壓縮空氣儲能具有規(guī)模大、成本低、效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點，是最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模儲能技術(shù)之一。“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要中，明確提出要實施電化學儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等儲能示范項目。
近日，中國科學院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心采用有限時間熱力學方法，首次建立了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的有限時間熱力學模型。該模型充分考慮熱力過程中有限時間和有限尺寸對系統(tǒng)性能的影響，實現(xiàn)了時間項和尺寸項的解耦，在解析模型中可以清晰地看到壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲/釋能時間、關(guān)鍵設備尺寸和其他部件性能參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響規(guī)律。
基于該模型，研究首次揭示了有限時間和有限尺寸在壓縮空氣儲能系統(tǒng)中的最佳匹配關(guān)系。該研究為壓縮空氣儲能系統(tǒng)的總體優(yōu)化設計提供了理論支撐。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Renewable and Sustainable Energy Reviews(2021, 138: 110656)上。
有限時間熱力學起源于1957年，Curzon和Ahlborn于1970年提出了外部不可逆循環(huán)概念并得到更貼近實際的熱機效率后，有限時間熱力學得到發(fā)展，目前已廣泛應用于熱機、制冷和熱泵等傳統(tǒng)熱力學系統(tǒng)分析優(yōu)化中。相對于經(jīng)典熱力學以可逆過程作為研究對象，使研究結(jié)果與實際存在較大偏差，有限時間熱力學作為經(jīng)典熱力學的延伸，考慮有限時間和有限尺寸下的熱力學行為，將熱力學、流體力學和傳熱學等統(tǒng)一考慮，建立更貼近實際的熱力學模型，并利用優(yōu)化策略，揭示更貼近實際的熱力學規(guī)律并獲得熱力系統(tǒng)/過程最佳設計/運行方式。
對于壓縮空氣儲能系統(tǒng)，儲能過程和釋放過程分時運行，且儲能過程和釋能過程存在總空氣質(zhì)量守恒和蓄熱能量守恒的約束，因而壓縮空氣儲能系統(tǒng)與時間存在強相關(guān)關(guān)系;壓縮空氣處于變工況及非穩(wěn)態(tài)運行，且各部件參數(shù)強烈耦合，使系統(tǒng)各部件及系統(tǒng)整體性能也與時間強烈相關(guān)。壓縮空氣儲能系統(tǒng)存在較多容積和換熱設備，其性能同樣與系統(tǒng)部件的有限尺寸強烈相關(guān)。因此，有限時間熱力學可作為高精度分析和優(yōu)化壓縮空氣儲能系統(tǒng)熱力學性能的有效手段，而目前未見該方面研究報道。
工程熱物理所開展了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的有限時間熱力學研究，以目前發(fā)展?jié)摿^大的先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)(圖1)為研究對象，建立了單級和多級壓縮空氣儲能系統(tǒng)的有限時間熱力學模型，得到了系統(tǒng)效率的解析表達式。基于該模型，研究揭示了有限時間和有限尺寸對壓縮空氣儲能系統(tǒng)熱力學性能的影響機理，得到了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的有限時間熱力學邊界(圖2)，其明顯低于傳統(tǒng)的熱力學邊界。
通過定義敏感性參數(shù)，揭示了有限時間和有限尺寸在一定工程約束下的最佳匹配關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)有限時間和有限尺寸存在強作用區(qū)域，而在其他區(qū)域影響較小(圖3)。在有限時間熱力學模型中引入的多級壓縮/膨脹過程的不平衡度參數(shù)，通過不平衡度分析發(fā)現(xiàn)：隨著各級壓比和膨脹比不平衡度的增加，系統(tǒng)效率明顯降低。壓力損失系數(shù)的平衡，而非壓力損失絕對值的平衡，可以使系統(tǒng)達到更高的效率。壓比/膨脹比與壓縮機效率/膨脹機效率的正相關(guān)匹配可以使系統(tǒng)效率較高。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金青年項目、中科院前沿科學重點研究項目和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項等的支持。
另外，據(jù)悉近日中國科學院工程熱物理所在壓縮空氣儲能系統(tǒng)研發(fā)取得重要進展，10MW級壓縮空氣儲能系統(tǒng)蓄熱子系統(tǒng)通過國家建筑節(jié)能質(zhì)量監(jiān)督檢測中心第三方測試，測試結(jié)果為蓄熱裝置蓄熱量達68GJ，保溫4小時蓄熱效率為97.32%，保溫8小時蓄熱效率為96.56%，超過項目指標要求。
蓄熱裝置是壓縮空氣儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件。系統(tǒng)儲能時，蓄熱裝置蓄積壓縮機產(chǎn)生的壓縮熱;系統(tǒng)釋能時，蓄熱裝置釋放蓄積的熱量，增加膨脹機的輸出功率，提高系統(tǒng)的儲能效率。10MW級先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)蓄熱裝置突破了高效超臨界蓄熱換熱等關(guān)鍵技術(shù)，具有儲熱效率高、成本低、安全穩(wěn)定等優(yōu)點。
相關(guān)工作得到國家自然科學基金委員會、國家重點研發(fā)計劃、中科院促進科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化專項、中科院前沿科學重點研究項目等的支持。
工程熱物理所是國內(nèi)最早開展壓縮空氣儲能研究的機構(gòu)之一，建立了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的研發(fā)體系，先后突破了系統(tǒng)全工況設計與控制、多級高負荷壓縮機和膨脹機、高效超臨界蓄熱換熱等關(guān)鍵技術(shù)。已建成1.5MW級和10MW級先進壓縮空氣儲能國家級示范系統(tǒng)，并在國內(nèi)外率先開展了100MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)和國家示范工程。
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