圆柱形填充床储热系统热状态监测新方法：基于热势状态(STP)的动态运行优化策略

本研究针对填充床储热系统(PBTES)在动态运行中热管理难题，提出创新性指标"热势状态"(STP)，通过建立数学条件约束系统运行，突破传统依赖温度阈值的局限。研究揭示了STP与设计参数的关联规律，为CSP等场景下的储热系统优化控制提供新范式。

　　

在全球能源转型背景下，聚光太阳能发电(CSP)等可再生能源技术面临间歇性供电挑战，其中热能储存(TES)系统的效率成为关键瓶颈。传统填充床储热系统(PBTES)虽具有成本优势，但在动态运行中因热梯度(thermocline)移动导致储热能力持续衰减，亟需精准的热状态监测方法。现有技术多采用固定温度阈值控制充放电过程，既无法反映真实储热潜力，又造成能源浪费。

针对这一难题，智利太阳能研究中心(SERC Chile)的Ignacio Calderón-Vásquez团队在《Journal of Energy Storage》发表创新研究。通过建立"热势状态"(State of Thermal Potential, STP)指标，首次实现PBTES系统热力学状态的动态量化。该指标通过对比实际储热状态与理想条件的比值，仅需测量床层顶部/底部温度即可计算，其数学表达式STP(t)=[T_top
(t)-T_bot
(t)]/[T_max
-T_min
]能精确预测最佳充放电截止点。

研究采用多尺度建模方法：首先构建圆柱形填充床的CFD(计算流体力学)模型，耦合传导-辐射-对流多物理场；其次通过无量纲分析确定关键设计参数如毕奥数(Biot number)、斯蒂芬-玻尔兹曼常数(Stefan-Boltzmann constant)的影响权重；最后基于300组参数化仿真数据建立STP_max
与储罐高径比、颗粒孔隙率的关联方程。实验验证采用花岗岩填充床，以空气为传热流体(HTF)，温度监测精度达±0.5K。

Mathematical modeling
建立考虑固体颗粒非平衡热交换的双相能量方程，揭示热梯度移动速度与STP的微分关系。当STP=1时系统达最大储热潜力，此时热梯度恰好未逸出储罐。

Parametric analysis
发现STP_max
与无量纲数群τ_c
（特征充电时间）呈指数衰减关系，当高径比>3时系统效率提升42%。多罐系统(MTTES)串联配置可使热损失降低27%。

Potential applications
该指标已应用于智利Atacama沙漠的CSP示范项目，实现充放电过程自动化控制，使利用系数(ζ)提升至0.81±0.03，较传统方法提高19%。

Conclusions
STP指标革新了PBTES系统的运行范式：其一，突破温度阈值的经验性限制，建立基于热力学势的理论框架；其二，通过参数化方程实现设计-运行协同优化；其三，为多罐系统(MTTES)的智能调度奠定基础。研究团队正在开发嵌入式STP监测模块，未来可拓展至熔盐储热等高温场景。这项来自智利的创新成果，为全球可再生能源存储技术提供了低成本解决方案。