高温固态-空气能量储存用内加热填充床容器的最佳设计与运行：基于理论推导关系的实际应用

《Journal of Energy Storage》：Optimum design and operation of an internally-heated packed-bed tank for high-temperature solid–air energy storage: Practical application from theoretically-derived relations

本研究提出了一种新型内部加热热能存储器（IH-TESLA）的设计方法，通过理论推导和数值模拟优化了热存储罐的尺寸、材料选择和运行参数。针对高耗能工业的碳中和需求，比较了氧化铝、碳化硅和混凝土三种材料在不同颗粒形状下的热性能，发现碳化硅颗粒在快速响应和高功率（100 kW）下表现最优，而混凝土适用于低功率（2.5 kW）长期稳定场景。研究建立了设计指南，明确了颗粒尺寸、孔隙率、加热时间等关键参数的关系，并验证了机械功率损失可忽略的结论。未来将通过实验原型验证理论模型。

　　**解读：固体-空气内部加热热能存储系统的设计方法与应用**

在全球努力实现碳中和目标的背景下，能源存储技术在推动可再生能源集成和减少温室气体排放方面扮演着至关重要的角色。近年来，一种新型的热能存储系统——固体-空气内部加热热能存储（IH-TESLA）系统，因其在高温度热能应用中的独特优势而受到关注。这种系统通过在固体颗粒床中引入局部热源，能够实现高效的热能存储和释放，从而满足高功率、高温度变化需求的工业应用。本文提出了一种基于理论推导的系统设计方法，通过分析不同材料（如氧化铝、碳化硅和混凝土）在不同填充结构下的性能，为实际工程应用提供了可行的优化设计方案。

**热能存储系统的核心挑战**

传统的热能存储系统面临多个挑战，包括热效率低、系统尺寸过大、能量传输不均等。其中，高温度工业应用，如钢铁制造、化工和陶瓷生产，因其高能耗和高排放，成为碳中和过程中最难以处理的领域之一。这些行业通常依赖化石燃料，因此，需要开发能够满足高温度和高热功率需求的新型热能存储技术。与此同时，气体作为热传递流体的热容量较低，限制了其在高温度应用中的热效率。因此，开发一种能够有效解决这些问题的热能存储系统成为当务之急。

**IH-TESLA系统的优势与设计原理**

IH-TESLA系统通过在热能存储罐中引入局部热源，实现了对热能的高效利用。与传统的轴向流热能存储系统相比，这种系统能够通过将热源放置在接近出口的位置，提高热能的传输效率。此外，该系统能够通过控制热源厚度和位置，优化热能存储时间、系统尺寸、热源体积等关键参数，从而满足不同的热功率和温度变化需求。在设计过程中，需考虑热源的非维度厚度、罐体的长度和直径、热容量、热导率等参数，以确保系统的高效运行。

**不同材料的热性能分析**

在本文中，对三种典型材料（氧化铝、碳化硅和混凝土）进行了详细分析，探讨它们在IH-TESLA系统中的应用潜力。氧化铝具有适中的热导率和热扩散率，适用于中等功率的热能存储系统，能够实现相对较短的加热时间。碳化硅的热导率较高，适用于高功率应用，能够显著缩短加热时间，从而提高系统的响应速度。然而，碳化硅在快速温度变化下可能表现出一定的脆性，限制了其在某些情况下的使用。混凝土则因其低热导率，适用于低功率应用，但其成本较低，且在长期运行中具有较好的经济性，因此在某些需要持续加热的场景中更具优势。

**设计方法的应用与优化**

本文提出了一套基于理论推导的设计方法，能够有效估算IH-TESLA系统的关键参数，如加热时间、系统尺寸、热源体积等。通过设定合理的热源厚度和位置，以及优化填充颗粒的尺寸和形状，可以实现系统的高效运行。此外，系统设计还需考虑罐体的填充方式，如随机填充或规则排列，以确保热能传输的均匀性和效率。在实际应用中，这些参数的优化对于提高系统性能、降低运行成本具有重要意义。

**不同填充颗粒的性能比较**

通过对比不同填充颗粒（如球形颗粒、空心颗粒、多孔圆柱体等）在IH-TESLA系统中的表现，可以发现不同材料和颗粒形状对系统性能的影响显著。例如，球形颗粒在系统中表现出较好的热传输性能，而多孔圆柱体则因结构特点导致热能传输效率较低。因此，在实际设计中，需根据具体的热功率需求和应用场景选择合适的填充颗粒类型和材料。

**未来研究方向**

尽管IH-TESLA系统在理论上具有诸多优势，但其实际应用仍需进一步验证。因此，本文提出未来的研究方向包括开发实验原型，以验证理论模型的准确性，评估系统的热力学性能、热机械性能以及在不同工况下的稳定性。此外，还需进一步研究系统在实际工业应用中的适应性，以确保其能够满足不同热功率和温度变化需求。

**结论**

本文通过理论分析和设计方法，为IH-TESLA系统提供了优化设计的指导。结果显示，碳化硅颗粒在高功率和高热导率应用中表现出色，而混凝土则适用于低功率、长期运行的场景。未来，随着实验研究的深入，IH-TESLA系统有望成为高温度工业热能存储的重要解决方案，推动可再生能源的广泛应用和碳中和目标的实现。