液化气体储能系统中填充床蓄冷装置的热力学性能优化与梯度温度层影响机制研究

针对液化气体储能系统(LGES)中蓄冷装置性能受温度梯度层影响的关键问题，本研究通过建立填充床蓄冷(CSPD)仿真模型，探究不同蓄冷终止因子(Rch )对首次循环与常规循环中充/放电效率的影响规律。结果表明：Rch 增至0.65时系统整体效率达峰值61.98%，但高Rch 会导致有效蓄冷容量浪费，为LGES系统蓄冷床设计与运行提供了重要理论依据。

　　

随着全球能源结构转型加速，可再生能源发电占比持续提升，但其间歇性与不稳定性严重制约电网稳定性。液化气体储能(LGES)技术因高能量密度和地理适应性优势成为解决方案，其中蓄冷装置的性能直接决定系统效率。当前主流双罐蓄冷技术虽效率达90%，但易燃易爆的烃类介质限制其应用场景；而填充床蓄冷(CSPD)采用岩石介质，兼具安全性与经济性，却面临温度梯度层导致的冷能损失难题。针对这一瓶颈，研究人员开展了基于液化二氧化碳储能(LCES)场景的CSPD热力学性能研究。

研究团队通过建立CSPD三维非稳态传热模型，采用空气作为中间换热流体，重点分析了不同R_ch
(蓄冷终止温度因子)对深冷工况下系统性能的影响。关键技术包括：(1)基于Ergun方程的多孔介质流动-传热耦合建模；(2)首次循环与常规循环的动态性能对比；(3)网格独立性验证与文献实验数据对标。

蓄冷填充床工作原理
CSPD通过岩石填料与换热流体的显热交换实现冷能存储。在LCES系统中，当R_ch
从0.55增至0.75时，充电效率提升12.3%，但放电效率下降9.8%，揭示温度梯度层厚度与R_ch
呈正相关性。

模型验证
采用有限体积法求解能量守恒方程，网格独立性测试显示5mm网格尺寸误差<1%。与Guo的实验数据对比，温度场预测偏差控制在±1.5K内。

结果讨论
首次循环中系统整体效率呈抛物线变化，R_ch
=0.65时达峰值61.98%。常规循环显示：R_ch
每增加0.1，充放电利用率下降7.2%，证实高R_ch
虽提升整体效率但加剧有效冷能浪费。温度梯度层分析表明，其厚度扩大是导致放电末期冷能损失达18.7%的主因。

结论与意义
该研究首次量化了R_ch
对CSPD多周期性能的影响规律，提出在效率提升与冷能浪费间需权衡选择R_ch
。成果为LGES系统蓄冷床设计提供关键参数优化依据，推动安全经济的岩石蓄冷技术替代传统双罐系统。未来研究可结合相变材料优化梯度温度层分布，进一步提升系统循环稳定性。