液态CO2储罐热力学建模与动态性能分析：相态调控对储能系统性能的影响机制研究

针对液态CO2储能系统（LCES）中储罐（LCST）相态行为研究不足的问题，研究人员通过建立单相与两相显式热力学模型，揭示了不同相态下储罐压力变化机制。研究发现两相运行可降低压力变化率但导致有效存储密度（ESD）衰减，提出冷却策略优化性能，为LCES系统设计提供理论支撑。

　　

随着全球气候变化加剧和可再生能源间歇性问题的凸显，电网级储能技术成为研究热点。液态CO₂储能（LCES）因其地理灵活性、成本效益和长寿命等优势崭露头角，但其核心组件液态CO₂储罐（LCST）的热力学行为与动态性能研究仍存在显著空白。传统研究多将储罐视为理想状态，忽视了CO₂在单相（超临界/液态）和两相（气液共存）状态下的差异特性，导致系统模拟失真和运行效率降低。中国科学院工程热物理研究所的研究团队通过建立显式热力学模型，首次系统揭示了LCST在不同相态下的动态响应规律，为优化LCES系统性能提供了关键理论依据。

研究采用显式能量微分方程构建单相与两相热力学模型，结合高/低压储罐（HPT/LPT）动态仿真，分析了充放循环中压力、能量系数和ESD的变化规律。通过多周期模拟发现，两相运行虽能降低压力变化率，但会导致ESD随循环次数逐渐衰减至稳定值。团队进一步提出冷却策略以维持初始ESD，并量化了关键参数对储能性能的影响。

系统描述
LCES系统包含低压罐（LPT）和高压罐（HPT），通过冷能回收单元和压缩机/涡轮机组实现能量转换。研究发现，CO₂在储罐中的相态直接影响压缩机/涡轮机运行边界条件，但现有模型未能准确反映这一特性。

热力学模型开发
研究建立了基于质量-能量守恒的显式微分方程：单相模型通过亥姆霍兹自由能方程描述压力-温度关系，两相模型引入气液平衡条件。理论推导表明，两相状态下能量-压力系数（?u/?P）更高，导致压力变化率较单相降低60%以上。

单周期动态特性
仿真显示，LPT在单相释放时压力骤降（0.15 MPa/s），而两相释放仅0.02 MPa/s；HPT填充过程压力上升速率是释放的1.8倍。两相运行的ESD在填充阶段比释放低12%，验证了"非对称衰减"现象。

多周期稳定性分析
经过5次循环后，LPT和HPT的ESD分别衰减至初始值的78%和83%，主要源于气化潜热积累导致的温度漂移。这一发现解释了Dewevre实验中RTE降低17%的内在机制。

冷却策略提案
在填充末期对LPT实施-10°C冷却可使ESD恢复至初始值，但需额外能耗4.8 kWh/cycle。参数分析表明，冷却温度每降低5°C，HPT储能密度提升7.2%，但系统RTE下降1.3个百分点。

结论与意义
该研究首次从热力学角度阐明了LCST相态对系统性能的调控机制：两相运行通过提高能量-压力系数实现压力稳定，但需以ESD衰减为代价。提出的冷却策略为LCES工程设计提供了重要参考，其建立的显式模型可推广至其他超临界流体储能系统。论文成果发表于《Journal of Energy Storage》，不仅填补了LCST动态特性研究的理论空白，更为解决可再生能源大规模储能中的压力波动难题提供了创新思路。