Numerical simulation for the coupled thermo-mechanical performance of a lined rock cavern for underground compressed air energy storage

压缩空气储能 计算机模拟 压缩空气 地质学 石油工程 储能 岩土工程 采矿工程 工程类 机械工程 模拟 物理 热力学 功率(物理)
作者
Shuwei Zhou,Caichu Xia,Haibin Zhao,Songhua Mei,Yu Zhou
出处
期刊:Journal of Geophysics and Engineering [IOP Publishing]
卷期号:14 (6): 1382-1398 被引量:57
标识
DOI:10.1088/1742-2140/aa7bd9
摘要

Compressed air energy storage (CAES) is a technology that uses compressed air to store surplus electricity generated from low power consumption time for use at peak times. This paper presents a thermo-mechanical modeling for the thermodynamic and mechanical responses of a lined rock cavern used for CAES. The simulation was accomplished in COMSOL Multiphysics and comparisons of the numerical simulation and some analytical solutions validated the thermo-mechanical modeling. Air pressure and temperatures in the sealing layer and concrete lining exhibited a similar trend of 'up–down–down–up' in one cycle. Significant temperature fluctuation occurred only in the concrete lining and sealing layer, and no strong fluctuation was observed in the host rock. In the case of steel sealing, principal stresses in the sealing layer were larger than those in the concrete and host rock. The maximum compressive stresses of the three layers and the displacement on the cavern surface increased with the increase of cycle number. However, the maximum tensile stresses exhibited the opposite trend. Polymer sealing achieved a relatively larger air temperature and pressure compared with steel and air-tight concrete sealing. For concrete layer thicknesses of 0 and 0.1 m and an initial air pressure of 4.5 MPa, the maximum rock temperature could reach 135 °C and 123 °C respectively in a 30 day simulation.
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