王 虎, 王志文, 熊 偉

(大連海事大學船舶機電裝備研究所, 遼寧大連 116026)

引言

隨著海洋強國戰(zhàn)略的實施,日益頻繁的海洋活動離不開電力的支持, 目前各類海洋活動基本依賴海底電纜遠距離輸電和當地燃油動力裝置發(fā)電,難以滿足未來海上大范圍分布式應用需求。尤其是隨著當前海洋活動不斷向深遠海延伸,海洋可再生能源的優(yōu)勢愈發(fā)顯著。海洋可再生能源主要包括海上風能、海上太陽能、潮汐能、波浪能、海流能和溫差能等[1-4]。我國海域面積達470多萬平方千米,海洋可再生能源開發(fā)利用的潛力巨大。但海洋可再生能源隨機性、間歇性以及低能量密度的缺點成為其開發(fā)應用的主要阻礙因素之一[2-3],儲能技術被認為是解決該難題的最有效方式之一。“海洋可再生能源+儲能”的模式能夠廣泛應用于海洋平臺、海上大型/超大型浮體/島、海洋能源基站、海底采礦、深海漁場、海底空間站、海底觀測網、水中航行器/滑翔機/直升機、各類潛標、水下數據中心等提供持續(xù)長期可靠能源供給服務。以深遠海海底觀測為例,海底觀測對海洋安全、資源開發(fā)、維權管控、生態(tài)環(huán)境、災害預警等具有重要意義[5-7]。而水下用電裝備的電能持續(xù)可靠供給是關鍵技術之一,在廣闊的深遠?？臻g,利用海洋可再生能源發(fā)電供電比傳統(tǒng)纜系岸電供電具備更多優(yōu)勢,有良好發(fā)展應用前景,對長時大容量大功率儲能供能有大量的需求。目前,陸上規(guī)?；L時儲能技術主要以抽水儲能、壓縮空氣儲能和電池儲能為主,相應的海上規(guī)?；瘍δ軕眠€在研究發(fā)展中。近年來,水下抽水儲能和水下壓縮空氣儲能技術備受關注。德國弗勞恩霍夫研究所成功完成了水下抽水儲能技術的初步技術驗證和系統(tǒng)水下試驗,美國和加拿大已經完成了水下壓縮空氣儲能技術的技術驗證和示范系統(tǒng)建設運行[3]。

壓縮空氣儲能技術是當前規(guī)?；瘍δ芗夹g的研究熱點之一,被認為是極具發(fā)展前景的靈活儲能技術[3,8-9]。水下壓縮空氣儲能是壓縮空氣儲能技術在海洋儲能領域的應用,國內外一些學者對水下壓縮空氣儲能應用于海洋可再生能源存儲開展了一系列研究。SHENG L等[10]提出一種海流能與水下壓縮空氣儲能相結合的混合系統(tǒng),用于補償功率變化和替代柴油發(fā)電。VASEL-BE-HAGH A等[11]提出將渦激振動水面清潔能源轉換器與水下壓縮空氣儲能結合的概念,提高了傳統(tǒng)水下壓縮空氣儲能的效率。FIASCHI D等[12]提出了一種海上可再生能源平臺,集成了包括水下壓縮空氣儲能在內的多種儲能方式。然而水下壓縮空氣儲能需要在水面或地面將壓縮空氣通過輸氣管道存入水下儲能裝置中,而隨著水深的增加水溫不斷下降,輸氣管道不斷與海水換熱導致管內溫度降低,使管內壓縮空氣達到壓力露點后析出水蒸氣,由于重力的作用在管道低洼處聚集成積液,管內流動由原來的氣態(tài)單相流動變?yōu)闅庖簝上嗔髁鲃?并且容易引發(fā)管道堵塞、振動等一系列問題,甚至發(fā)生水擊問題,嚴重影響水下輸氣系統(tǒng)的安全運行。加拿大的Hydrostor公司[13]的水下壓縮空氣儲能示范項目曾因輸氣管道積液問題引發(fā)系統(tǒng)輸氣困難,造成系統(tǒng)運行頻繁停滯。PIMM A J等[14]在進行水下壓縮空氣儲能試驗過程中也發(fā)生了因積液而無法有效輸氣的問題。LIANG C等[15]通過理論與實驗研究,對水下輸氣管道液塞的形成進行了分類與闡述,建立了段塞流臨界速度的預測模型,通過預測管內液塞的臨界速度進而控制流體在管內的流動,有助于監(jiān)測管道積液狀態(tài),及時清管減少管道輸氣過程中的能量損失,從而提高系統(tǒng)儲能效率。

因此,為了能夠結合高壓氣體在能量密度和水液壓在功率密度上的優(yōu)勢,并同時解決水下壓縮空氣儲能輸氣管道因結露積液造成的堵塞、振動等一系列問題,提出了一種無輸氣管道的水下氣液混合儲能系統(tǒng),避免了因積液問題造成系統(tǒng)運行故障,提高了儲能系統(tǒng)的運行效率,并能夠為各類海洋活動提供長期穩(wěn)定的供能服務。

1 系統(tǒng)概述

水下氣液混合儲能系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由電動機、泵、馬達、發(fā)電機以及氣液混合儲能裝置組成。

圖1 水下氣液混合儲能系統(tǒng)概念圖Fig.1 Conceptual diagram of underwater hydro-pneumatic hybrid energy storage system sketch

系統(tǒng)分為儲能與釋能2個過程。系統(tǒng)工作時,海洋可再生能源發(fā)電驅動電動機拖動海水泵加壓海水,海水進入儲能裝置使氣體增壓儲能。水下用電設備需要供電時,增壓后的壓縮空氣推動海水通過海水馬達拖動發(fā)電機發(fā)電將電能供給用電設備。為避免儲能裝置內海水與壓縮空氣直接接觸造成氣溶于水,并且水下補氣較為不便,因此二者之間用柔性隔膜隔開。水下氣液混合儲能技術與傳統(tǒng)水下壓縮空氣儲能類似,二者均基于空氣的壓縮與膨脹,主要區(qū)別在于水下氣液混合儲能技術利用液體活塞對空氣進行壓縮與膨脹;水下氣液混合儲能技術與抽水儲能類似,二者均使用液壓渦輪機械用于能量存儲與釋放,但水下氣液混合儲能技術無需利用高度差制造高壓力水頭。

2 數學建模

使用系統(tǒng)效率和能量密度這兩個關鍵指標對氣液混合儲能系統(tǒng)進行性能評估。其中系統(tǒng)效率包括ηelec,ηshaft,ηchar以及ηdisc。電效率(或稱循環(huán)效率,下同)ηelec定義為系統(tǒng)電功輸出Wout,elec與輸入Win,elec之比;軸效率ηshaft定義為系統(tǒng)輸出軸功Wout,shaft與輸入軸功Win,shaft之比;儲能效率ηchar定義為混合儲能裝置輸入能量Wchar與系統(tǒng)電功輸入Win,elec之比;釋能效率ηdisc定義為系統(tǒng)電功輸出Wout,elec與混合儲能裝置輸出能量Wdisc之比。式(1)～式(6)用于計算各種輸入功和輸出功,式(7)～式(10)用于計算效率:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

系統(tǒng)儲能時間由t0時刻持續(xù)至t1時刻,釋能時間由t2時刻持續(xù)至t3時刻。式(1)與式(2)分別在儲能時間和釋能時間內對電功率積分得到儲能系統(tǒng)電機的輸入電功和發(fā)電機輸出電功。式(3)與式(4)分別用于計算輸入軸功和輸出軸功,其中軸功率由轉矩與角速度的乘積求得。儲能裝置輸入能量由入口處的液壓功率在儲能時間內積分得到,儲能裝置輸出能量由出口處的液壓功率在釋能時間內積分得到,如式(5)和式(6)所示。儲能裝置輸入能量和輸出能量還可通過p-V示功圖的面積來計算,這種計算方式與式(5)和式(6)計算得到的結果基本一致。

體積能量密度包含電功能量密度和軸功能量密度,定義如式(11)與式(12)所示,其中V0表示儲能裝置初始空氣體積:

(11)

(12)

3 系統(tǒng)仿真模型

為了評估系統(tǒng)的性能,進行先儲能再釋能一個完整循環(huán)的仿真。利用AMESim建立了水下氣液混合儲能系統(tǒng)的仿真模型,并作如下假設:

(1) 不考慮海水密度、黏度等物理屬性隨溫度的變化;

(2) 假設泵與馬達的效率為定值;

(3) 忽略海水溫度隨深度的變化。

系統(tǒng)仿真模型如圖2所示,主要元件仿真參數設置如表1所示。系統(tǒng)儲能過程開始時,儲能裝置內空氣初始壓力略高于當前水深的靜水壓,裝置內壓縮空氣充滿整個腔室,海水泵向儲能裝置內注入加壓海水,直到儲能1 h后結束(結束時壓力不超過最大允許壓力15 MPa)。儲能過程結束,釋能過程開始,直到儲能裝置內空氣壓力降低至初始壓力,一個完整的儲能釋能循環(huán)結束。分別以階躍、正弦、隨機3種形式作為系統(tǒng)的輸入,模擬海洋可再生能源隨機性的特點,3種輸入形式如圖3所示。

表1 AMESim仿真參數Tab.1 Parameters of AMESim simulation

圖2 水下氣液混合儲能系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of underwater hydro-pneumatic energy storage system

圖3 系統(tǒng)輸入的3種形式Fig.3 Three signals of system input

4 結果分析

圖4、圖5分別展示了系統(tǒng)輸入形式為階躍時儲能裝置內壓力和溫度的瞬態(tài)變化。儲能過程開始時,海水溫度和氣體溫度均為10 ℃,泵將海水壓入氣液混合儲能裝置,裝置內空氣被液體活塞壓縮導致溫度上升,因為儲能容積相對較大、過程相對緩慢且氣體與海水換熱充分,溫度僅上升至10.94 ℃。儲能裝置安裝位置越深氣體壓力越高,安裝于水下100, 300, 500 m時儲能1 h壓力分別達到3.146, 8.567, 14.005 MPa。系統(tǒng)釋能時,由于壓縮空氣壓力快速下降,壓縮空氣溫度也下降迅速且釋能壓力越高溫度下降越大,系統(tǒng)安裝于水下500 m時儲能過程與釋能過程溫差最大,但最大溫差僅為1.99 ℃,儲能裝置內熱力過程接近等溫過程,等溫過程有利于減小系統(tǒng)能量損失并且提高系統(tǒng)效率。這一點也反映在p-V圖中,如圖6所示。儲能過程與釋能過程的p-V曲線幾乎重合,左側是部分區(qū)域的放大圖,p-V圖的閉合區(qū)域表示能量損失,圖6所示閉合區(qū)域非常小, 這意味著在儲能裝置內產生的能量損失極小。隨著儲能裝置安裝位置的加深,能量損失略有增大。

圖4 不同水深時裝置內壓力曲線Fig.4 Pressure curve at different water depths

圖5 不同水深時裝置內溫度曲線Fig.5 Temperature curve at different water depths

圖6 不同水深時裝置內p-V曲線Fig.6 p-V curve at different water depths

系統(tǒng)安裝于水下500 m且輸入為階躍形式時,儲能過程與釋能過程中電功及效率隨壓力的變化如圖7和圖8所示。儲能過程中隨著儲氣壓力的增大,電動機的輸入電功與進入儲能裝置的能量逐漸增加,二者之間差值也逐漸增加,造成差值的原因是在電動機、泵以及管路閥件處產生了不可逆的能量損失。系統(tǒng)儲能效率隨著儲氣壓力的增加而迅速增加隨后趨于穩(wěn)定,儲能過程結束時效率穩(wěn)定在76.3%。同儲能過程類似,隨著高壓海水不斷地從儲能裝置中釋放出來,發(fā)電機輸出電功不斷增加,但由于在各元件處的能量損失,導致發(fā)電機輸出電功與儲能裝置釋放出來的能量差值不斷增加,在此過程中系統(tǒng)釋能效率略有增加但變化較小,釋能過程結束時效率穩(wěn)定在76.2%。

圖7 輸入電功及儲能效率隨壓力的變化Fig.7 Variation of system input electric power and charging efficiency with pressure

圖8 輸出電功及釋能效率隨壓力的變化Fig.8 Variation of system output electric power and discharging efficiency with pressure

不同安裝水深、不同輸入形式的系統(tǒng)循環(huán)效率ηc和能量密度EDs如圖9所示。由圖9可知,系統(tǒng)循環(huán)效率隨安裝水深的增加而略有增加,但總體上增長并不明顯,最小循環(huán)效率為55.7%,最大循環(huán)效率為57.8%。能量密度受安裝水深影響較大,隨著安裝水深的增加系統(tǒng)能量密度大大提高,尤其是系統(tǒng)輸入形式為階躍時最為明顯,實際上這與儲能裝置內儲氣壓力相關,不同水深時儲氣壓力不同,當安裝深度為500 m時,系統(tǒng)儲能一小時儲能裝置內壓力達14.005 MPa,遠遠高于其他安裝深度的儲氣壓力,這是能量密度隨水深增加的主要原因,因此可通過增加儲能時間來提高儲氣壓力進而提高其他水深的系統(tǒng)能量密度。此外,還可看出相比于隨機輸入和正弦輸入,階躍輸入時的能量密度要高于二者,因此對于儲能系統(tǒng)來說,相對穩(wěn)定的系統(tǒng)輸入對于單位時間內提高系統(tǒng)能量密度較為重要。系統(tǒng)軸效率、儲能效率、釋能效率及軸能量密度表現出的規(guī)律性與二者相近,結果如表2所示,分別用S1,S2,S3表示階躍輸入、正弦輸入以及隨機輸入。

表2 仿真結果Tab.2 Simulation results

圖9 系統(tǒng)循環(huán)效率和能量密度Fig.9 Cycle efficiency and energy density

為研究不同的泵/馬達效率對系統(tǒng)運行特性的影響,以系統(tǒng)安裝于水深500 m為例,分別取泵/馬達的效率為0.855,0.76,0.665,得到了不同泵/馬達效率下,水下氣液混合儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率以及能量密度,結果如圖10和圖11所示。由圖10可知,在不同的系統(tǒng)輸入形式下,隨著泵/馬達效率的降低,系統(tǒng)循環(huán)效率均明顯下降。在體積能量密度方面,由圖11可知,不同的輸入形式下,能量密度差距較大,尤其以階躍輸入下的能量密度最高。在同一輸入形式下,隨著泵/馬達效率的降低,系統(tǒng)能量密度也呈現出明顯的下降趨勢。

圖10 不同泵/馬達效率下系統(tǒng)循環(huán)效率Fig.10 Cycle efficiency under different pump/motor efficiency

圖11 不同泵/馬達效率下系統(tǒng)能量密度Fig.11 Energy density under different pump/motor efficiency

同樣地,進行了不同的電動機/發(fā)電機效率對系統(tǒng)運行特性的影響分析,系統(tǒng)安裝于水深500 m,分別取電動機/發(fā)電機的效率為0.9,0.75,0.6,得到系統(tǒng)的循環(huán)效率與能量密度如圖12和圖13所示。圖12展示的結果與圖10結果相似,即不同的輸入形式下,隨著電動機/發(fā)電機效率的降低,系統(tǒng)循環(huán)效率均呈下降態(tài)勢,且下降幅度較大。圖13也表現出隨著電動機/發(fā)電機效率的降低,系統(tǒng)體積能量密度逐步降低。

圖13 不同電動機/發(fā)電機效率下系統(tǒng)能量密度Fig.13 Energy density under different motor/generator efficiency

由以上分析可知不同的泵/馬達效率和不同的電動機/發(fā)電機效率對系統(tǒng)循環(huán)效率和體積能量密度均存在一定影響,因此后續(xù)研究將考慮泵/馬達和電動機/發(fā)電機的動態(tài)效率對系統(tǒng)運行特性的研究。

系統(tǒng)安裝于水下500 m時各元件處能量損失如圖14所示。由圖可知,系統(tǒng)在泵、馬達、電動機以及發(fā)電機處的能量損失占據了系統(tǒng)總損失的95.56%,尤其是泵與馬達處的能量損失占比更是超過系統(tǒng)總損失的一半以上,因此提高泵、馬達等關鍵部件的工作效率對提高系統(tǒng)效率至關重要。系統(tǒng)在儲能裝置及輔助元件處的損失只有4.44%,其中在儲能裝置處的能量損失只占1.58%,這主要得益于儲能裝置所處的水下環(huán)境使得裝置內熱力過程趨近于等溫過程。通過仿真對比分析還發(fā)現儲能過程與釋能過程之間有間歇與無間歇的系統(tǒng)效率以及能量密度基本無差別,這也是由儲能裝置內氣體壓縮和膨脹過程接近等溫過程的特性帶來的,獨特的水下環(huán)境為自然實現高效地等溫壓縮與膨脹提供了便利。

圖14 各元件處能量損失占比Fig.14 Proportion of energy loss at each element

5 結論

本研究應用AMESim軟件對提出的水下大型氣液混合儲能系統(tǒng)進行了建模仿真。結果表明:

(1) 儲能裝置內熱力過程接近等溫過程,最大溫差1.99 ℃,在儲能裝置處的能量損失僅占系統(tǒng)總損失的1.58%;

(2) 在水下500 m內,系統(tǒng)安裝深度與系統(tǒng)輸入形式對系統(tǒng)效率影響不大,循環(huán)效率可達約58%。單位時間內能量密度隨安裝深度的增加而增大,500 m時能量密度約0.413 kWh/m3,由于儲能裝置內壓縮氣體壓縮比和膨脹比的限制,體積能量密度偏小,還有較大的提升空間。后續(xù)需要考慮海水溫度隨水深的變化,對安裝深度與系統(tǒng)效率的關系做進一步分析;

(3) 泵、馬達、發(fā)電機以及電動機處的能量損失占系統(tǒng)能量損失的絕大部分,提高系統(tǒng)運行效率應把優(yōu)化泵、馬達等關鍵部件的工作效率作為重點。后續(xù)需要考慮泵、馬達、發(fā)電機以及電動機的動態(tài)特性,對水下氣液混合儲能系統(tǒng)循環(huán)效率和能量密度做進一步研究。