壓縮空氣儲能具有規模大、成本低、效率高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是最具發(fā)展潛力的大規模儲能技術(shù)之一?！笆奈濉币巹澓?035年遠景目標綱要中，明確提出要實(shí)施電化學(xué)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(xué)院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心采用有限時(shí)間熱力學(xué)方法，首次建立了壓縮空氣儲能系統的有限時(shí)間熱力學(xué)模型。該模型充分考慮熱力過(guò)程中有限時(shí)間和有限尺寸對系統性能的影響，實(shí)現了時(shí)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儲/釋能時(shí)間、關(guān)鍵設備尺寸和其他部件性能參數對系統效率的影響規律。
基于該模型，研究首次揭示了有限時(shí)間和有限尺寸在壓縮空氣儲能系統中的最佳匹配關(guān)系。該研究為壓縮空氣儲能系統的總體優(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(shí)間熱力學(xué)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(shí)際的熱機效率后，有限時(shí)間熱力學(xué)得到發(fā)展，目前已廣泛應用于熱機、制冷和熱泵等傳統熱力學(xué)系統分析優(yōu)化中。相對于經(jīng)典熱力學(xué)以可逆過(guò)程作為研究對象，使研究結果與實(shí)際存在較大偏差，有限時(shí)間熱力學(xué)作為經(jīng)典熱力學(xué)的延伸，考慮有限時(shí)間和有限尺寸下的熱力學(xué)行為，將熱力學(xué)、流體力學(xué)和傳熱學(xué)等統一考慮，建立更貼近實(shí)際的熱力學(xué)模型，并利用優(yōu)化策略，揭示更貼近實(shí)際的熱力學(xué)規律并獲得熱力系統/過(guò)程最佳設計/運行方式。
對于壓縮空氣儲能系統，儲能過(guò)程和釋放過(guò)程分時(shí)運行，且儲能過(guò)程和釋能過(guò)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與時(shí)間存在強相關(guān)關(guān)系;壓縮空氣處于變工況及非穩態(tài)運行，且各部件參數強烈耦合，使系統各部件及系統整體性能也與時(shí)間強烈相關(guān)。壓縮空氣儲能系統存在較多容積和換熱設備，其性能同樣與系統部件的有限尺寸強烈相關(guān)。因此，有限時(shí)間熱力學(xué)可作為高精度分析和優(yōu)化壓縮空氣儲能系統熱力學(xué)性能的有效手段，而目前未見(jiàn)該方面研究報道。
工程熱物理所開(kāi)展了壓縮空氣儲能系統的有限時(shí)間熱力學(xué)研究，以目前發(fā)展潛力較大的先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(圖1)為研究對象，建立了單級和多級壓縮空氣儲能系統的有限時(shí)間熱力學(xué)模型，得到了系統效率的解析表達式?；谠撃Ｐ?，研究揭示了有限時(shí)間和有限尺寸對壓縮空氣儲能系統熱力學(xué)性能的影響機理，得到了壓縮空氣儲能系統的有限時(shí)間熱力學(xué)邊界(圖2)，其明顯低于傳統的熱力學(xué)邊界。
通過(guò)定義敏感性參數，揭示了有限時(shí)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)現有限時(shí)間和有限尺寸存在強作用區域，而在其他區域影響較小(圖3)。在有限時(shí)間熱力學(xué)模型中引入的多級壓縮/膨脹過(guò)程的不平衡度參數，通過(guò)不平衡度分析發(fā)現：隨著(zhù)各級壓比和膨脹比不平衡度的增加，系統效率明顯降低。壓力損失系數的平衡，而非壓力損失絕對值的平衡，可以使系統達到更高的效率。壓比/膨脹比與壓縮機效率/膨脹機效率的正相關(guān)匹配可以使系統效率較高。
研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金青年項目、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項目和中科院戰略性先導科技專(zhuān)項等的支持。
另外，據悉近日中國科學(xué)院工程熱物理所在壓縮空氣儲能系統研發(fā)取得重要進(jìn)展，10MW級壓縮空氣儲能系統蓄熱子系統通過(guò)國家建筑節能質(zhì)量監督檢測中心第三方測試，測試結果為蓄熱裝置蓄熱量達68GJ，保溫4小時(shí)蓄熱效率為97.32%，保溫8小時(shí)蓄熱效率為96.56%，超過(guò)項目指標要求。
蓄熱裝置是壓縮空氣儲能系統的關(guān)鍵核心部件。系統儲能時(shí)，蓄熱裝置蓄積壓縮機產(chǎn)生的壓縮熱;系統釋能時(shí)，蓄熱裝置釋放蓄積的熱量，增加膨脹機的輸出功率，提高系統的儲能效率。10MW級先進(jìn)壓縮空氣儲能系統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、安全穩定等優(yōu)點(diǎn)。
相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中科院促進(jìn)科技成果轉移轉化專(zhuān)項、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項目等的支持。
工程熱物理所是國內最早開(kāi)展壓縮空氣儲能研究的機構之一，建立了具有完全自主知識產(chǎn)權的研發(fā)體系，先后突破了系統全工況設計與控制、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(jìn)壓縮空氣儲能?chē)壹壥痉断到y，并在國內外率先開(kāi)展了100MW先進(jìn)壓縮空氣儲能系統的技術(shù)研發(fā)和國家示范工程。
您當前的位置：