與陶瓷基復合相變材料(主題20)則側重于利用多孔骨架結構解決材料的封裝與傳熱強化問題。同時，熔鹽(主題9)作為高溫顯熱儲熱工質的代表，與鈣基熱化學儲熱(主題8)等主題共同聚焦于高溫及熱化學儲熱材料的熱物性、反應動力學及長期可靠性，與之密切相關的熔鹽腐蝕防護(主題19)研究則致力于提升系統耐久性。此外，脂肪酸與多元醇相變材料(主題15)作為有機相變材料體系的重要分支，致力于開發(fā)中低溫儲熱應用中的高性能共晶材料。上述材料層的研究為儲熱技術的整體發(fā)展奠定了基石，其突破方向直接牽引著系統層面的技術路徑選擇。
在單元、器件與系統技術層(主要位于圖中部)，研究從材料體系延伸至工程傳熱、器件設計與系統集成。翅片強化相變傳熱(主題2)作為發(fā)文量極高的主題，位于材料集群與系統集群之間，凸顯了傳熱強化技術在銜接材料本征特性與器件實際性能中的關鍵作用。斜溫層單罐儲熱(主題7)與太陽能集熱儲熱一體化(主題18)標志著研究向儲熱單元結構優(yōu)化和光熱系統耦合設計的深入。吸附式熱化學儲熱(主題5)作為重要的前沿儲熱技術，致力于開發(fā)高能量密度、適于長期存儲的新一代系統解決方案。這一層次的研究進展，決定了材料層面的創(chuàng)新成果能否有效轉化為可工程化的技術方案。
在多元化應用交叉層(分布于圖上方及外圍)，儲熱技術與外部領域廣泛融合，主題分布相對分散，體現了其廣泛的外延應用價值。其中，電力系統(主題0)作為規(guī)模最大的獨立聚類，突出反映了儲熱在可再生能源消納與電網靈活調節(jié)中的關鍵地位。在建筑與城市領域，建筑儲熱(主題3)、相變混凝土(主題10)與城市地表熱通量(主題12)共同構成了從建筑構件到城市尺度的熱能管理技術鏈。含水層與鉆孔儲熱(主題4)和太陽能海水淡化(主題16)代表了儲熱在跨季節(jié)儲能及水-能聯供等特定場景下的規(guī)?；瘧锰剿?，海洋熱儲存(主題17)關注自然水體作為巨規(guī)模儲熱介質的潛力。此外，人體熱生理調控(主題13)體現了儲熱技術向生物熱管理領域的滲透，展現了其極強的學科交叉性。上述應用主題的多樣性，印證了儲熱技術作為基礎支撐技術在“雙碳”背景下的廣泛適用。
整體來看，2000年以來儲熱領域各研究主題的發(fā)文量普遍呈現增長趨勢，但不同主題的興起時間、增長幅度與持續(xù)性存在差異，如圖5所示。以電力系統(主題0)、PEG基復合相變材料(主題1)等為代表的一批主題自早期便持續(xù)活躍，并始終保持強勁增長，構成了領域的核心主線。進入2010年后，以吸附式熱化學儲熱(主題5)、斜溫層單罐儲熱(主題7)、鈣基熱化學儲熱(主題8)、熔鹽(主題9)等為代表的面向高溫、高能量密度及系統集成的研究方向迅速興起。近年來，含水層與鉆孔儲熱(主題4)、太陽能海水淡化(主題16)等面向特定場景的交叉應用主題也呈現出明顯的上升趨勢。相比之下，主題13(人體熱生理調控)與主題17(海洋熱儲存)增長態(tài)勢相對平緩，研究規(guī)模與影響力尚未形成顯著突破，尚未成為領域的主流增長極。這一趨勢結構整體映射出該領域研究從基礎材料與傳熱，向系統集成與前沿技術，再向多元化、場景化應用縱深發(fā)展的演進路徑。
圖5 儲熱技術研究論文的主題趨勢分析
Fig. 5 Topic trend analysis of research papers on thermal energy storage technologies
3 全球儲熱技術研究的機構布局
儲熱技術研究整體呈現出以中國機構為主導、歐美傳統科研強國持續(xù)發(fā)力、新興國家逐步跟進的多元協同發(fā)展格局，主要機構如表2所示。中國方面，中國科學院以983篇的發(fā)文量位居全球首位，總被引次數(32419次)和H指數(88)等學術指標較高；西安交通大學、上海交通大學、華北電力大學、清華大學、浙江大學、華南理工大學等多所高校亦進入全球前列，顯示出中國在儲熱材料、系統集成及工程應用方面形成的規(guī)?；芯苛α?，例如，上海交通大學篇均被引48.81次、篇均使用72.07次，顯示出高質量研究與應用轉化并重的特征。美國能源部(DOE)作為國家級科研管理機構，引領并推動了高溫儲熱、熱化學儲能等方向的系統布局與發(fā)展。歐洲方面，德國亥姆霍茲聯合會、德國航空航天中心(DLR)以及法國國家科學研究中心(CNRS)等機構依托其在能源與工程領域的長期積累，在儲熱基礎研究與技術開發(fā)中發(fā)揮了關鍵作用。此外，印度理工學院系統、埃及知識庫(EKB)等機構也體現了發(fā)展中國家在儲熱應用與研究領域的積極參與。
表2 儲熱技術研究論文的主要發(fā)表機構
Table 2 Main publishing institutions of research papers on thermal energy storage technologies
主要機構的研究主題布局各有側重，如圖6所示。大型國立科研機構，如中國科學院、美國能源部、德國亥姆霍茲聯合會主導全面布局與戰(zhàn)略前沿攻關；頂尖大學(尤以中國工科強校為代表)在核心技術與系統集成中扮演中堅力量；而眾多高校則在各自擅長的材料創(chuàng)新或細分應用場景中深化研究，共同推動了儲熱領域知識與技術體系的發(fā)展。
圖6 儲熱技術研究主題圖分析
Fig. 6 Topic map analysis of thermal energy storage research topics
以中國科學院為代表的綜合性科研機構，研究覆蓋了從核心材料到多元應用的儲熱技術各關鍵環(huán)節(jié)。其在PEG基復合相變材料(主題1)、電力系統(主題0)等多個核心主題上均表現突出，同時也在城市地表熱通量調控、相變微膠囊制備及吸附式熱化學儲熱等前沿與交叉方向上開展較多研究。以西安交通大學、浙江大學、華北電力大學及清華大學為代表的中國高校，在能源電力與工程熱物理領域形成了鮮明的研究特色，在電力系統(主題0)這一最大的應用領域均具有極強的研究實力。其中，西安交通大學在翅片強化傳熱(主題2)開展較多研究，并積極布局金屬泡沫復合相變材料(主題14)等前沿方向。
美國與歐洲的頂尖科研機構則展現出面向未來能源系統的差異化戰(zhàn)略布局。美國能源部的研究高度聚焦于熔鹽(主題9)及其相關的熔鹽腐蝕(主題19)等高溫儲熱核心技術，旨在支撐聚光太陽能發(fā)電等國家重大戰(zhàn)略產業(yè)。德國亥姆霍茲聯合會則在推進含水層與鉆孔儲熱(主題4)、鈣基熱化學儲熱(主題8)等大規(guī)模、前沿性儲熱技術上投入巨大；法國國家科學研究中心亦在吸附式熱化學儲熱(主題5)領域深耕多年。
一批機構在特定主題上形成了全球性的特色與專長。例如，上海交通大學在吸附式熱化學儲熱(主題5)上成果突出；華南理工大學在PEG基復合相變材料(主題1)上研究集中；印度理工學院系統在翅片強化傳熱(主題2)技術領域較為活躍。埃及知識庫(EKB)在太陽能海水淡化(主題16)上的研究高度集中，產量遠超其他機構，這與其所處地區(qū)的水資源短缺問題緊密相關，區(qū)域資源稟賦與特定社會需求對科研方向形成強力牽引。
4 全球儲熱技術研究前沿與未來趨勢分析
突現詞圖譜通過識別特定時段內關鍵詞頻率的爆發(fā)性增長(即突現強度)，揭示領域內研究熱點的動態(tài)演變與新興前沿，如圖7所示。2010—2015年的研究焦點集中在“熔鹽”“相變材料”“聚光太陽能”等基礎材料。2015—2000年，研究前沿呈現多元化與交叉融合趨勢，一是向材料細化和功能化拓展，“納米流體”“氮化硼”等高性能復合材料成為熱點；二是與系統集成緊密銜接，“綜合能源系統”“能源柔性”“光熱轉換”“熱電聯供/冷”等表明研究從單一技術向智慧能源系統集成的轉變。2020年以來，“熱化學儲熱”“鈣循環(huán)”“磁熱效應”等前沿主題強度持續(xù)攀升，特別是以“熱化學儲熱”為代表的高能量密度技術，以“鈣循環(huán)”為典型的高溫長時儲能路徑，以及結合“磁熱效應”等新型物理場調控的智能儲熱材料，共同勾勒出儲熱技術向更高能量密度、更長周期存儲、更智能可控方向突破的前沿圖景。
圖7 儲熱技術研究的突現詞分析
Fig. 7 Burst term analysis of thermal energy storage research
結合突現詞分析和代表性文獻梳理研究前沿，涵蓋從材料創(chuàng)新(如MXene基復合相變材料、磁場輔助儲能)到系統集成(如綜合能源系統、卡諾電池)，從多能耦合(如光熱協同、鈣循環(huán))到智慧優(yōu)化(如機器學習輔助經濟與性能優(yōu)化)等多維度發(fā)展方向。一是技術性能突破，聚焦于提升能量密度與儲能周期，熱化學儲熱與鈣循環(huán)體系成為前沿方向；二是材料功能集成，通過MXene基復合相變材料與磁場輔助調控等技術，實現材料在光熱、磁熱等多場耦合下的智能響應；三是系統融合創(chuàng)新，推動儲熱與綜合能源系統深度融合，卡諾電池等正拓展多能耦合應用場景；四是全鏈條智能化，人工智能技術正全面滲透于儲熱系統的材料設計、運行優(yōu)化與協同控制。
鈣循環(huán)技術作為高溫熱化學儲熱的核心路徑，當前研究前沿聚焦于提升材料的光熱吸收、循環(huán)穩(wěn)定性與反應動力學性能，并推動系統向太陽能直接驅動與規(guī)?；煞较虬l(fā)展。以南京航空航天大學、西安交通大學、西班牙塞維利亞大學為代表的研究機構正通過多元素摻雜(如Mn、SiC、Al、Mg、Ce等)或復合改性策略，開發(fā)高光吸收、抗燒結的鈣基復合材料，并結合原位表征與密度泛函理論(DFT)揭示微觀增強機制。華中科技大學、浙江大學等機構致力于優(yōu)化溶膠-凝膠、燃燒合成等材料制備工藝，提升材料循環(huán)儲能密度。在系統集成層面，南京航空航天大學、英國伯明翰大學等正探索流化床反應器中太陽能直接輻照下的鈣循環(huán)儲能過程，以緩解局部過熱并強化傳質，塞維利亞大學、山東大學等則推進鈣循環(huán)與氫氧化鈣儲熱系統或制氫過程的耦合。未來趨勢將更注重多尺度材料設計、光-熱-化協同調控，以及面向規(guī)?；瘧玫南到y優(yōu)化與成本控制，推動鈣循環(huán)儲能在光熱電站與工業(yè)減排中的實際應用。
MXene基復合相變材料的研究前沿正從單一的光熱轉換向多源驅動(光/磁/電熱)、多功能集成與結構精細化設計方向快速演進。以華南理工大學、華中科技大學、北京化工大學等為代表的研究團隊，開發(fā)基于MXene氣凝膠、海綿等多孔骨架的高負載、防泄漏相變復合材料，并聚焦于太陽能海水淡化這一應用場景，通過MXene的高效光熱效應與相變材料的儲熱能力相結合，實現了在間歇光照下的持續(xù)穩(wěn)定蒸發(fā)。前沿研究進一步向能量轉換與功能一體化拓展，北京科技大學、廣東工業(yè)大學等機構通過將MXene與Fe3O4等磁性納米粒子復合，實現了太陽能與磁能的雙重驅動與存儲，光熱轉換效率最高達97.7%，并同步集成了優(yōu)異的電磁屏蔽與微波吸收功能。未來趨勢將更加注重多維結構精準調控、智能化響應，以及面向實際工程場景的規(guī)?；苽渑c長效穩(wěn)定性探索，推動MXene基相變材料從高性能實驗室樣品走向柔性電子熱管理、建筑節(jié)能及工業(yè)余熱回收等應用。
磁場輔助儲熱的前沿研究聚焦于其與納米流體、相變材料及多物理場的智能耦合調控，旨在突破傳統儲熱材料的傳熱極限與可控性瓶頸。例如，廣東工業(yè)大學、印度理工學院等機構通過非均勻磁場與磁性納米顆粒(如Fe3O4)的協同作用，實現了對相變材料熔化凝固界面及納米顆粒分布的精準調控，揭示了磁場對納米增強相變材料非牛頓流體行為的關鍵影響機制。同時，研究進一步探索了磁場-超聲波-多孔介質等多場耦合策略，證明其對多元納米流體(如三元納米流體Al2O3-CuO-Cu/H2O)的傳熱與儲熱性能具有顯著協同增強效應，例如莫希-烏丁伊斯蘭大學、費薩爾大學等機構的數值模擬表明，在多場耦合作用下系統熱效率可提升超過200%。在器件與應用層面，伊朗伊斯蘭阿扎德大學、馬贊德蘭大學等通過優(yōu)化磁場布置，使相變材料熔化速率提升40%，并提出了磁控可逆儲能單元的設計概念。未來趨勢將更側重于跨尺度實驗驗證、人工智能驅動的磁控策略優(yōu)化以及環(huán)保型磁性納米流體的開發(fā)，以推動磁熱調控技術在可再生能源存儲、高端制造熱管理等領域的工業(yè)化應用。
光熱的研究前沿正聚焦于多材料、多尺度集成與多效應協同，以實現太陽能的高效捕獲、轉換、存儲與按需管理。國內外機構，如中國科學院(廣州能源所、蘭州化學物理所等)、武漢理工大學、北京科技大學、南昌大學等，正致力于開發(fā)高性能光熱功能材料與系統，其核心包括構建具有光催化與光熱協同效應的新型催化劑(如Ag/MoS2@Fe-CS氣凝膠)以提升污染物降解效率；設計以MXene、石墨烯、碳納米管等為骨架的定型相變復合材料(如MXene@Fe3O4-MA、PEG/PVA-rGO)，通過增強光吸收與導熱路徑，將光熱轉換效率提升至90%以上，并集成磁熱、電磁屏蔽等多功能；以及開發(fā)基于氣凝膠、水凝膠和微膠囊的智能熱管理器件(如雙層水凝膠蒸發(fā)器、熱致變色相變涂層)，實現全天候海水淡化、可穿戴溫控紡織品和自適應防/除冰等應用。未來趨勢將更強調材料與器件的智能化、集成化與可持續(xù)性，例如通過動態(tài)共價鍵(如硼酸酯)賦予相變材料超穩(wěn)定力學性能，利用熱致變色與相變儲能耦合實現光熱效率的自調節(jié)，并進一步探索光-熱-磁-電等多能量形式的協同轉換與存儲。
綜合能源系統的研究前沿正深刻認識到儲熱技術是解鎖系統靈活性、提升經濟性與實現深度低碳化的關鍵核心。國內頂尖機構，如華北電力大學、清華大學、湖南大學及歐洲的杜倫大學、皇家理工學院等，正致力于開發(fā)先進的規(guī)劃與運行優(yōu)化方法。前沿探索主要聚焦于三個層面，一是系統級協同規(guī)劃，將儲熱與電、氫等儲能進行容量-選址-運行的聯合優(yōu)化，以最經濟方式平抑可再生能源波動與多能負荷差異，如華北電力大學對“電-熱”混合儲能系統的選址定容研究；二是運行級靈活性提升，深度利用熱網管道熱慣性(“虛擬儲熱”)與建筑熱質量等分散式儲熱特性，并與電鍋爐、熱泵、熱電聯產機組靈活耦合，以緩解以熱定電約束，提升風電、光伏的消納能力，如清華大學、華北電力大學對熱網動態(tài)模型與多時間尺度調度的研究；三是增強韌性，將儲熱作為關鍵應急熱源，與天然氣、氫能等多能源耦合，以應對極端天氣或故障下的能源供應中斷。未來趨勢將更側重儲熱的智能化與集成化，通過人工智能實現儲熱與電池在建筑級IES中的實時自適應優(yōu)化，以及推動儲熱從“隱性”的緩沖單元向主動參與市場交易、提供多重輔助服務的智能資產演進。
卡諾電池作為一類基于熱泵循環(huán)與熱機循環(huán)耦合的大規(guī)模電能儲存技術，近年來已成為儲熱領域重要的前沿研究方向，正從基礎循環(huán)構型向系統集成化、材料高端化與調控智能化方向全面演進。在材料層面，東京科學大學、南京工業(yè)大學等機構將卡諾電池與鈣基、水合鹽等熱化學儲熱技術結合，推動能量密度與儲能時長顯著提升。在系統層面，以中國科學院、西安交通大學為代表的研究聚焦于與低品位工業(yè)余熱的深度集成，通過多熱源協同管理實現系統往返效率的突破；歐洲團隊如德國紐倫堡大學則致力于有機閃蒸循環(huán)、二氧化碳跨臨界循環(huán)等新型熱力路徑開發(fā)，以提升寬溫區(qū)運行性能。同時，面向工程應用的技術經濟性分析與智能調控成為關鍵趨勢，浙江大學、根特大學等通過熱經濟建模與機器學習優(yōu)化，評估其在光伏消納與電網調峰中的成本與可行性。未來，卡諾電池的研究將更加注重與氫能、燃料電池等系統的多能耦合，并向材料定制化、設計智能化與商業(yè)規(guī)?；较虬l(fā)展，旨在成為支撐高比例可再生能源新型電力系統的長時儲能核心方案。
以機器學習、大語言模型為代表的人工智能技術正深刻驅動儲熱技術發(fā)展，從數據驅動輔助，快速轉向物理信息融合與全生命周期智能設計。例如，清華大學、香港科技大學等正聚焦于構建基于機器學習的模型預測控制框架，通過集成負荷與可再生能源預測，優(yōu)化含相變材料或冰儲冷的區(qū)域供冷系統，以提升能效與經濟性；西安交通大學、哈立法大學等團隊則利用LSTM、圖神經網絡等工具，精準預測相變材料在復雜強化結構中的瞬態(tài)行為，并融合分子模擬進行新型儲熱材料的高通量智能篩選。前沿探索更側重于發(fā)展融合物理機理的神經網絡和集成智能優(yōu)化算法的代理模型，以實現儲熱單元結構與系統的自動化設計。未來趨勢將關注數字孿生驅動的集成能源系統協同調度、跨區(qū)域儲熱輸配優(yōu)化，以及基于強化學習的自適應控制，最大化儲熱在高比例可再生能源系統中的靈活性與經濟價值。
盡管儲熱領域發(fā)展迅速，但仍存在技術空白，高參數材料與長周期系統亟待集中攻關。首先，超高溫儲熱材料存在商業(yè)化空白，現有熔融鹽體系的工作溫度上限(約565℃)制約了光熱發(fā)電效率提升與高溫工業(yè)應用，下一代超高溫熔鹽、金屬/陶瓷基相變復合材料及以鈣循環(huán)為代表的熱化學儲熱系統，其長期循環(huán)穩(wěn)定性、腐蝕控制及成本問題尚未完全解決，距離大規(guī)模商業(yè)應用仍有顯著差距。其次，熱化學儲熱技術整體處于成熟度空白，該技術雖具備能量密度高、熱損失極低的突出優(yōu)勢，尤其適合長時儲能，但絕大多數體系仍停留在實驗室或原型階段，面臨反應動力學、材料衰減與系統集成的多重挑戰(zhàn)。再次，低成本、高可靠性的規(guī)模化跨季節(jié)儲熱技術存在應用空白，盡管含水層儲熱等技術已有示范，但能在全國范圍廣泛部署、兼具極高經濟性與可靠性的超大規(guī)模解決方案尚未形成，這需要材料、地下工程與系統設計的協同創(chuàng)新。
5 結論與展望
在全球能源結構向綠色低碳轉型的進程中，儲熱技術展現出日益重要的戰(zhàn)略價值。本研究發(fā)現，自2010年以來，該領域研究規(guī)模持續(xù)快速增長，形成了從以納米增強相變材料、熔鹽體系及熱化學材料為代表的基礎材料創(chuàng)新，到以翅片強化傳熱和斜溫層儲罐技術為核心的單元與器件開發(fā)，再到覆蓋電力系統調峰、建筑節(jié)能調控、工業(yè)余熱回收以及海水淡化等多場景應用的多層知識體系。全球研究力量呈現多元化格局，中國、美國和歐洲構成三大主導區(qū)域，分別聚焦于規(guī)?；こ虘?、高溫熔鹽等戰(zhàn)略技術布局以及熱化學儲能、含水層儲熱等前沿長時儲能系統；印度、埃及等國家也在海水淡化等特定應用方向形成了特色研究。盡管全球儲熱技術發(fā)展迅速，但在邁向大規(guī)模商業(yè)化應用的過程中，仍面臨一系列材料、系統、經濟性及集成應用方面的核心瓶頸與挑戰(zhàn)。
在材料層面，核心問題體現在性能、穩(wěn)定與成本三方面，長期熱穩(wěn)定性、高導熱性、抗腐蝕性及低成本是突破的關鍵。一是關鍵物性與長期穩(wěn)定性不足，中高溫相變材料(如熔鹽)在反復熱循環(huán)中易發(fā)生分解與性能衰減，影響系統可靠性與壽命；其普遍存在的腐蝕性也限制了嚴苛工況下的應用。二是導熱與封裝難題突出。高潛熱材料(如石蠟)往往導熱系數低，導致儲/放熱功率受限。盡管通過引入石墨骨架等可大幅提升導熱率，卻增加了材料復雜度與成本；而對于金屬相變材料，其相變泄漏問題則對微膠囊封裝工藝提出了極高要求。三是成本與可持續(xù)性制約。高性能材料往往價格高昂，推動研究者探索如利用蘭炭灰等工業(yè)固廢作為復合骨架，以期在保障性能的同時降低成本、提升資源化利用水平。
在系統與經濟性層面，降低初始投資、延長循環(huán)壽命、優(yōu)化全生命周期成本是商業(yè)化推廣的核心。儲熱系統，特別是相變儲熱系統，因涉及高性能材料與復雜結構，其初始投資成本通常高于傳統系統，構成市場推廣的主要障礙。同時，材料的循環(huán)穩(wěn)定性直接決定了系統的更換頻率，若無法實現數千甚至上萬次穩(wěn)定循環(huán)，將導致全生命周期度電成本偏高。此外，系統集成與運維日趨復雜，尤其在風光儲等多能互補場景中，需協調多種設備并優(yōu)化運行策略，這對系統設計與調度算法提出了極高要求。
在集成應用方面，儲熱技術雖為消納波動性風光電力提供了關鍵路徑，但仍面臨源荷動態(tài)匹配與長期存儲的挑戰(zhàn)。一方面，可再生能源出力與熱負荷需求在時序上存在錯配，系統的容量與功率配置需在成本、效率與消納能力間取得精細平衡，往往需借助多目標優(yōu)化算法求解最優(yōu)方案。另一方面，為實現太陽能跨季節(jié)儲存以應對冬季供暖，大規(guī)模長期儲熱技術仍需克服熱損失大、儲熱密度要求高及地下儲熱裝置投資巨大等難題，其經濟性與可靠性有待進一步通過示范工程驗證。
為推動儲熱技術從示范應用邁向大規(guī)模商業(yè)化應用，需圍繞材料、系統、應用及支撐體系展開系統性創(chuàng)新，布局向高溫、集成化、長時儲能傾斜。在材料層面，重點攻關高性能、低成本儲熱材料，包括開發(fā)適用于光熱發(fā)電與高溫工業(yè)的新型熔鹽、陶瓷基相變材料及熱化學儲熱材料，并利用工業(yè)固廢制備定型相變材料以降低成本。同時發(fā)展兼具儲熱與熱管理、熱電轉換等功能的多功能復合材料。在系統與裝備層面，應通過跨尺度建模與人工智能優(yōu)化儲熱系統設計，研發(fā)高效緊湊的換熱器等關鍵部件，并推動儲熱模塊標準化、模塊化，以提升可靠性并降低部署成本。在應用層面，著力推進儲熱在工業(yè)余熱回收與可再生能源供熱中的集成，探索跨季節(jié)儲熱商業(yè)模式，并深化儲熱與熱泵、風光發(fā)電及儲電的協同，構建多能互補系統。此外，需完善儲熱全產業(yè)鏈標準體系與測試平臺，建立開放共享的材料物性與案例數據庫，并加強跨學科人才培養(yǎng)與國際合作，共同構建健康的技術生態(tài)，支撐儲熱成為未來高比例可再生能源系統中的關鍵調節(jié)環(huán)節(jié)。
