液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄冷技術(shù)研究進(jìn)展

何青，張千旭

華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院

0 引言

近年來，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，中國在保障能源安全的前提下，大力實(shí)施可再生能源替代，加快構(gòu)建清潔低碳安全高效的新型電力系統(tǒng)?；诩夹g(shù)創(chuàng)新、成本降低、政策支持等原因，可再生能源，特別是風(fēng)能和太陽能，正在迅速發(fā)展。然而，以風(fēng)能、太陽能等為代表的可再生能源存在出力不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，不僅“棄風(fēng)”“棄光”問題突出，間歇性和波動(dòng)性等特點(diǎn)也使得可再生能源滲透率較高的電網(wǎng)面臨著能源平衡和電網(wǎng)穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)［1-2］。因此，一方面要推進(jìn)火電機(jī)組的靈活性改造，提升火電機(jī)組的調(diào)峰能力［3］；另一方面可以考慮通過儲(chǔ)能技術(shù)的引入來解決風(fēng)能、太陽能存在的“棄風(fēng)”“棄光”的問題。

儲(chǔ)能技術(shù)可將廢棄資源轉(zhuǎn)化為靈活資源，憑借著可以在時(shí)間尺度和空間尺度上對(duì)電能進(jìn)行儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移的特征，具備了“削峰填谷”、穩(wěn)定電力輸出和平衡電力負(fù)荷的功能，從而能夠很好地彌補(bǔ)可再生能源電站運(yùn)行連續(xù)性差、功率輸出不穩(wěn)定等缺陷，為可再生能源的大規(guī)模利用提供有效的解決方案［4-5］。

儲(chǔ)能技術(shù)主要包括物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能等，其中物理儲(chǔ)能有抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能（compressed air energy storage，簡稱CAES）和飛輪儲(chǔ)能［6］。目前，可商業(yè)運(yùn)行的大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)只有抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能兩種。抽水蓄能因其發(fā)展歷史悠久、技術(shù)成熟、容量大、成本低等優(yōu)勢(shì)已實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行［7］，但受地理因素限制嚴(yán)重。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)同樣具有容量大、成本低、壽命長、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，而且受地理因素的限制相對(duì)較?。?］。在過去數(shù)十年的不斷發(fā)展完善中，壓縮空氣儲(chǔ)能已成為除抽水蓄能以外可考慮實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的另一種大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)［9］。

液化空氣儲(chǔ)能（liquefied air energy storage，簡稱LAES）是壓縮空氣儲(chǔ)能中的一種，其通過引入蓄冷技術(shù)，以液態(tài)空氣的形式將電能進(jìn)行存儲(chǔ)，不但大幅地提升了CAES 系統(tǒng)的能量密度，而且極大程度上減弱了CAES 系統(tǒng)對(duì)于地理因素的要求。目前對(duì)于LAES 系統(tǒng)的研究大多停留在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，對(duì)于其中蓄冷子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過于理想，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的理論往返效率與相應(yīng)中試系統(tǒng)效率相差過大。為加快實(shí)現(xiàn)LAES 系統(tǒng)商業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程，必須對(duì)用于LAES 系統(tǒng)的蓄冷技術(shù)給予高度的關(guān)注。

本文首先介紹LAES 的系統(tǒng)原理，分析蓄冷技術(shù)在LAES 中承擔(dān)的作用和重要程度；然后分別從顯熱蓄冷和潛熱蓄冷兩個(gè)方面對(duì)用于LAES 的蓄冷技術(shù)進(jìn)行分類討論，介紹不同蓄冷技術(shù)的蓄冷原理，整理前人研究的相關(guān)內(nèi)容，分析各類蓄冷技術(shù)的優(yōu)越性、局限性；最后整理目前液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄冷技術(shù)所存在的問題和難點(diǎn)，展望未來LAES 中蓄冷技術(shù)的發(fā)展方向。

1 液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)原理

20 世紀(jì)40 年代，利用壓縮空氣實(shí)現(xiàn)對(duì)電能儲(chǔ)存的概念首次被提出，經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展后衍生出了許多新型的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。例如，非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（diabatic CAES，簡稱D-CAES）技術(shù)即為傳統(tǒng)CAES 技術(shù)，在釋能過程中，需要外部熱源來加熱高壓氣體，使高壓氣體變成高溫高壓氣體，然后進(jìn)入膨脹機(jī)工作，其往返效率較低［10-11］。

傳統(tǒng)CAES 可以滿足電力存儲(chǔ)的要求，但是燃料燃燒和廢氣排放與環(huán)境友好和可持續(xù)性的原則相悖，為此許多學(xué)者和機(jī)構(gòu)開始開展對(duì)傳統(tǒng)壓縮空氣系統(tǒng)的改進(jìn)研究。為改善壓縮過程，等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（isothermal CAES，簡稱I-CAES）得以被提出，這是一種無熱源的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，在儲(chǔ)能和釋能過程中通過換熱器或液體噴淋等手段來實(shí)現(xiàn)接近等溫過程，從而達(dá)到提高系統(tǒng)效率的效果，在理想條件下I-CAES 的循環(huán)效率可達(dá)到100%［11］。先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（advanced adiabatic CAES，簡稱AA-CAES）是一種通過回收再利用空氣的壓縮熱能來代替燃料補(bǔ)燃環(huán)節(jié)的清潔儲(chǔ)能技術(shù)，具有效率高、成本低等特點(diǎn)，是目前CAES 技術(shù)領(lǐng)域的主流趨勢(shì)之一［12］。

為了能夠彌補(bǔ)先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能密度較低的缺點(diǎn)，LAES 系統(tǒng)被提出。LAES 系統(tǒng)與AA-CAES 的不同之處主要在于該系統(tǒng)增加了冷量的回收和利用環(huán)節(jié)，以液態(tài)空氣的形式將電能進(jìn)行存儲(chǔ)［13］。LAES 系統(tǒng)原理見圖1。在充電階段，蓄冷裝置釋放冷量，壓縮過后的高壓空氣經(jīng)蓄熱裝置進(jìn)行熱量存儲(chǔ)，而后流經(jīng)蓄冷裝置吸收冷量，再經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)一步降溫液化，最后流入氣液分離器中。然后液化空氣流入儲(chǔ)罐存儲(chǔ)，未液化的空氣被送回蓄冷裝置進(jìn)行冷量補(bǔ)充。在放電階段，蓄冷裝置存儲(chǔ)冷量，低溫液態(tài)空氣經(jīng)液態(tài)泵加壓后流經(jīng)蓄冷裝置進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)完成冷量存儲(chǔ)，而后空氣經(jīng)蓄熱裝置加熱后流向膨脹機(jī)組做功。

圖1 LAES 系統(tǒng)原理圖

LAES 系統(tǒng)中液態(tài)空氣的密度大約是CAES 系統(tǒng)中壓縮空氣的80 倍，其能量存儲(chǔ)密度至少比10 MPa 的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度高10 倍［14］。蓄冷技術(shù)的加入有助于LAES 系統(tǒng)效率的提升，Sciacovelli 等［15］對(duì)LAES 中試系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，從釋能過程中回收利用冷能可以使空氣液化過程的能量消耗減少約25%。此外，蓄冷系統(tǒng)的回收效率將對(duì)系統(tǒng)的循環(huán)效率產(chǎn)生極大的影響，Peng 等［16］對(duì)LAES 系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，蓄冷損失對(duì)于系統(tǒng)效率的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過蓄熱損失，冷能損失導(dǎo)致的往返效率下降幅度是熱能損失的7 倍，且LAES系統(tǒng)內(nèi)部存在冷量緊缺的問題。何青等［17］建立了LAES 系統(tǒng)的?分析模型，揭示了LAES 系統(tǒng)主要部件的?損失占比（見圖2），作為蓄冷子系統(tǒng)重要組成部分的蓄冷回?zé)崞骱凸?jié)流閥占整個(gè)系統(tǒng)?損失的41.5%，可以看出蓄冷子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)中?損失最高的部分。Morgan 等［18］對(duì)一個(gè)蓄冷效率為51%的小型LAES 系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)循環(huán)效率很低，僅為8%。Guizzi 等［19］對(duì)一個(gè)蓄冷效率達(dá)70%的LAES 系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)效率可達(dá)到50%。

圖2 LAES 主要部件?損失占比

由于蓄冷系統(tǒng)的主要目的是將冷量存儲(chǔ)用于空氣液化，不同的液化方式會(huì)對(duì)蓄冷系統(tǒng)的構(gòu)造和設(shè)計(jì)造成一定程度的影響，目前在LAES 中主要有克勞德循環(huán)和林德循環(huán)兩種液化方式（見圖3）。這兩種液化方式的主要區(qū)別是：林德循環(huán)對(duì)低溫高壓空氣采用節(jié)流膨脹的液化方式，特點(diǎn)是壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但是不可逆節(jié)流過程的?損失和換熱器內(nèi)溫度分布的不匹配導(dǎo)致其?損失較大；克勞德循環(huán)采用低溫膨脹機(jī)等熵膨脹和節(jié)流膨脹相結(jié)合的液化方式，雖然結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但具有較高的?效率。整體來說，克勞德循環(huán)具有更高的性價(jià)比［20］。

通過對(duì)液化方式的改進(jìn)可以有效地提升蓄冷效率。Sciacovelli 等［21］嘗試通過使用雙級(jí)的克勞德循環(huán)來提高系統(tǒng)效率，該方案可以有效地減少空氣液化所消耗的能量，使得LAES 系統(tǒng)的往返效率達(dá)到50%。Morgan 等［22］在克勞德循環(huán)的基礎(chǔ)上通過增加透平的方法，使蓄冷效率得到了10%的提升。

圖3 液化循環(huán)原理

2 蓄冷技術(shù)研究現(xiàn)狀

蓄冷技術(shù)是熱能儲(chǔ)存技術(shù)的一種特殊形式。熱能儲(chǔ)存技術(shù)是指通過一定的方式利用儲(chǔ)熱材料將熱進(jìn)行儲(chǔ)存或釋放［23］，可以解決熱量供求關(guān)系中所存在的時(shí)間和空間的問題［24］。

2.1 蓄冷工質(zhì)

用于熱能存儲(chǔ)技術(shù)的材料必須具有合適的性質(zhì)，如高比熱容、高熱導(dǎo)率、低成本、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、低體積變化、無毒和低可燃性等［25］。通常把對(duì)低于環(huán)境溫度的熱能進(jìn)行儲(chǔ)存和利用的熱能存儲(chǔ)技術(shù)稱為蓄冷技術(shù)。蓄冷技術(shù)廣泛地應(yīng)用于空調(diào)、食品藥品加工業(yè)、儲(chǔ)能等領(lǐng)域。

根據(jù)使用的蓄冷材料，蓄冷技術(shù)分為顯熱蓄冷和潛熱蓄冷兩種。顯熱蓄冷利用材料的顯熱特性完成冷量存儲(chǔ)，常見的顯熱蓄冷材料包括低溫水、巖石等［26］。潛熱蓄冷利用材料的相變特性和顯熱特性來完成冷量存儲(chǔ)，通常以冰、共晶鹽類等相變材料（phase-change material，簡稱PCM）作為蓄冷介質(zhì)［27］。由于水是一種相對(duì)而言廉價(jià)易得、安全簡單且熱容量大的工質(zhì)，因此目前工業(yè)生產(chǎn)中的蓄冷技術(shù)主要采用水蓄冷和冰蓄冷技術(shù)。相對(duì)于以水為工質(zhì)的顯熱蓄冷，冰蓄冷技術(shù)通過利用水的相變潛熱，具有約為水蓄冷的7 ～ 8 倍的能量容量［28］。

目前，因顯熱蓄冷技術(shù)具有技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，LAES 中蓄冷技術(shù)多選用能夠滿足LAES溫度要求的顯熱材料，主要包括甲醇、丙烷等液體蓄冷材料和巖石、鵝卵石等固體材料。

為了尋求高能量密度、高緊湊和高經(jīng)濟(jì)性的蓄冷技術(shù)，進(jìn)一步縮小LAES 系統(tǒng)對(duì)于地理?xiàng)l件的要求，將目光僅放在顯熱蓄冷技術(shù)上已不能滿足LAES系統(tǒng)的發(fā)展要求，潛熱蓄冷技術(shù)已經(jīng)在紡織、空調(diào)、建筑以及食品等行業(yè)得到了廣泛的關(guān)注［29］。但是由于空氣的液化溫度較低，且LAES 需要大規(guī)模的冷量存儲(chǔ)，尋找到一種適合LAES 的潛熱蓄冷材料仍面臨著較大的挑戰(zhàn)。因此，適用于LAES 的潛熱蓄冷技術(shù)還停留在探索階段，部分研究人員已經(jīng)在嘗試尋找適合LAES 的PCM。例如：賈春蓉等［30］針對(duì)LAES 系統(tǒng)提出了一種復(fù)合PCM，主要材料是二甘醇和水，具有儲(chǔ)能密度高、導(dǎo)熱系數(shù)大、無腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)；Alessio 等［31］針對(duì)LAES 系統(tǒng)提出了一種使用特殊PCM 的低溫填充床；Joong 等［32］針對(duì)LAES 系統(tǒng)提出了一種將二甲基亞砜水溶液和丙二醇水溶液作為PCM 的管式相變蓄冷器。

2.2 蓄冷流程

LAES 中的蓄冷系統(tǒng)需要具備較大的冷容量、較高的蓄冷效率、多次循環(huán)過程中的穩(wěn)定性、成本低等特點(diǎn)。近年來許多學(xué)者和機(jī)構(gòu)致力于LAES 中蓄冷技術(shù)的研究，本文將從蓄冷材料的角度出發(fā)，分類介紹目前LAES 系統(tǒng)中的蓄冷流程。

2.2.1 顯熱蓄冷

目前，對(duì)于LAES 中蓄冷技術(shù)的研究以顯熱蓄冷技術(shù)為主，主要分為以甲醇、丙烷等液體為蓄冷材料的雙罐式蓄冷技術(shù)和以巖石等固體材料為蓄冷材料的填充床式蓄冷技術(shù)。

雙罐式蓄冷技術(shù)流程見圖4。在充電階段，蓄冷介質(zhì)從低溫儲(chǔ)罐中流向換熱器，與高壓空氣進(jìn)行換熱，然后流向高溫儲(chǔ)罐，蓄冷系統(tǒng)完成冷量釋放。在放電階段，蓄冷介質(zhì)由高溫儲(chǔ)罐流向換熱器，為經(jīng)液態(tài)泵加壓的液態(tài)空氣加熱，然后流向低溫儲(chǔ)罐，蓄冷系統(tǒng)完成冷量存儲(chǔ)。

圖4 雙罐式蓄冷技術(shù)流程

近年來許多學(xué)者對(duì)采用了甲醇、丙烷等液體材料為蓄冷和換熱介質(zhì)的雙罐式系統(tǒng)進(jìn)行了研究。Peng 等［33］提出的以甲醇和丙烷為蓄冷材料的LAES系統(tǒng)往返效率最高可達(dá)62%。同時(shí)指出現(xiàn)有技術(shù)下冷回收過程仍有大量冷量被浪費(fèi)，通過提升冷回收過程的?效率來提升LAES 系統(tǒng)的往返效率具有巨大的潛力。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員王俊杰帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)搭建了國際首套基于雙級(jí)液相工質(zhì)蓄冷的液化空氣儲(chǔ)能試驗(yàn)平臺(tái)，使用R123 和丙烷作為蓄冷材料，蓄冷效率測(cè)試結(jié)果達(dá)90%［34］。更多關(guān)于LAES 雙罐式蓄冷技術(shù)的研究現(xiàn)狀見表1。

表1 雙罐式蓄冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

使用甲醇、丙烷等碳?xì)洳牧系碾p罐式蓄冷技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)，其傳熱系數(shù)和蓄冷效率較高、溫度分布均勻且可實(shí)現(xiàn)靈活控制。但是，由于甲醇和丙烷等碳?xì)洳牧蠈儆谝兹家妆讚]發(fā)的危險(xiǎn)品，極大地限制了LAES 的建設(shè)地點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，其維護(hù)成本也相當(dāng)高昂。這些缺點(diǎn)給雙罐式蓄冷系統(tǒng)在LAES 中的發(fā)展帶來了一定程度的阻礙。

與雙罐式蓄冷技術(shù)不同，填充床式蓄冷技術(shù)以巖石等固體材料為蓄冷材料，具有高經(jīng)濟(jì)性和化學(xué)穩(wěn)定性，其在換熱設(shè)備與蓄冷設(shè)備之間采用了中間換熱流體循環(huán)來替代蓄冷材料的直接流動(dòng)，其蓄冷流程見圖5。

圖5 填充床式蓄冷技術(shù)流程

目前，填充床式蓄冷技術(shù)也具有一定的局限性。填充床不但會(huì)因循環(huán)加熱冷卻產(chǎn)生熱應(yīng)力影響，而且隨著儲(chǔ)釋冷的進(jìn)行，填充床內(nèi)部會(huì)形成一個(gè)溫度梯度很大的分層，被稱為斜溫層，在整個(gè)儲(chǔ)釋過程中會(huì)出現(xiàn)明顯的斜溫層推移現(xiàn)象，在深度釋冷的工況下可能會(huì)導(dǎo)致出口溫度的不穩(wěn)定。這些問題將會(huì)對(duì)LAES 系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成一定程度的影響。此外，二次換熱等因素也導(dǎo)致采用該蓄冷技術(shù)的LAES系統(tǒng)往返效率較低。盡管如此，對(duì)于LAES 系統(tǒng)這類大型系統(tǒng)而言，填充床式蓄冷系統(tǒng)仍具有很好的發(fā)展前景。

為解決填充床式蓄冷技術(shù)存在的問題，很多學(xué)者對(duì)其開展了相關(guān)研究。Wang 等［36］指出填充床式蓄冷系統(tǒng)對(duì)他們提出的獨(dú)立LAES 系統(tǒng)具有顯著的動(dòng)態(tài)影響。為尋找到最理想的中間循環(huán)介質(zhì)，Wang等［37］嘗試了包括空氣在內(nèi)的多種介質(zhì)，結(jié)果表明加壓空氣為最理想的中間換熱介質(zhì)，但是系統(tǒng)往返效率仍低于50%；Liao 等［38］嘗試省去中間換熱介質(zhì)，基于超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)，探究了超臨界壓力下的空氣在填充床中的動(dòng)態(tài)性能，經(jīng)深度儲(chǔ)釋冷模擬仿真后，展現(xiàn)出了良好的蓄冷性能。但是，省去中間換熱流體就要考慮工質(zhì)直接流經(jīng)蓄冷設(shè)備所帶來的負(fù)面影響，如蓄冷設(shè)備的抗壓要求較高、工質(zhì)出口物性參數(shù)不穩(wěn)定等。更多關(guān)于LAES填充床式蓄冷技術(shù)的研究現(xiàn)狀見表2。

表2 填充床式蓄冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.2 潛熱蓄冷

盡管顯熱蓄冷技術(shù)具有技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，但是其部分關(guān)鍵性能低于潛熱蓄冷，如蓄冷容量和能量密度。潛熱蓄冷與顯熱蓄冷最大的區(qū)別在于前者使用PCM 作為蓄冷材料，通過PCM 的溫度變化和相態(tài)變化傳遞熱量。由于PCM 在換熱過程會(huì)產(chǎn)生相態(tài)變化，且其內(nèi)部導(dǎo)熱率較差，在利用PCM 時(shí)通常還需要通過添加翅片、多孔介質(zhì)或者使用旋轉(zhuǎn)等外力手段來增強(qiáng)換熱效果［41］。由于LAES系統(tǒng)對(duì)于蓄冷技術(shù)的溫度要求和蓄冷規(guī)模等條件的限制較為嚴(yán)格，導(dǎo)致目前潛熱蓄冷在LAES 技術(shù)中的發(fā)展程度十分有限。在蓄冷流程的設(shè)計(jì)上，Joong等［32］提出了一種管式相變蓄冷器（具體流程見圖6）用于LAES 技術(shù)，蓄冷器中設(shè)有多條徑向管道，PCM 分布在管道周圍，當(dāng)工質(zhì)流經(jīng)PCM 內(nèi)部的管道時(shí)與PCM 交換熱量，這樣的設(shè)計(jì)不但省去了中間循環(huán)介質(zhì)帶來的損失，蓄冷器也僅有內(nèi)部管道需要承受較大的壓力；對(duì)該蓄冷系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)化研究，探究了熱容、導(dǎo)熱率等參數(shù)對(duì)于蓄冷器性能的影響，并提出了新的潛熱蓄冷系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)參數(shù)。

圖6 管式相變蓄冷技術(shù)流程

目前關(guān)于LAES 潛熱蓄冷技術(shù)的研究較少，可以通過了解其他大規(guī)模潛熱蓄能技術(shù)來探索未來LAES 潛熱蓄冷技術(shù)的發(fā)展方向。如Shadi 等［42］通過對(duì)封裝相變材料的填充床進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，級(jí)聯(lián)式封裝的PCM 在從高溫空氣中回收熱量方面表現(xiàn)出了很大的改進(jìn)，不僅降低了蓄熱子系統(tǒng)的?損失，還確保了CAES 系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。更多關(guān)于潛熱蓄冷及蓄熱的相關(guān)研究現(xiàn)狀見表3。

表3 潛熱蓄能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.3 蓄冷設(shè)備

低溫?fù)Q熱器是決定蓄冷系統(tǒng)回收效率的重要部件。目前，低溫?fù)Q熱器主要包括盤管式、板翅式、印刷電路板式和蓄冷式等［45］。

盤管式低溫?fù)Q熱器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模的空氣液化領(lǐng)域，可以在單個(gè)熱交換器中容納多個(gè)換熱流體，其單位體積換熱面積較大，能夠高效地滿足換熱需求。盤管式低溫?fù)Q熱器的主要缺點(diǎn)在于其材料成本較高且清潔難度較大［46］。

板翅式低溫?fù)Q熱器是一種緊湊型換熱器，由交替的平板和波紋翅片板組成，其單位體積換熱面積要大于盤管式低溫?fù)Q熱器。鋁制板翅式低溫?fù)Q熱器可在高達(dá)10 MPa 的壓力下和-269 ～ 204 ℃的溫度下運(yùn)行［45］。

印刷電路板式低溫?fù)Q熱器是一種新型高緊湊板式換熱器，具有比普通板翅式低溫?fù)Q熱器更高的單位體積換熱面積［47］，可在高達(dá)60 MPa 的壓力下和-200 ～ 900 ℃的溫度下運(yùn)行［48］，泄漏風(fēng)險(xiǎn)要遠(yuǎn)低于其他低溫?fù)Q熱器。但是，印刷電路板式低溫?fù)Q熱器具有初始投資較高、容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象等問題，更適合氣體間的換熱。目前，印刷電路板式低溫?fù)Q熱器已在天然氣液化系統(tǒng)和LAES 中試項(xiàng)目中得到應(yīng)用［45］。

蓄冷式低溫?fù)Q熱器是指冷熱流體分別與高熱容材料接觸換熱來完成冷熱流體間的熱量傳遞。材料的選用和設(shè)備的幾何形狀都將會(huì)直接影響蓄冷式低溫?fù)Q熱器的性能。蓄冷式低溫?fù)Q熱器在使用過程中會(huì)因循環(huán)加熱和冷卻產(chǎn)生材料應(yīng)力影響，其冷熱流體也可能發(fā)生直接接觸現(xiàn)象，這些使得蓄冷式低溫?fù)Q熱器的應(yīng)用領(lǐng)域十分有限。但是，由于每一個(gè)蓄冷式低溫?fù)Q熱器都可被視為一個(gè)冷量存儲(chǔ)設(shè)備，使得蓄冷式低溫?fù)Q熱器在儲(chǔ)能領(lǐng)域被廣泛關(guān)注，尤其是填充床式低溫?fù)Q熱器，其展現(xiàn)出了良好的蓄冷效果和經(jīng)濟(jì)性［15］。

為進(jìn)一步提升填充床的蓄冷效果，吳玉庭等［49］嘗試根據(jù)系統(tǒng)的要求參數(shù)和壓力容器尺寸的約束方程對(duì)蓄冷式低溫?fù)Q熱器進(jìn)行幾何形狀的優(yōu)化來提升其蓄冷效率，經(jīng)優(yōu)化后蓄冷效率最高可達(dá)96.08%。Morgan 等［18］提出采用一種多單元填充床的方案來降低蓄冷系統(tǒng)的?損失，其中填充床的單個(gè)單元根據(jù)流速平行或串聯(lián)排列，可以根據(jù)負(fù)載進(jìn)行調(diào)整，與一個(gè)單元的填充床相比，蓄冷效率提高了4.8%。Lin 等［40］對(duì)采用多級(jí)填充床蓄冷系統(tǒng)的LAES 系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)隨著液態(tài)空氣儲(chǔ)存壓力的增加，蒸發(fā)器和冷凝器的?損失減小，往返效率最高可達(dá)65.0%。王俊杰等［50］發(fā)明了一種應(yīng)用于LAES 的組合式填充床蓄冷系統(tǒng)（見圖7），該發(fā)明通過各個(gè)閥門間的配合來實(shí)現(xiàn)填充床蓄冷系統(tǒng)的模塊化，大大提升了填充床蓄冷系統(tǒng)的靈活性，有效地緩解了填充床內(nèi)部的斜溫層對(duì)系統(tǒng)帶來的影響，從而提升其蓄冷效率。由此可見，級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)是一種提升填充床蓄冷系統(tǒng)性能的有效途徑。

圖7 組合式蓄冷器結(jié)構(gòu)示意

此外，該類低溫?fù)Q熱器也可作為潛熱蓄冷技術(shù)的載體，Tessier 等［43］針對(duì)LAES 系統(tǒng)提出了一種使用特殊PCM 的低溫填充床，他們通過試驗(yàn)臺(tái)的搭建來研究該填充床的動(dòng)態(tài)特性。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)將封裝特制PCM 的不銹鋼小球鋪設(shè)在填充床內(nèi)，以液態(tài)氮?dú)鉃槔湓磥砟MLAES 中蓄冷系統(tǒng)的工作條件，其試驗(yàn)流程見圖8。試驗(yàn)結(jié)果顯示，與使用顯熱材料相比，PCM 材料不但可以緩解填充床中產(chǎn)生的斜溫層現(xiàn)象，具有相對(duì)低的熱量耗損，而且投資回報(bào)周期較短，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

圖8 封裝PCM 填充床試驗(yàn)流程

LI 等［44］提出了一種級(jí)聯(lián)式潛熱蓄熱器，蓄熱器中填充有多個(gè)相變儲(chǔ)熱膠囊，設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖9。與單相變材料相比，使用多種相變材料儲(chǔ)存壓縮熱時(shí)，熱能損失量較小。如果將具有多種相變材料的蓄熱器用于傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能電站Huntorf 電站，則往返效率將提高4.7%。未來LAES 潛熱蓄冷技術(shù)也可考慮使用級(jí)聯(lián)式相變蓄冷器來提升系統(tǒng)效率。

圖9 級(jí)聯(lián)式相變蓄冷器結(jié)構(gòu)

3 存在的問題與展望

目前LAES 采用的蓄冷技術(shù)以顯熱蓄冷技術(shù)為主，潛熱蓄冷技術(shù)因其高能量密度和高緊湊性等優(yōu)越性也被視為LAES 系統(tǒng)蓄冷技術(shù)的發(fā)展方向之一。

3.1 存在的問題

對(duì)于LAES 中的蓄冷技術(shù)而言，其需要具備大冷容量、高傳熱系數(shù)、高能量密度、高蓄冷效率、多次循環(huán)過程中的穩(wěn)定性和大規(guī)模應(yīng)用成本低等特點(diǎn)。由于LAES 自身冷量緊缺和空氣液化溫度的要求，使得蓄冷系統(tǒng)需要具備相對(duì)于常規(guī)蓄冷技術(shù)更高的溫度穩(wěn)定性和蓄冷效率。此外，工質(zhì)在蓄冷系統(tǒng)中存在的跨臨界變化也給蓄冷系統(tǒng)的發(fā)展帶來了很大的阻礙。

對(duì)于顯熱蓄冷技術(shù)，雙罐式蓄冷技術(shù)展現(xiàn)出了良好的蓄冷性能。但是，材料自身的安全性、經(jīng)濟(jì)性等性能缺陷極大程度地限制了其在大規(guī)模蓄冷項(xiàng)目中的發(fā)展。采用中間換熱介質(zhì)的填充床式蓄冷技術(shù)彌補(bǔ)了雙罐式蓄冷技術(shù)在安全和經(jīng)濟(jì)方面的缺陷，但是其多次換熱所造成的冷量損失等不利因素導(dǎo)致使用填充床式蓄冷技術(shù)的LAES 系統(tǒng)往返效率較低，而且還要注意填充床因多次循環(huán)所產(chǎn)生的斜溫層變化和材料應(yīng)力變化對(duì)LAES 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

對(duì)于潛熱蓄冷技術(shù)，目前在LAES 中的應(yīng)用研究相對(duì)較少，在示范工程和電廠建設(shè)中還沒有實(shí)際應(yīng)用。適合LAES 蓄冷系統(tǒng)的潛熱材料的空缺以及潛熱蓄冷材料內(nèi)部導(dǎo)熱性能普遍較差等因素都給潛熱蓄冷技術(shù)的發(fā)展帶來了很大的阻礙。

3.2 展望

具有高能量密度、高經(jīng)濟(jì)性、高穩(wěn)定性、高蓄冷效率和高安全性的成熟蓄冷技術(shù)是未來LAES 系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)營的基礎(chǔ)。為促進(jìn)LAES 系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展未來可嘗試從兩個(gè)方面來優(yōu)化蓄冷技術(shù)：一方面是對(duì)現(xiàn)有顯熱蓄冷技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化研究；另一方面是嘗試將潛熱蓄冷技術(shù)應(yīng)用于LAES 系統(tǒng)。

對(duì)于顯熱蓄冷技術(shù)，可以考慮通過材料的研發(fā)來彌補(bǔ)碳?xì)洳牧系淖陨砣毕萁o雙罐式蓄冷技術(shù)帶來的巨大限制。采用多級(jí)蓄冷和多單元的形式來提升填充床式蓄冷技術(shù)的蓄冷效率和靈活性，進(jìn)一步研究儲(chǔ)釋循環(huán)模式對(duì)于填充床內(nèi)部溫度分布和材料應(yīng)力的影響，尋求最優(yōu)運(yùn)行模式。進(jìn)一步研究中間換熱介質(zhì)對(duì)于填充床式蓄冷技術(shù)的影響，尋求最優(yōu)中間換熱介質(zhì)。對(duì)省去中間循環(huán)介質(zhì)的填充床式蓄冷技術(shù)進(jìn)行深入研究，探究其在多次循環(huán)下的系統(tǒng)穩(wěn)定性、蓄冷性能以及所需抗壓性能帶來的成本變化。

對(duì)于潛熱蓄冷技術(shù)，其高能量密度和潛熱特性使其成為了一種極具潛力的蓄冷技術(shù)。已有研究揭示了其作為LAES 蓄冷技術(shù)的潛力，但是目前與LAES 相關(guān)的潛熱蓄冷技術(shù)研究較少，仍存在大量的問題等待探索。未來一方面可以考慮通過材料開發(fā)和強(qiáng)化換熱來彌補(bǔ)潛熱蓄冷材料內(nèi)部導(dǎo)熱率差的缺點(diǎn)；另一方面可以利用現(xiàn)有潛熱蓄冷材料進(jìn)行一些基于LAES 系統(tǒng)的相關(guān)研究，進(jìn)一步探究采用潛熱蓄冷技術(shù)系統(tǒng)的蓄冷性能。

此外，獨(dú)立的LAES 系統(tǒng)存在自身冷量緊缺的限制，一方面可考慮進(jìn)一步優(yōu)化空氣的液化工藝，減少蓄冷系統(tǒng)的冷量損失；另一方面也可考慮與其他系統(tǒng)進(jìn)行耦合來彌補(bǔ)獨(dú)立LAES 系統(tǒng)冷量緊缺的問題。

4 結(jié)論

高熱容量、高蓄熱效率、高穩(wěn)定性、高能量密度、高安全性和高經(jīng)濟(jì)性的蓄冷技術(shù)，不但能有效地削弱LAES 對(duì)于地理環(huán)境的依賴，而且可以有效地提升LAES 系統(tǒng)的往返效率，是未來LAES 系統(tǒng)得以大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。

應(yīng)用于LAES 的蓄冷技術(shù)中的顯熱蓄冷技術(shù)，主要分為以甲醇、丙烷為蓄冷和換冷介質(zhì)的雙罐式蓄冷技術(shù)和以固體材料+換冷介質(zhì)的填充床式蓄冷技術(shù)。雙罐式蓄冷試驗(yàn)裝置已經(jīng)展現(xiàn)出了良好的蓄冷效果，但是甲醇和丙烷等是易燃易爆易揮發(fā)的碳?xì)洳牧?，不但成本較高，而且給LAES 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性帶來了極大的威脅。填充床式蓄冷技術(shù)具有高經(jīng)濟(jì)性和化學(xué)穩(wěn)定性，但其靈活性較差，且多次換熱等因素使得系統(tǒng)往返效率較低。

潛熱蓄冷技術(shù)具有高能量密度、高緊湊性等優(yōu)勢(shì)，但因潛熱材料的空缺和普遍存在的內(nèi)部導(dǎo)熱性差等問題，使得目前潛熱蓄冷在LAES 中的應(yīng)用研究較少。

綜上所述，未來一方面要致力于對(duì)顯熱蓄冷技術(shù)的深入研究，尋找可以替代甲醇等碳?xì)洳牧系男罾浣橘|(zhì)，改善板式換熱器、填充床等低溫?fù)Q熱器的換熱性能；另一方面要致力于推動(dòng)潛熱蓄冷技術(shù)在LAES 中的發(fā)展，可以從材料研發(fā)和強(qiáng)化換熱兩個(gè)角度出發(fā)，為LAES 尋求更高能量密度和冷容量的蓄冷方案。此外，由于蓄冷系統(tǒng)溫度要求較為嚴(yán)格且LAES 系統(tǒng)內(nèi)可供儲(chǔ)蓄的冷量較為緊缺，使得LAES系統(tǒng)的商業(yè)化面臨著很大的挑戰(zhàn)，在發(fā)展蓄冷技術(shù)的同時(shí)也可以考慮通過優(yōu)化液化工藝流程的方式來改善系統(tǒng)內(nèi)部冷量緊缺的問題。