中国科学院工程热物理研究所开展液滴喷雾等温压缩空气储能系统热力学分析研究
文章信息
技术领域：等温压缩空气储能
开发单位：中国科学院工程热物理研究所 陈海生
文章名称：Ziyu Gao, Xinjing Zhang，et al. Thermodynamic analysis of isothermal compressed air energy storage system with droplets injection. Energy, 2023.
技术突破：增大气液质量比(ML)和降低转速可提高等温压缩/膨胀效率、往返效率和等温性。当充电时间为6h，放电时间为4h，ML等于10时，单级I-CAES系统的往返效率为83.15%，能量密度为1.94 MJ/m3。在相同条件下，两级I-CAES系统的往返效率为82.53%，能量密度为39.93 MJ/m3。
应用价值：研究了ML和转速对热力学性能的影响，考虑一级和两级I-CAES系统，分析了等温压缩空气储能系统的性能。
可再生能源是间歇性和不稳定的，这可能导致电网功率波动和不稳定的运行。因此，我们需要储能技术来提高电网稳定性，减少大规模可再生能源接入电网的不稳定影响，在众多的储能技术中，CAES以其可靠性高、经济可行、施工限制少等优点，在大规模、长时间的储能应用中具有广阔的前景。等温压缩空气储能（I-CAES）系统通过控制压缩过程的温升和膨胀过程的温降来实现接近等温的压缩和膨胀过程，从而使空气始终处于环境温度。理论上，理想的往返效率在90%以上。根据传热方法的不同，I-CAES系统可分为直接传热和间接传热两类。液滴喷雾和液体活塞是直接传热技术中最常用的方法之一，与其他传热方法相比，添加水滴的优点如下：（1）水滴具有更高的比热。（2）液滴直径的减小增加其表面积。（3）水滴具有较大的对流换热系数。（4）水滴对环境友好。先前的研究表明，液滴的质量负荷对I-CAES系统的性能影响最大。然而，很少有关于液滴质量在循环中变化的研究。系统的综合性能需要通过等温压缩/膨胀效率、能量密度和等温性等多元参数分析来揭示。
为解决上述问题，来自中国科学院工程热物理研究所的研究人员对压缩机/膨胀机的多变量参数进行了详细的分析，建立了液滴注入法I-CAES系统的热力学模型，给出了液滴质量随曲柄旋转角度和空气质量变化的计算公式。实验结果验证了仿真模型的正确性。然后对等温压缩机/膨胀机工作过程进行了热力学分析。最后，考虑一级和两级I-CAES系统，分析了I-CAES系统的性能。所研究的I-CAES系统如图1所示，该系统采用直接传热方法进行配置。它主要由储气容器（ASV）、往复式活塞压缩机/膨胀机、气水分离器和电动机/发电机组成，用于储存/发电。图2显示了等温往复式膨胀机的工作过程，对于往复式压缩机/膨胀机，常用相对于曲柄角度的物理量变化表示。研究了气液质量比（ML）和转速对热力学性能的影响，包括等温压缩/膨胀效率、等温性、往返效率和能量密度。结果表明，增大ML和降低转速可提高等温压缩/膨胀效率、往返效率和等温性，其中ML的影响更为明显。通过配置适当的ML和转速，可以提高往返效率和能量密度。在较高的ML下，往返效率和能量密度没有显著改善。两级I-CAES系统的往返效率与一级I-CAES系统相比没有太大差异，但两级I-CAES系统具有更高的能量密度。当充电时间为6h，放电时间为4h，ML等于10时，单级I-CAES系统的往返效率为83.15%，能量密度为1.94 MJ/m3。在相同条件下，两级I-CAES系统的往返效率为82.53%，能量密度为39.93 MJ/m3，是单级I-CAES系统能量密度的21倍。（编译：周冰倩，张新敬 INESA）
图1 (a)一级I-CAES系统示意 (b)二级I-CAES系统示意图
图2 (a) 有水滴的等温往复式压缩机工作过程（b）有水滴的等温往复式膨胀机工作过程
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技术突破：提出了一种结合固体氧化物燃料电池（SOFC）、压缩空气储能（CAES）和海水淡化装置来发电的新型储能配置。在TOPSIS点，该系统的往返效率为71.03%，总成本为34.07美元/小时，污染率为0.184 kg/kWh。
应用价值：提供了一种创新的能源储存与转换系统，并对其进行了综合的技术经济评估和优化，为实现能源转型和可持续发展提供方案。
可再生能源具有间歇性的特点，储能系统对于未来的可再生能源部署是非常必要的。压缩空气储能（CAES）和抽水水电储能（PHES）是迄今为止提出的众多储能系统中最可行的大规模应用选择。CAES具有较好的效率，较低的成本以及较长的生命周期等优势，已经为快速发展的技术。有几项研究利用燃烧室将 CASE 与燃气轮机（GT）系统相结合，但会导致二氧化碳排放量增加。将燃料电池集成到 GT 系统中是减少排放的最可靠方法之一。固体氧化物燃料电池（SOFC）由于其耐用性、高电效率、燃料使用的适应性和环境友好性等主要优点而优于其他类型的燃料电池。淡水生产已经超过电力生产，成为人类最紧迫的问题之一，世界上对水资源问题和短缺最实际的解决方案是海水淡化，热电联产技术是可以为非常昂贵和能源密集型的海水淡化过程提供必要的能源输入，并且能够降低成本的一个很好的选择，世界需要在不破坏环境的情况下满足能源和水的需求，这是需要通过知识和技术解决的重大挑战。因此，必须建立最大限度利用可再生能源的经济结构。
为解决上述问题，来自沙赫雷科德大学的研究人员提出了一个生产电力能源和水的系统，如图所示，该系统是结合SOFC、CAES和海水淡化装置来发电的新型储能配置。压缩空气是由三台压缩机在充电过程中以相同压比运行，使用额外的电力完成。燃气轮机燃烧产物预热空气，预热后的燃料与水蒸气混合，随后，燃料电池使用电化学过程从预热的空气和预处理的燃料中发电。水蒸馏由燃气轮机废气中的废热加热。多级蒸馏（MED）装置通过在压缩空气期间利用压缩废热和利用燃气轮机废气的废热来生产淡水。作者对系统进行数学建模，并利用EES软件从技术、经济性和环境友好性三个方面评估系统。然后利用神经网络算法得到最精确的模型，缩短了优化时间。通过参数分析研究系统的性能及其对目标函数的影响。随后，使用灰狼算法降低了成本率和CO2排放指数，同时最大化了㶲效率。结果表明，随着电流密度的增加，系统效率降低，成本上升。通过TOPSIS决策标准得到的最优点具有71.03%的效率、34.07美元/小时的总成本率和0.184千克/千瓦时的污染率。储气室入口压力、压缩机压比和电流密度等因素对系统性能有相当大的影响。根据研究结果，储气室入口压力、压缩机压比、电流密度和燃料电池的入口温度应通常保持在尽可能低的水平。（编译：周冰倩，张新敬 INESA）
图3 提出的CAES-SOFC-MED示意图
来源：国际储能技术与联盟