液态空气储能双级填充床储冷多场耦合非稳态工作机理研究

Liquid air energy storage system (LAES) is quite suitable for large-scale renewable energy storage in low-carbon power grid. A novel double packed bed cryogenic storage system is proposed in this project to meet the requirements of low cost, high efficiency and safety of large scale cryogenic storage of LAES. Due to the grade storage of cold exergy which is recovered during the liquefaction process and is recycled during evaporation process, the cold exergy recovery efficiency and temperature field coordination between hot and cold fluids are all improved greatly. Detailed theoretical analysis, numerical simulation and experimental research will be carried out to build up a first small double packed bed cryogenic storage pilot system, and to understand the the exergy loss mechanism and unsteady thermodynamic characteristics of key components and whole system. The multi-field coupled complex mechanism and system performance enhancement mechanism will be revealed. System optimization method and operational control strategy will be developed to promote the development of renewable energy technologies and large-scale energy storage technologies.

液态空气储能系统非常适合于未来低碳电网中实现可再生能源的大规模、低成本存储。本项目创新性的提出了一个高效、低成本和安全可靠的双级填充床蓄冷系统，实现超临界空气在液化和蒸发过程不同品味冷能的分级回收和利用，从而大幅提高冷热流体间温度场协同性和冷㶲的回收效率，并降低了系统工作压力。通过本项目开展的详细理论分析、数值模拟和实验研究，将建成首个小型双级填充床储冷实验台，从部件到系统整体阐明循环储释过程的稳态和非稳态特性，揭示双级填充床斜温层非线性扩散推移、换热器温度梯度重构、压力场变化、流量比例变化的多场耦合复杂非稳态工作机制，探索系统性能强化机理和优化设计方法，总结出一套高效运行控制策略。本项目的研究成果将促进可再生能源和大规模储能技术的发展。

在国家“30•60”双碳目标下，新能源发电技术获得了大规模、高质量的快速发展，储能技术是未来构建以新能源为主体的新型电力系统的核心关键支撑技术，当前的储能技术发展还远落后于可再生能源发电需求，亟需开发低成本、高效和安全的大规模储能技术。液态空气储能(LAES)以空气为存储介质和工作流体，具有高能量密度、可扩展性、成本低和非地理限制等优势，在电网调峰、负荷转移和处理可再生能源发电的间歇性问题上有非常重要的应用前景。蓄冷系统冷㶲的损失极大地影响液态空气储能系统效率, 双级填充床蓄冷系统能够实现超临界空气在液化和蒸发过程不同品味冷能的分级回收和利用，从而大幅提高冷热流体间温度场协同性和冷㶲的回收效率，并降低了系统工作压力。本项目建成了填充床气固耦合流动传热基础研究实验台，开展了规整填充床内的混合对流传热过程实验研究，揭示了自然对流、强制对流与流固耦合传热机理。数值模拟研究了闭式填充床内部循环储释性能特性，并提出关键储冷装置——深冷储冷填充床的优化设计方法。实验研究了千次储/释冷循环对岩石蓄冷材料的热物性和强度的影响，优选了蓄冷材料。建立了分级蓄冷系统非稳态数值计算模型，研究了连续循环条件下的进出口非稳态温度、温度分布、储㶲量和系统㶲效率的变化规律，揭示了不同显热蓄冷材料、换热器长度以及填充床容积对蓄冷系统性能的影响机理。建成了首个100kW双级填充床储冷装置, 开展了双级填充床循环蓄冷系统额定工况和变工况实验研究，揭示了双级填充床储-释冷特性和系统运行机理，探索了填充床斜温层推移、储释冷过程工况转变和轴向导热对换热器温度梯度重构的耦合作用，阐明了不同工况参数对储冷系统性能影响机理。本项目的研究成果可以有力的促进液态空气储能技术的大型示范应用。