韓中合，龐永超

(電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，河北 保定 071003)

先進絕熱壓縮空氣儲能中蓄熱系統(tǒng)的改進

韓中合，龐永超

(電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，河北 保定 071003)

先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)(advanced adiabatic compressed air energy storage system,AA-CAES)是一種大規(guī)模電能存儲與轉化技術，對可再生能源并網(wǎng)及電網(wǎng)調(diào)峰有重要作用。為了研究蓄熱系統(tǒng)結構布置、運行方式對儲能系統(tǒng)性能的影響，對蓄熱系統(tǒng)熱力學模型進行分析并在傳統(tǒng)結構的基礎上提出帶高溫蓄熱系統(tǒng)的AA-CAES。結果表明：壓氣機與膨脹機級數(shù)相近時，儲能效率最高，級數(shù)差別越大效率越低；當壓氣機與膨脹機級數(shù)相等時，隨著級數(shù)的增加，儲能密度逐漸降低；當換熱器中水的熱容率與空氣熱容率接近相等時，儲能效率最高；帶高溫蓄熱系統(tǒng)的AA-CAES能夠獲得更大的儲能密度，系統(tǒng)運行靈活性也增強，但儲能效率有所下降。

壓縮空氣儲能；蓄熱系統(tǒng)；高溫蓄熱；儲能效率

0 引言

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，風能、太陽能等可再生能源受到越來越多的關注。以風電為例，我國風電連續(xù)十年保持近40%的增長率，2012年全國風電裝機容量躍居世界第一[1]。然而，可再生能源在迅速發(fā)展的同時也存在諸多問題。風能和太陽能具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點，風能通常在弱風時段電力供應不足，而太陽能在陰天和夜間無法使用，這些因素導致電網(wǎng)需要具有很強的調(diào)節(jié)能力。而我國燃煤機組占總裝機容量的70%以上，燃煤機組啟停復雜、變負荷速度慢，導致電網(wǎng)調(diào)峰能力弱，難以接納大量不穩(wěn)定的可再生能源[2]。據(jù)統(tǒng)計，全國范圍內(nèi)棄風、棄光現(xiàn)象普遍存在，造成大量的能源浪費，使可再生能源的利用率降低，同時產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失。

電力儲能系統(tǒng)通過特定的介質存儲電能，在需要時將所存儲的能量釋放發(fā)電。電力儲能系統(tǒng)是解決可再生能源大規(guī)模利用瓶頸的迫切需要，也是提高常規(guī)電力系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟性的有效途徑，同時大規(guī)模儲能系統(tǒng)還是智能電網(wǎng)、分布式能源發(fā)電和微電網(wǎng)等技術的必要組成部分[3,4]。先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)是一種利用壓縮空氣存儲電能的技術，具有儲能容量大、安全系數(shù)高、響應速度快、循環(huán)效率高等優(yōu)點[5]。先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)(advanced adiabatic compressed air energy storage system,AA-CAES)是在傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)上增添了蓄熱系統(tǒng)，蓄熱系統(tǒng)能夠回收壓縮儲能階段產(chǎn)生的熱量，并將熱量用于加熱釋能階段膨脹做功的高壓空氣。由于蓄熱系統(tǒng)的加入，壓縮熱得到回收利用，儲能效率獲得提高。

AA-CAES技術被提出以來，國內(nèi)外學者對其進行了大量的理論和實驗研究。李雪梅等[6]分析了運行級數(shù)、儲釋能功率、儲氣壓力等AA-CAES重要運行參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響；Grazzini等[7]建立了蓄熱系統(tǒng)模型，并分析換熱器效能和壓損對系統(tǒng)功效率和效率的影響；Kushnir等[8-10]基于能量守恒定律和質量守恒定律，建立了儲氣室的數(shù)值求解模型和近似解析計算模型，并分析了儲氣室熱力學特性對AA-CAES系統(tǒng)性能的影響。為了研究蓄熱系統(tǒng)對AA-CAES性能的影響，本文建立了系統(tǒng)熱力學模型，分析參數(shù)改變時系統(tǒng)特性，并在此基礎上提出帶高溫熔融鹽蓄熱的AA-CAES系統(tǒng)，研究了新系統(tǒng)的運行特性。

1 蓄熱系統(tǒng)熱力學模型

AA-CAES系統(tǒng)結構如圖1所示，系統(tǒng)由儲能子系統(tǒng)、釋能子系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)以及儲氣室組成，其中蓄熱系統(tǒng)包括換熱器、存儲低溫換熱介質的冷罐、存儲高溫換熱介質的熱罐、換熱介質。

圖1 AA-CAES系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of AA-CAES system

在儲能階段，壓氣機出口空氣的溫度很高，為了降低空氣溫度，回收壓縮熱量，在每級壓氣機后布置冷卻換熱器。經(jīng)過換熱器后，空氣溫度降低，冷卻介質被加熱后存儲在熱罐中。在釋能階段，熱罐里的高溫換熱介質與儲氣室內(nèi)的空氣在換熱器中進行熱量交換，換熱器出口高溫高壓的空氣進入膨脹機做功，從而實現(xiàn)熱量的回收利用。

在蓄熱系統(tǒng)中，影響AA-CAES性能的因素主要有：換熱器效能、換熱器級數(shù)、換熱介質流量等。換熱器效能可表示為：

(1)

式中：C為換熱器中一種流體的熱容率；T′、T″為該流體的進口和出口溫度；Cmin為2種流體中熱容率的最小值；Tmax為高溫流體的進口溫度；Tmin為低溫流體的進口溫度。

蓄熱系統(tǒng)采用逆流布置的殼管式換熱器，換熱器效能由下式?jīng)Q定：

(2)

式中Cmax為2種流體中熱容率的最大值。

(3)

kNTU為換熱器傳熱單元數(shù)：

(4)

式中：k為換熱器傳熱系數(shù);A為換熱面積[11]。

空氣在換熱器出口溫度為：

(1) 壓縮階段

(5)

(2) 膨脹階段

(6)

式中:Tci-1_out為第i-1級壓氣機出口空氣溫度;Tci_in為第i級壓氣機進口溫度;Tw_cold為低溫換熱介質溫度;Tti-1_out為第i-1級膨脹機出口空氣溫度;Tti_in為第i級膨脹機進口溫度;Tw_hot為高溫換熱介質溫度。

空氣在換熱器中吸收或釋放的熱量為：

(7)

式中:qm_air為空氣流量;cp為空氣定壓比熱容。

換熱器出口換熱介質溫度為：

(1) 壓縮階段

(8)

(2) 膨脹階段

(9)

式中:cw為冷卻介質比熱容;qm_w為冷卻介質流量。

換熱器中空氣側的壓力損失由經(jīng)驗公式確定：

(10)

在一次完整的儲能、釋能循環(huán)過程中，衡量系統(tǒng)性能的指標主要有儲能效率、儲能密度。

儲能效率：

(11)

式中：Wt為釋能階段膨脹機產(chǎn)生的總功;Wc為儲能階段壓氣機消耗的總功;Q為加熱高溫蓄熱介質消耗的能量。

儲能密度是指單位儲氣容積內(nèi)空氣對外輸出的膨脹功，計算式如下：

(12)

式中V為儲氣室體積。

2 蓄熱系統(tǒng)熱力學分析

在上述分析的蓄熱系統(tǒng)熱力學模型基礎上，設定AA-CAES系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示，求解系統(tǒng)模型。

表1 AA-CAES運行參數(shù)Table 1 Parameters of AA-CAES system

為了研究蓄熱系統(tǒng)特性對AA-CAES性能的影響，以換熱器級數(shù)和蓄熱介質流量為變量，研究儲能效率、儲能密度等的變化規(guī)律。

2.1 換熱器級數(shù)

換熱器與壓氣機和膨脹機的布置方式如圖1所示。在每級壓氣機后布置1臺冷卻換熱器，每級膨脹機前布置1臺加熱換熱器，因此壓縮機和膨脹機級數(shù)等于換熱器級數(shù)。當換熱器級數(shù)變化時，儲能效率的變化情況如圖2所示。

圖2 儲能效率與換熱器級數(shù)關系Fig.2 Relationship between energy storage efficiency and heat exchanger stages

圖3 儲能密度與換熱器級數(shù)關系Fig.3 Relationship between energy storage density and heat exchanger stages

通過計算可以發(fā)現(xiàn)，當膨脹機級數(shù)為2時，增大壓氣機級數(shù)會使儲能效率下降；當膨脹機級數(shù)大于2時，隨著壓氣機級數(shù)增加，儲能效率先上升后下降。壓氣機與膨脹機級數(shù)相近時，效率較高，級數(shù)差別越大效率越低。當壓氣機級數(shù)為4、膨脹機級數(shù)為5時，系統(tǒng)的儲能效率達到最高，為58.76%。

圖3表示當壓縮階段換熱器級數(shù)與膨脹階段換熱器級數(shù)相等時，系統(tǒng)儲能密度隨換熱器級數(shù)的變化規(guī)律?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著換熱器級數(shù)的增加，儲能密度逐漸降低。這是因為，在壓縮階段換熱級數(shù)的增加會使每級壓氣機進口空氣溫度降低，壓縮過程更接近等溫過程，壓氣機消耗的總電能減少。同時，蓄熱系統(tǒng)吸收的熱能也會相應減少。相應地，在膨脹階段，蓄熱系統(tǒng)能夠提供的熱能減少，膨脹機入口空氣溫度降低，使系統(tǒng)發(fā)電量減少，儲能密度降低。

2.2 蓄熱介質流量

AA-CAES以水為蓄熱介質，吸收壓縮階段產(chǎn)生的熱量，并用于膨脹階段。在運行過程中，換熱器中水流量對蓄熱系統(tǒng)有重要影響。當水流量較小時，壓縮階段換熱器出口的水溫和空氣溫度較高，冷卻效果不佳，使壓氣機耗功增多。但在膨脹階段，由于水溫較高，可以獲得較高的空氣溫度，增加做功量。當水流量較大時，壓縮階段換熱器出口的水溫和空氣溫度偏低，冷卻效果較好，壓氣機耗功降低。但在膨脹階段，由于水溫偏低，換熱器出口空氣溫度也偏低，膨脹機做功減少。

定義Z為水的熱容率與空氣熱容率的比值，即：

(13)

式中：qmw、qmair分別為水和空氣的流量；cw、cair分別為水和空氣的比熱容。

在空氣流量一定時，隨著水流量的增大，Z也增大。圖4表示儲能效率隨Z的變化情況?？梢钥闯觯S著Z的增大，儲能效率先升高后降低，效率最大值在Z=1附近獲得，即要求水的熱容率與空氣熱容率相等。

圖4 儲能效率與Z的關系Fig.4 Relationship between energy storage efficiency and Z

3 帶高溫蓄熱系統(tǒng)的AA-CAES

傳統(tǒng)的AA-CAES由于增加了蓄熱系統(tǒng)，儲能效率和儲能密度都獲得了提升，能夠為消納棄風、棄光電能以及低谷電能提供有效的解決方案。為了進一步提升系統(tǒng)的儲能密度，直接利用太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的高溫蓄熱介質，并且增強系統(tǒng)變工況運行能力，本文提出一種帶高溫蓄熱的AA-CAES系統(tǒng)(如圖5所示)。

圖5 帶高溫蓄熱系統(tǒng)的AA-CAESFig.5 AA-CAES with high temperature thermal energy storage

在傳統(tǒng)的AA-CAES基礎上，該系統(tǒng)增添了高溫蓄熱系統(tǒng)，即在每級膨脹機和換熱器之間布置高溫換熱器，換熱介質采用高溫導熱油或熔融鹽。利用棄風棄光電能、低谷電加熱蓄熱罐中的蓄熱介質，或者直接利用太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中產(chǎn)生的高溫熔融鹽。

為了研究該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)AA-CAES的優(yōu)缺點，以四級壓縮、兩級膨脹的系統(tǒng)為例，建立熱力學模型并進行分析，結果如表2所示。其中高溫蓄熱介質選擇熔融鹽HTS，蓄熱溫度為500 K。

表2 2種AA-CAES性能對比表Table 2 Performance comparison of two AA-CAES

熱力學模型計算結果表明帶高溫蓄熱系統(tǒng)的AA-CAES儲能效率為49.49%，相對于傳統(tǒng)AA-CAES儲能效率下降2.9%。但是由于高溫蓄熱介質能夠消納更多的電能，系統(tǒng)儲能密度提升22.56%，相同儲氣空間下，系統(tǒng)可以對外增加供電0.71×105kW·h。同時，在系統(tǒng)運行時高溫蓄熱系統(tǒng)需要熔融鹽5.79×106kg。

為了研究熔融鹽溫度和儲氣室最高壓力對帶高溫蓄熱系統(tǒng)的AA-CAES的影響，以下分析參數(shù)變化時，系統(tǒng)性能的變化情況。

3.1 熔融鹽溫度

圖6表示熔融鹽溫度對帶高溫蓄熱系統(tǒng)AA-CAES儲能效率和儲能密度的影響。隨著熔融鹽溫度的提升，系統(tǒng)儲能效率會逐漸降低。這是因為高溫蓄熱介質的加入使第一級膨脹機進口的空氣溫度升高，第一級膨脹機出口溫度也隨之升高，這導致第二級換熱器內(nèi)的換熱效果變差，換熱器出口水溫上升，壓縮熱不能得到充分利用而浪費，因此儲能效率降低。但儲能密度會隨著熔融鹽溫度的升高而增大。這主要是由于高溫換熱器使膨脹機進口的空氣溫度提升，增大了膨脹機的做功能力，對外輸出功增加。蓄熱介質溫度從400 K升高到800 K的過程中，儲能效率降低5.58%，儲能密度升高1.727 kW·h/m3。

圖6 熔融鹽溫度對系統(tǒng)性能的影響Fig.6 The effect of molten salt temperature on system performance

3.2 儲氣室最高壓力

儲氣室壓力決定了壓氣機的壓比和膨脹機的膨脹比，而壓比和膨脹比決定了換熱器內(nèi)空氣的溫度，因此儲氣室壓力會對蓄熱系統(tǒng)產(chǎn)生影響。以高溫蓄熱系統(tǒng)熔融鹽溫度為500 K時為例，分析儲氣室最高壓力對系統(tǒng)性能的影響。圖7表示儲氣室最高壓力改變時，系統(tǒng)儲能效率和儲能密度的變化情況。隨著儲氣室最高壓力的升高，儲能效率和儲能密度均升高。儲氣室最高壓力從5 MPa升高到10 MPa，儲能效率上升1.85%，儲能密度增大3.49倍。因此提升儲氣室最高壓力是改善系統(tǒng)性能的重要途徑。但儲氣室壓力的提升受到儲氣室結構、強度、壓氣機性能以及低溫蓄熱介質熱物性等因素的限制。為了提高儲氣室壓力，需要設計強度高、成本低的儲氣室，選擇合適的蓄熱材料。

圖7 儲氣室最高壓力對系統(tǒng)性能的影響Fig.7 The effect of maximum chamber pressure on system performance

4 結論

本文對AA-CAES中蓄熱系統(tǒng)建立熱力學模型，分析了蓄熱系統(tǒng)換熱器級數(shù)以及蓄熱介質流量對系統(tǒng)性能的影響。在此基礎上本文設計了帶高溫蓄熱系統(tǒng)的AA-CAES，對比分析該系統(tǒng)與傳統(tǒng)設計方案的優(yōu)缺點，分析了蓄熱介質溫度和儲氣室最高壓力對系統(tǒng)儲能效率等性能參數(shù)的影響。

(1) 壓氣機與膨脹機級數(shù)相近時，儲能效率最高，級數(shù)差別越大儲能效率越低。當壓氣機與膨脹機級數(shù)相等時，隨著級數(shù)的增加，儲能密度逐漸降低。

(2) 隨著水流量的增大，儲能效率先升高后降低，當換熱器中水的熱容率與空氣熱容率接近相等時，儲能效率最高。

(3) 帶高溫蓄熱系統(tǒng)的AA-CAES能夠獲得更大的儲能密度，系統(tǒng)運行靈活性也增強，但儲能效率有所下降。

(4) 蓄熱介質溫度升高會使系統(tǒng)儲能效率下降，儲能密度增大；儲氣室最高壓力升高會使儲能效率和儲能密度同時上升。

[1]中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會. 2011年中國風電裝機容量統(tǒng)計[R]. 北京： CWEA, 2011. Chinese Wind Energy Association. Statistics of China wind power installed capacity in 2011[R]. Beijing: CWEA, 2011.

[2]中華人民共和國國家統(tǒng)計局. 2011年中國裝機容量達10.56億千瓦[EB/OL]. http://www.askci.com/news/201202/02/91447_97.shtml. National Bureau of Statistics of the People’s Republic of China. 2011 China installed capacity of 1.056 billion kilowatts[EB/OL]. http://www.askci.com/news/201202/02/91447_97.shtml.

[3]CHEN H S, CONG T N, YANG W, et al. Progress in electrical energy storage system: A critical review[J]. Progress in Natural Science, 2009, 19(3): 291-312.

[4]HALL P J, BAIN E J. Energy-storage technologies and electricity generation[J]. Energy Policy, 2008, 36(12): 4352-4355.

[5]王承民, 孫偉卿, 衣濤, 等. 智能電網(wǎng)中儲能技術應用規(guī)劃及其效益評估方法綜述[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(7): 33-41. WANG Chengmin, SUN Weiqing, YI Tao, et al. Review on energy storage application planning and benefit evaluation methods in smart grid[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(7): 33-41.

[6]李雪梅, 楊科, 張遠. AA-CAES壓縮膨脹系統(tǒng)的運行級數(shù)優(yōu)化[J]. 工程熱物理學報, 2013, 34(9): 1649-1653. LI Xuemei, YANG Ke, ZHANY Yuan. Optimization design of compression and expansion stages in advanced adiabatic compressed air energy storage system[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2013, 34(9): 1649-1653.

[7]GRAZZINI G, MILAZZO A. A thermodynamic analysis of multistage adiabatic CAES[J]. Proceedings of the IEEE,2012, 100(2): 461-472.

[8]ZHANG Y, YANG K, LI X M, et al. The thermodynamic effect of thermal energy storage on compressed air energy storage system[J]. Renewable Energy, 2013, 50: 227-235.

[9]KUSHNIR R, DAYAN A, ULLMANN A. Temperature and pressure variations within compressed air energy storage caverns[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55(21-22): 5616-5630.

[10]RAJU M, KHAITAN S K. Modeling and simulation of compressed air storage in caverns: a case study of the Huntorf plant[J]. Applied Energy, 2012, 89(1): 474-481.

[11]GRAZZINI G, MILAZZO A. Thermodynamic analysis of CAES/TES systems for renewable energy plants[J]. Renewable Energy, 2008, 33(9): 1998-2006.

Modification of Thermal Energy Storage System in AA-CAES

HAN Zhonghe, PANG Yongchao

(Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education (North China Electric Power University), Baoding 071003, Hebei Province, China)

Advanced adiabatic compressed air energy storage system (AA-CAES) is a kind of large scale electric energy storage and conversion technology which plays an important role in renewable energy grid and power peaking. In order to study the influence of the structure and operation mode of the thermal energy storage system on the performance of AA-CAES, the thermodynamic model of the thermal energy storage system is analyzed and a high temperature thermal energy storage system based on the traditional structure is proposed in this paper. The results show that when the stages of the compressor and expander are similar, the energy storage efficiency is the highest, and the greater the difference of the stages, the lower the energy storage efficiency. When the stages of the compressor and expander are equal, the energy storage density is gradually reduced with the increasing stages. When the thermal capacity rates of water and air in the heat exchanger are nearly equal, the energy storage efficiency is the highest. AA-CAES with high temperature thermal energy storage system can achieve a greater energy storage density, and the system operating flexibility is also enhanced, but the energy storage efficiency has declined slightly.

AA-CAES; thermal energy storage system; high temperature thermal energy storage; energy storage efficiency

韓中合

TK02

A

2096-2185(2016)01-0022-06

國家科技支撐計劃課題(2014BAA06B01)

2016-06-12

韓中合(1964—)，男，博士，教授，博士生導師，研究方向為熱力設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷及新能源開發(fā)利用等，han_zhonghe@163.com；

龐永超(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為壓縮空氣儲能系統(tǒng)模型分析與優(yōu)化，energystoragepang@foxmail.com。

Project supported by National Key Technology R&D Program of the Ministry of Science and Technology(2014BAA06B01)