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液态空气储能系统中基于液态与固态冷能存储配置的热力学与经济性对比分析
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年06月13日 来源：Journal of Energy Storage 8.9
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为解决液态空气储能系统(LAES)循环效率低的问题，研究人员开展了液态(甲醇/丙烷)与固态(填充床)冷能存储(CTES)配置的对比研究。通过热力学建模和技经分析，发现甲醇/丙烷方案虽成本最高但效率最优(60.7%)，而级联双级填充床(2PBcasc)是固态方案中最经济的(LCOS 294.3�/MWh)。该研究为LAES系统冷能存储技术选择提供了首个全面的技经比较框架。
随着可再生能源在电网中占比的提升，如何解决其间歇性带来的供需失衡成为关键挑战。液态空气储能(LAES)因其高能量密度和地理适应性成为备受关注的解决方案，但其较低的往返效率(RTE)始终是制约发展的瓶颈。问题的核心在于冷能存储(CTES)技术——现有研究多聚焦于液态(甲醇/丙烷)或固态(填充床)方案，但缺乏系统的热力学与经济性对比，这使得技术路线选择缺乏科学依据。
针对这一空白，研究人员开展了开创性的对比研究。通过建立包含验证过的瞬态填充床模型和非设计工况换热器模型的准静态LAES模型，首次对四种主流CTES配置进行优化：双流体四罐(MP)、单级填充床(1PB)、串联双级填充床(2PBser)和级联双级填充床(2PBcasc)。研究以液体产率(Y)、RTE和储能平准化成本(LCOS)为目标函数，确定了影响性能的关键参数，包括压缩机/涡轮机数量、充放电压力等。
关键技术方法包括：1) 采用MATLAB R2023a开发LAES系统模型，整合验证过的稳态模型与瞬态填充床模型；2) 基于Dittus-Boelter关联式建立换热器传热系数模型；3) 采用Nelder-Mead等方法进行无导数优化；4) 运用包含资本回收因子(CRF)的LCOS计算公式进行经济性评估。
在冷能存储热力学优化方面，研究发现：
• 最大存储温度与级间质量比显著影响液体产率，MP配置在220bar充电/60bar放电时取得最高产率87.9%
• 填充床动态特性导致出口温度随时间上升，其中1PB配置的冷端温度最低但受真实气体效应影响明显
• 2PBcasc通过级联设计平衡了温度匹配与能量密度，其液体产率(81.7%)显著优于2PBser
系统级热力学优化揭示：
• 压缩机数量为2、涡轮机数量为3(MP)或4(PB)时达到最佳RTE
• MP配置在210bar/120bar工况下实现最高RTE 60.7%，2PBcasc以53.4%成为固态方案最优
• 充放电压力对RTE呈非单调影响，存在明确的最优压力组合
技经分析显示：
• 尽管MP配置的CTES成本最高(22.8M�)，但因换热器效率优势，其总CAPEX(124M�)与2PBcasc(120.2M�)相当
• 1PB配置储能密度最高(16.1kWh/m3
)，但2PBcasc的LCOS(294.3�/MWh)更优，反映其更好的经济性平衡
• 涡轮机成本敏感性分析表明，即使成本增加10倍，MP配置仍保持9%的LCOS优势
这项研究的意义在于首次建立了LAES系统冷能存储技术的完整评价框架。结果表明，虽然甲醇/丙烷方案在效率上具有不可替代的优势，但级联双级填充床作为固态方案代表，在安全性、环保性和经济性之间取得了更好平衡，为不同应用场景的技术选择提供了科学依据。特别值得注意的是，研究揭示了换热器成本对系统经济性的关键影响，这为未来优化指明了方向——开发高效低成本的低温换热器将成为提升固态CTES竞争力的关键。论文发表在《Journal of Energy Storage》，为储能领域的技术路线选择提供了重要参考。
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