新型太陽能輔熱式CAES 系統熱力特性分析

張文成

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 310000）

近年來，以傳統化石能源為代表的能源生產和消費方式已經不可持續，以風能和太陽能為代表的可再生能源正逐漸成為人類可持續發展的重要選擇。而以風光為首的可再生能源的不穩定性給電網帶來極大沖擊，使得電網對新能源的接納能力不足，引起嚴重的棄風棄光現象[1]。因此，迫切需要高效大規模的儲能技術來解決風能和太陽能的集成和調節問題。

目前，已有的儲能技術主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、液化空氣儲能、飛輪儲能、超導儲能和電池儲能等[2-3]。其中，壓縮空氣儲能具有工作時間長、容量大、響應快和經濟性能好的優點。因此，壓縮空氣儲能技術是具有較大發展前景的大規模儲能技術之一[4-6]。但常規的CAES系統存在需要補燃、對大型儲氣室比較依賴、運行效率低等問題。因此，國內外學者從改變CAES 自身運行工況與結構，對其熱力循環過程進行優化，與其他技術進行耦合等角度出發，提出了許多新型的CAES，文獻[7]提出了一種基于太陽能輔熱的先進絕熱壓縮空氣儲能系統，并對耦合系統與傳統AA-CAES 系統進行了對比分析。結果表明，新系統的儲能效率提升了9%，耦合儲能效率也提升了2%。文獻[8]提出了一種太陽能與壓縮空氣耦合的分布式能源系統，討論了系統的變工況特性，并分析了熱力參數對系統效率的影響。結果表明，該系統相對未經耦合的傳統壓縮空氣儲能系統效率提高了1%。

綜上所述，本文提出了一種新型太陽能輔熱式CAES 系統，在太陽能輔熱的基礎下，將變壓比CAES系統與ORC 系統進行了耦合；并對系統的熱力特性進行進一步研究，揭示了釋能壓力、透平初溫和釋氣流量對系統熱力性能的影響規律。

1 變壓比CAES+CSP+ORC 系統

1.1 系統組成

變壓比CAES+CSP+ORC 系統結構圖如圖1 所示，系統可分為4 個部分，按照空氣在系統中流經的先后順序，分別是變壓比儲能子系統、太陽能輔熱子系統、釋能子系統和ORC 子系統。變壓比儲能子系統包括高壓壓縮機、低壓壓縮機及級間冷卻器；太陽能輔熱子系統包括太陽能集熱器、導熱油換熱器、導熱油循環裝置和儲油罐；釋能子系統包括高壓空氣透平和低壓空氣透平；ORC 子系統包括ORC 透平、蒸發器、冷凝器和泵。

圖1 變壓比CAES+CSP+ORC 系統圖

1.2 系統熱力分析理論模型

壓氣機總功耗[9]為

式中:Wc為空氣壓氣機總耗功，kW；n為壓氣機總級數；ηc為壓縮機等熵效率；κ 為定熵指數；mc，i為第i級壓氣機空氣質量流量，kg/s；R為氣體常數為第i級壓縮機進口空氣溫度，℃；βc，i為第i級壓氣機壓比。

換熱器出口氣體溫度

儲氣室內溫度與時間的關系為

式中:T為儲氣室內部溫度，℃；m為流入儲氣室內的氣體質量，kg/s；min為流經壓縮機的氣體質量流量，kg/s；cp為氣體的定壓比熱容；cv為氣體的定壓比熱容；mout為流出儲氣室的氣體質量流量，kg/s。

儲氣室內壓力與時間的關系為[10]

式中：P為儲氣室內氣體壓力，MPa；V 為儲氣室容積，m3；Tin和Tout為儲氣室入口氣體溫度和儲氣室出口氣體溫度，℃。

式中：ηs為太陽能集熱器效率；Qr為同一時段內接收器得到的能量，W；QL為同一時段內吸收器對周圍環境散失的能量，W；Ga為太陽輻照度，W·m-2；Aa為吸收器的開口面積，m2。

空氣透平做功總量

式中：Wt為空氣透平做功總量，J；m為壓氣機總級數；ηt為壓縮機等熵效率；λ 為定熵指數；mt，j為第j級壓氣機空氣質量流量，kg/s為第j級空氣透平進口空氣溫度，℃；βt，j為第j級空氣透平膨脹比。

ORC 透平輸出功率

式中:WORC為ORC 透平輸出功，kW；mORC為ORC 透平有機工質質量流量，kg/s為ORC 透平工質進口焓，kJ/kg為ORC 透平工質出口焓，kJ/kg。

工質泵耗功

式中:Wp為工質泵耗功，kW為工質泵工質出口焓，kJ/kg為工質泵工質進口焓，kJ/kg。

2 系統仿真模擬

本文采用 Aspen Plus 軟件對系統進行模擬，系統計算主要采用PENG-ROB 物性方法，循環水采用STEAMNBS 物性方法。其中空氣壓氣機采用Compr 模塊，空氣透平和ORC 透平采用Turbine 模塊；ORC 過程的工質泵采用Pump 模塊；間冷器、過熱器、冷凝器和蒸發器均采用HeatX 模塊，混合器由模塊Mixer 進行模擬，分流器由模塊FSplit 進行模擬。在模擬過程中，作以下假設。

空氣為理想氣體，進入壓縮機的氣體溫度和壓力分別為環境溫度（298 K）和環境壓力（0.101 3 MPa）；

運行狀態為穩定運行狀態；

各級壓縮機的壓縮比相等，各級空氣空氣透平的膨脹比相等；

忽略空氣在管路之間的壓力損失以及系統中各設備、管路的散熱損失；

忽略混合器和分流器中介質的流動阻力。

3 系統熱力性能

3.1 初始參數

為定量描述變壓比CAES+CSP+ORC 系統，設計系統基本參數見表1。

表1 變壓比CAES+CSP+ORC 系統參數選取

3.2 結果討論

變壓比CAES+CSP+ORC 系統中，影響系統熱力性能的主要參數包括透平初溫、儲能壓力、釋能壓力等。下文研究這些參數變化對系統熱力性能的影響。

圖2 所示為釋氣流量1.365 kg/s，透平初溫611 K條件下，定壓比CAES+CSP+ORC 系統和變壓比CAES+CSP+ORC 系統輸出總功、太陽能輸入熱量隨釋能壓力變化的曲線。由圖2 可知，2 種系統的變化趨勢相同:當釋能壓力在6~10 MPa 范圍內，隨著釋能壓力的增大，兩系統輸出總功、太陽能輸入熱量均呈現遞增趨勢，且2 種運行方式下的變壓比CAES+CSP+ORC 系統輸出總功、太陽能輸入熱量皆高于定壓比CAES+CSP+ORC 系統。這是因為隨著釋能壓力增大，空氣透平膨脹比增大且變化量相同，空氣透平輸出功增大，與定壓比CAES+CSP+ORC 系統相比2 種運行方式下的變壓比CAES+CSP+ORC 系統即1-1 型和2-1 型釋能時間稍有增長，故變壓CAES+CSP+ORC 系統空氣透平輸出功始終高于定壓比CAES+CSP+ORC 系統；由于系統輸出總功為空氣透平輸出功和ORC 透平輸出功的復合函數，在系統中空氣透平輸出功相對ORC 透平輸出功有較大優勢，所以由低壓空氣透平排氣溫度降低導致的ORC 透平輸出功減小量對系統輸出總功影響不大，從而使得系統輸出總功總體呈現上升趨勢[11-12]；另外，隨著釋能壓力增大，各級空氣透平溫度降低，為保證下一級空氣透平入口溫度保持不變，需要輸入更多的太陽能熱量[13]。

圖2 系統輸出總功，太陽能輸入熱量隨釋能壓力的變化

圖3 所示為釋氣流量1.365 kg/s，透平初溫611 K條件下，定壓比CAES+CSP+ORC 系統和變壓比CAES+CSP+ORC 系統能量效率、效率隨釋能壓力變化的曲線。圖4 所示為為釋氣流量1.365 kg/s，釋能壓力7 MPa 條件下，定壓比CAES+CSP+ORC 系統和變壓比CAES+CSP+ORC 系統輸出總功。太陽能輸入熱量隨透平初溫變化的曲線。對比圖3 可知，2 種系統的變化趨勢相同:當釋能壓力在6~10 MPa 范圍內，隨著釋能壓力的增大，兩系統能量效率效率均呈現遞增趨勢，且1-1 型和2-1 型系統能量效率效率皆高于定壓比CAES+CSP+ORC 系統。這是由于隨著釋能壓力增大，系統輸出總功、太陽能輸入熱量和太陽能輸入均增加，在計算系統能量效率效率時，系統輸出總功變化量均大于太陽能輸入熱量和太陽能輸入，而壓縮機總功耗不變，所以能量效率及效率數值均增大[14]；另一方面，1-1 型和2-1 型系統太陽能輸入熱量和太陽能輸入變化量相對定壓比CAES+CSP+ORC 系統較高，彌補了二者壓縮機功耗略高的問題，有效提高了系統能量效率、效率。由圖4 可知，當透平初溫在500~625 K 范圍內，隨著透平初溫的升高，兩系統太陽能輸入熱量。透平輸出功均呈現遞增趨勢，且1-1 型和2-1 型系統太陽能輸入熱量、透平輸出功變化量相對較大。這是由于透平進氣溫度升高依靠輸入系統中的太陽能熱量的提高，且透平進氣溫度升高使得空氣透平比功增加，導致空氣透平輸出功增大，與此同時ORC 子系統進氣溫度不變導致ORC 透平輸出功保持不變。

圖3 系統能量效率，效率隨釋能壓力的變化

圖4 系統輸出總功，太陽能輸入熱量隨透平初溫的變化

4 結論

1）本文提出新型太陽能輔熱式CAES 系統，不僅解決了傳統定壓比CAES 系統能量效率較低的問題，還通過利用太陽能對空氣透平進行輔熱提高其入口空氣溫度，并在透平尾部加以ORC 子系統吸收余熱，使系統能量得到綜合有效利用，同時提高儲能效率和太陽能利用效率。

2）通過對系統熱力特性分析發現:變壓比CAES+CSP+OR 系統和定壓比CAES+CSP+ORC 系統熱力特性變化規律相同。隨著釋能壓力的增大，變壓比CAES+CSP+ORC 系統和定壓比CAES+CSP+ORC 系統的能量效率、效率均增大；隨著透平初溫增加，兩系統能量效率、效率均升高；隨著釋氣流量的增大，兩系統的能量效率效率均減??；在不同運行條件下，2種運行方式下的變壓比CAES+CSP+ORC 系統即1-1型和2-1 型系統能量效率效率均基本相同。