利用废弃油藏和多源废热的集成A-CAES与热能储存系统数据驱动多目标优化

《Energy》：Data-driven multi-objective optimization of an integrated A-CAES and thermal storage system utilizing abandoned oil reservoirs and multi-source waste heat

　　•新型A-CAES系统利用废弃油藏和各向异性CPCM。
•生物质衍生CPCM的3：1长径比显著增强传热。
•耦合CPO-SVR和MOCOA框架实现快速多目标优化。
•优化设计使充放电功率分别提升13.84%和27.89%。
引言
为应对风电等可再生能源并网引起的电网不稳定性，大规模储能已成为实现电力系统源荷解耦和峰谷移峰的关键支撑[1]。在众多物理储能方案中，先进A-CAES通过高效回收和再利用空气压缩产生的热能，大幅提高了整体热力循环效率，已成为学术界和工业界共同关注的前沿领域[2]，[3]。与此同时，将大量废弃油藏再利用为A-CAES储气空间，克服了传统系统对地理条件（如盐穴）的严格限制，实现了废弃地质资源的大规模利用。为进一步拓展A-CAES的应用场景并提高综合能源利用率，将A-CAES与工业低品位余热（如油田余热）回收耦合，用于原油破乳等需求环节，已成为一种具有潜力的创新系统配置。在这一集成了多种互补能源的综合系统中，储热装置是必不可少的组成部分之一。如何高效储存和利用热能是提高整体循环效率的关键。
热能储存（TES）通常涵盖显热、潜热和热化学储热。尽管显热储热具有较高的商业化程度，但其存在储能密度低和占地面积大的固有缺点[4]，[5]。同时，尽管热化学机制具有可观的理论潜力，但由于反应控制的复杂性和对反应器设计的严格要求，大规模工程应用仍面临挑战[6]，[7]。相比之下，潜热储热（LHTES）凭借其在相变过程中等温吸热和放热特性以及优异的能量密度，在工业级热管理方面展现出显著优势[8]，[11]。为克服相变材料（PCM）固有低导热率带来的物理瓶颈[12]，工业界通常添加高导热介质（如多孔碳基石墨泡沫[13]，[14]、金属泡沫骨架[15]，[16]、陶瓷泡沫骨架[17]，[18]和纳米颗粒[19]，[20]）或构建填充床结构以增强内部传热网络。然而，传统金属或陶瓷骨架需要较高的制造能耗和碳足迹。利用生物质衍生骨架（如生物质基陶瓷）提供了一种环保替代方案，但相关TES研究仍较为匮乏。其中，PLTES系统已成为储热性能测试和模型构建的主流配置。由于其宽广的两相流通道接触面积，对流传热效率得到显著提升[21]，[22]。
在A-CAES系统的实际热力循环中，导热流体（HTF）在充放电阶段不可避免地伴随显著的温度滑移。为实现传热介质与储热材料之间温度梯度的深度匹配，以最小化传热过程中的不可逆熵损失，级联相变填充床（Cascaded PLTES）技术已被广泛引入。如图3所示的系统架构，本研究方案采用三级相变储热模块（PCM1、PCM2和PCM3）。这种级联配置的热力学优越性已得到学术界的广泛认可。例如，Li等[23]通过构建变工况A-CAES综合热力学模型，证实了多相变材料的分级储热策略能有效抑制压缩散热，系统经多次循环稳定后储热效率提升至91.5%。为进一步探索该配置的热力学潜力，Chen等[24]引入同心分散传热模型，结合响应面法和因子分析对多级固定床的材料分布进行多目标优化。该研究明确指出，顶部富集层设计在最大化熵效率和储热容量方面具有核心优势。此外，Fan等[25]讨论了级联系统在变工况下的动态响应特性，发现级联结构不仅提高了系统的能量密度，还有效维持了涡轮机进口温度的恒定，从而显著增强了机组的调峰和负荷转移能力。
关于PLTES内部结构和胶囊形态的优化，前期研究已取得丰富成果。例如，Nahak等[26]和Mao等[27]的工作为填充床储热单元的详细优化提供了科学依据。他们分别从非结构化系统中胶囊尺寸正态分布的参数化分析，以及高温三层架构下通过变径扰动增强层间对流的角度进行了研究。依托可视化实验和数值模拟方法，Chen等[28]详细阐述了泪滴形流线型胶囊在熔化阶段的减阻和强化传热动态演化规律。此外，从颗粒-孔隙尺度的微观视角，Zou等[29]深入揭示了床层孔隙率和局部非均质性对主导传热模式的控制机制。
基于上述文献综述，可以看出当前该领域研究仍存在以下局限性。首先，宏观上，现有A-CAES系统主要独立运行，缺乏与特定工业场景（如废弃油田）的深度耦合以实现多源余热梯级利用。其次，为解决PCM固有低导热率问题，主流方案严重依赖纳米颗粒或高能耗的陶瓷/金属支撑骨架。此类方法成本高昂，且主要局限于各向同性传热增强；各向异性CPCM的研究相对匮乏。第三，在CPCM结构优化领域，现有研究主要关注球形或仿生结构，而矩形各向异性CPCM结构的优化设计存在明显空白。最后，现有填充床热性能优化研究往往考察单一变量并依赖有限样本数据。这些局限性制约了多参数耦合效应下的全局优化，并削弱了结果的工程实用价值。
为克服传统储能系统在多元互补和热能调度方面的局限性，本文开展了从宏观系统架构到微观核心组件的多层次创新研究。主要创新点和贡献总结如下：（1）首次提出一种新型风电驱动的中低温A-CAES耦合系统。该架构不仅创新性地利用废弃油藏作为储气空间，还深度集成压缩热与油田多源余热，实现了高效的梯级能源利用。（2）首次将生物质衍生陶瓷基各向异性CPCM引入A-CAES耦合填充床系统。建立了各向异性层状CPCM单元的瞬态传热数值模型并完成验证，实现了CPCM单元的结构尺寸优化。（3）基于正交试验，定量评估了HTF运行条件、PCM级联比例和骨架导热率对储热性能的综合影响。建立了多因子耦合效应下的敏感性层级，从而弥补了相关理论空白。（4）提出了一种集成机器学习和元启发式算法的数据驱动快速全局优化框架。该框架有效克服了传统复杂TES优化中固有的计算约束，实现了PLTES系统综合热性能的显著提升和多目标智能权衡。本研究不仅拓宽了废弃油藏能源化利用的应用途径，也为复杂储热系统的多层次智能优化和工程实践提供了新的理论支持和方法范式。
章节片段
模型框架
图2展示了一种面向油田中低温能量利用的A-CAES系统。通过引入多级TES，系统实现了压缩热的回收和梯级利用，从而建立了整合可再生电力、地下储气和多品位热利用的协同运行框架。在充电阶段，盈余可再生电力驱动多级空气压缩机运行。其中...
正交试验设计
研究表明，进口速度、进口温度、PCM级联配置和CPCM骨架材料是控制PLTES系统性能的四个关键因素。因此，本研究制定了四因素四水平正交试验设计（因素A–D，水平1–4）。具体参数设置如下：进口速度（因素A）设定为0.25 m/s、0.30 m/s、0.35 m/s和0.40 m/s；...
充放电性能评估
在蓄热阶段，HTF以15°C的环境温度从填充床储热单元底部引入。为科学定义充电循环的终点，系统建立了动态截断准则：当实时监测的出口流体温度接近目标设计值且两者相对误差缩小到1%的临界阈值时，该特定工况下的充电过程结束...
结论
本文提出了一种利用废弃油藏和多源余热的新型风电驱动A-CAES耦合系统。为克服核心组件的热瓶颈，研究了集成各向异性CPCM的PLTES系统。通过结合正交试验和数据驱动机器学习框架，对系统的热性能进行了全面评估和优化。主要结论如下：
（1）建立了级联填充床中CPCM的瞬态传热模型...
CRediT作者贡献声明
Xinwei Wang：方法学，基金获取，形式分析。Chenxing Huang：概念化。Liqiang Zhang：基金获取，数据管理。Jinyu Li：概念化。Yan Qiao：概念化。Riyi Lin：验证，软件，方法学。Huanan Li：写作—审阅与编辑，写作—初稿，调查，形式分析，概念化。
未引用参考文献
[9]，[10]。
数据可用性
本文所述研究未使用数据。
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系，可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作得到山东省泰山学者基金（项目编号：tsqn202312127）、国家自然科学基金（项目编号：52206291）、山东省自然科学基金（项目编号：ZR2021QE051）、中央高校基本科研业务费（项目编号：22CX06030A，20CX06028A）、国家自然科学基金（项目编号：52476143）和山东省高等学校青年创新团队（项目编号：...）的资助。
Huanan Li|Yan Qiao|Riryi Lin|Liqiang Zhang|Jinyu Li|Chenxing Huang|Xinwei Wang