新型氣液相變壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)性能分析

王 鼎, 劉仕楨, 施東波, 謝永慧

(1． 國(guó)家儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺(tái)(中心), 西安 710049;2． 西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 西安 710049)

隨著“雙碳”目標(biāo)逐漸成為全球共識(shí),可再生能源得到大力發(fā)展[1]。儲(chǔ)能技術(shù)作為提高可再生能源普及率的關(guān)鍵技術(shù),能夠有效解決可再生能源波動(dòng)性與間歇性問題,避免可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊,有效提高電網(wǎng)安全性與穩(wěn)定性[2-4]。在現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)中,壓縮空氣儲(chǔ)能由于容量大、周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),受到眾多學(xué)者的關(guān)注[5-6]。然而,傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)通常需要借助大型地下洞穴儲(chǔ)存高壓空氣,極大地受到地理環(huán)境的制約。雖然液化空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠避免上述問題,但空氣的液化溫度極低,對(duì)冷源要求極高,系統(tǒng)整體性能較低[7]。

相比于空氣,二氧化碳(CO2)的臨界點(diǎn)(7.4 MPa、31.4 ℃)更易達(dá)到,并且亞臨界狀態(tài)下的CO2能夠?qū)崿F(xiàn)常溫下液化。此外,超臨界CO2的密度遠(yuǎn)大于相同壓力下的空氣,因此能夠有效縮小高壓工質(zhì)的儲(chǔ)罐容積[8]。基于CO2的以上優(yōu)點(diǎn),部分學(xué)者提出利用CO2作為儲(chǔ)能系統(tǒng)工質(zhì)。吳毅等[9]提出了一種CO2以液態(tài)形式儲(chǔ)存的跨臨界CO2儲(chǔ)能系統(tǒng),優(yōu)化后系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率達(dá)到50.4%,儲(chǔ)能密度為21.7 kW·h/m3。Zhang等[10]將跨臨界CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)與壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行比較,結(jié)果表明跨臨界CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度是壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的2.8倍。李玉平等[11]對(duì)跨臨界CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了分析,找出了損大的部件及內(nèi)部原因。

在超臨界CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)方面,He等[12]采用常規(guī)及先進(jìn)分析2種方式對(duì)超臨界CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估。王永慶等[13]對(duì)超臨界CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)與經(jīng)濟(jì)性分析。李樂璇等[14]計(jì)算分析了超臨界CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)各過(guò)程和部件的損,找出了損最大的位置,為超臨界CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化方向提供了參考。

以上研究表明,現(xiàn)有的CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)主要分為跨臨界CO2儲(chǔ)能和超臨界CO2儲(chǔ)能這2種形式。相比于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng),以上2種CO2儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效提升系統(tǒng)的能量密度。但是其整體的壓力水平較高,系統(tǒng)最低壓力通常在臨界壓力附近,而系統(tǒng)最高壓力則遠(yuǎn)高于臨界壓力,這大大增加了系統(tǒng)部件,尤其是高壓工質(zhì)儲(chǔ)罐的制造難度與成本,同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的安全性造成威脅。

因此,筆者提出了一種新型氣液相變壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用由彈性材料制成的儲(chǔ)氣室儲(chǔ)存常壓氣態(tài)CO2,而高壓CO2則以液態(tài)形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中,因此系統(tǒng)整體壓力水平低,能夠有效降低部件制造難度,提升系統(tǒng)安全性。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)建模,并對(duì)典型設(shè)計(jì)工況下的系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析、分析與經(jīng)濟(jì)性分析;之后研究了CO2冷凝溫度、換熱器端溫差、壓縮機(jī)以及透平等熵效率對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能效率及投資回收周期的影響。

1 系統(tǒng)概述

圖1為新型氣液相變壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),主要部件包括儲(chǔ)氣室、壓縮機(jī)、換熱器、冷凝器、液態(tài)CO2儲(chǔ)罐、蒸發(fā)器、透平、冷卻器、冷水罐、熱水罐、冷鹽罐、熱鹽罐。圖2為該系統(tǒng)的T-s圖,其中:T為溫度,K;s為熵,kJ/(kg·K)。整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)分為儲(chǔ)能與釋能2個(gè)階段。儲(chǔ)能時(shí),儲(chǔ)氣室中的常溫常壓CO2被壓縮機(jī)壓縮至高溫高壓狀態(tài)(1-2),之后分別經(jīng)換熱器1和換熱器2放熱降溫(2-4),將壓縮熱傳遞給來(lái)自冷鹽罐的熔融鹽及來(lái)自冷水罐的儲(chǔ)熱水(21-22,11-12),降溫后的CO2進(jìn)入冷凝器由冷卻水冷凝為液態(tài)(4-5)并儲(chǔ)存在液態(tài)CO2儲(chǔ)罐中,在換熱器中吸熱升溫的熔融鹽和儲(chǔ)熱水分別存儲(chǔ)在熱鹽罐和熱水罐中。釋能時(shí),液態(tài)CO2首先在蒸發(fā)器中被來(lái)自熱水罐的部分儲(chǔ)熱水蒸發(fā)為氣態(tài)(5-6),之后進(jìn)入換熱器3與來(lái)自熱水罐的剩余儲(chǔ)熱水進(jìn)一步換熱升溫(6-7)。中溫高壓的CO2進(jìn)入換熱器4,進(jìn)一步與來(lái)自熱鹽罐的熔融鹽換熱升溫后,進(jìn)入透平膨脹做功(7-9)。最后,膨脹至常壓的CO2儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣室中,在換熱器3與蒸發(fā)器中放熱降溫的儲(chǔ)熱水分別經(jīng)冷卻器1與冷卻器2冷卻后回到冷水罐存儲(chǔ),在換熱器4中放熱降溫后的熔融鹽存儲(chǔ)在冷鹽罐中。

圖1 氣液相變壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 新型氣液相變壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)T-s圖

2 系統(tǒng)假設(shè)及數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型,本文進(jìn)行如下假設(shè)[15-17]:

(1) 系統(tǒng)運(yùn)行在穩(wěn)定工況下,忽略動(dòng)能及勢(shì)能變化的影響。

(2) 忽略管道和管道的壓力損失與熱量損失。

(3) 冷凝器與蒸發(fā)器最小換熱溫差為3 K,其余換熱器最小換熱溫差為5 K。

(4) 冷卻水進(jìn)口狀態(tài)為常溫常壓,且水量充足,冷凝及冷卻過(guò)程中水溫恒定。

(5) 系統(tǒng)儲(chǔ)能階段與釋能階段的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)相同,2個(gè)階段的CO2質(zhì)量流量也相同。

基于以上假設(shè),結(jié)合熱力學(xué)第一定律及熱力學(xué)第二定律,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)建模。

儲(chǔ)能過(guò)程壓縮機(jī)耗功率PC、壓縮機(jī)等熵效率ηC,釋能過(guò)程透平輸出功率PT、透平等熵效率ηT分別定義為

PC=qm,CO2(hout-hin)

(1)

(2)

PT=qm,CO2(hin-hout)

(3)

(4)

式中:qm,CO2為CO2質(zhì)量流量,kg/s;hout為部件出口焓,kJ/kg;hin為部件出口焓,kJ/kg;hout,s為等熵過(guò)程部件出口焓,kJ/kg。

由于系統(tǒng)存在熔融鹽和水2種儲(chǔ)熱介質(zhì),因此換熱器換熱量的計(jì)算方式也分為2種,定義CO2-熔融鹽換熱器換熱量QHE,salt為

QHE,salt=qm,CO2ΔhCO2=qm,saltcsaltΔTsalt

(5)

式中:ΔhCO2為換熱器進(jìn)、出口CO2的焓差,kJ/kg;qm,salt為熔融鹽的質(zhì)量流量,kg/s;csalt為熔融鹽比熱容,kJ/(kg·K);ΔTsalt為換熱器進(jìn)、出口熔融鹽溫差,K。

定義CO2-水換熱器換熱量QHE,water為

QHE,water=qm,CO2ΔhCO2=qm,waterΔhwater

(6)

式中:qm,water為水的質(zhì)量流量,kg/s;Δhwater為換熱器進(jìn)、出口水的焓差,kJ/kg。

由于本文系統(tǒng)中的換熱器均采用逆流式換熱器,因此換熱器的熱端溫差ΔTHE,hot與冷端溫差ΔTHE,cold計(jì)算方式相同,可以表示為

ΔTHE,hot=Th,in-Tc,out

(7)

ΔTHE,cold=Th,out-Tc,in

(8)

式中:Th,in為部件熱流體側(cè)進(jìn)口溫度,K;Tc,out為部件冷流體側(cè)出口溫度,K;Th,out為部件熱流體側(cè)出口溫度,K;Tc,in為部件冷流體側(cè)進(jìn)口溫度,K。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率ηstor可定義為釋能過(guò)程總輸出功與儲(chǔ)能過(guò)程總耗功的比值,即

(9)

式中:tr為釋能過(guò)程工作時(shí)長(zhǎng),s;ts為儲(chǔ)能過(guò)程工作時(shí)長(zhǎng),s;

儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度DES可定義為系統(tǒng)總輸出功與系統(tǒng)存儲(chǔ)容器總?cè)莘e的比值,即

(10)

式中:Vi為存儲(chǔ)容器i的容積,m3。

除熔融鹽外,系統(tǒng)其余狀態(tài)點(diǎn)j處工質(zhì)的Ej可定義為

Ej=qm,j[(hj-h0)-T0(sj-s0)]

(11)

式中:qm,j為狀態(tài)點(diǎn)j處工質(zhì)的質(zhì)量流量,kg/s;hj為狀態(tài)點(diǎn)j處工質(zhì)的焓,kJ/kg;h0為環(huán)境條件下工質(zhì)的焓,kJ/kg;T0為環(huán)境溫度,K;sj為狀態(tài)點(diǎn)j處工質(zhì)的熵,kJ/(kg·K);s0為環(huán)境條件下工質(zhì)的熵,kJ/(kg·K);

(12)

式中:Tout為部件出口熔融鹽溫度,K;Tin為部件進(jìn)口熔融鹽溫度,K。

ED,k=EF,k-EP,k

(13)

式中:EF,k為部件k的燃料,kW;EP,k為部件k的產(chǎn)品,kW。

定義部件k的效率εk為部件產(chǎn)品EP,k與燃料EF,k的比值[18],即

(14)

系統(tǒng)各主要部件的成本計(jì)算方式如表1[13]所示。應(yīng)當(dāng)指出,主要部件的成本只是儲(chǔ)能系統(tǒng)總成本的一部分,但是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以認(rèn)為其余部分的成本與主要部件的成本成一定比例,因此本文用主要部件成本來(lái)表征儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本。

表1 儲(chǔ)能系統(tǒng)主要部件成本計(jì)算方式

此外,本文采用總傳熱系數(shù)的近似值對(duì)換熱面積進(jìn)行估算,對(duì)于各換熱器取3.0 kW/(m2·K),對(duì)于冷凝器及冷卻器取2.0 kW/(m2·K),對(duì)于蒸發(fā)器取1.6 kW/(m2·K)[19]。此外,系統(tǒng)中的儲(chǔ)氣庫(kù)可視為半球體,其成本可按投影面積1 000元/m2進(jìn)行估算。

系統(tǒng)的投資回收周期Y可表示為系統(tǒng)總成本Zsystem與年收益Eyear的比值[13],即

(15)

Eyear=N(C2PTtr-C1PCts)

(16)

式中:N為系統(tǒng)年運(yùn)行天數(shù);C2為高峰電價(jià),元/(kW·h);C1為低谷電價(jià),元/(kW·h)。

3 結(jié)果與分析

3.1 典型設(shè)計(jì)工況分析結(jié)果

利用MATLAB軟件建立儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真程序,利用物性數(shù)據(jù)庫(kù)查取系統(tǒng)中的CO2和水的熱力學(xué)性質(zhì),熔融鹽則選擇應(yīng)用較為廣泛的Solar Salt(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的NaNO3+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的KNO3),其物性可由文獻(xiàn)[20]獲取。系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)工況的參數(shù)設(shè)置如表2[13,21-22]所示。

表2 儲(chǔ)能系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)工況參數(shù)設(shè)置

在表2給出的典型設(shè)計(jì)工況參數(shù)下,儲(chǔ)能系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。系統(tǒng)主要性能參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知,典型設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)儲(chǔ)能效率達(dá)到65.35%。而由于采用氣態(tài)存儲(chǔ)低壓CO2,因此系統(tǒng)儲(chǔ)能能量密度為0.144 kW·h/m3。

表3 系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)熱力參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表4 系統(tǒng)主要性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表5 儲(chǔ)能系統(tǒng)各部件分析結(jié)果

Tab.5 Exergy analysis results of each component in the energy storage system

部件燃料/MW產(chǎn)品/MW損/MW效率/%壓縮機(jī)15.3014.340.9693.73換熱器14.124.090.0399.19換熱器22.752.700.0598.16冷凝器7.467.300.1697.75蒸發(fā)器0.910.090.829.41換熱器31.780.781.0043.75換熱器44.093.081.0175.28透平11.2310.001.2389.01冷卻器10.660.661.10×10-399.83冷卻器21.291.293.00×10-399.77

圖3 儲(chǔ)能系統(tǒng)各部件損及效率

儲(chǔ)能系統(tǒng)各部件成本的計(jì)算結(jié)果如表6所示。將表6中各部件的成本相加可知,典型設(shè)計(jì)工況下儲(chǔ)能系統(tǒng)的總成本約為7 587.2萬(wàn)元。而由式(16)以及表2中的電價(jià)可知,系統(tǒng)年收益約為1 379.4萬(wàn)元,由式(15)可知系統(tǒng)投資回收周期約為5.50 a。

表6 儲(chǔ)能系統(tǒng)主要部件成本計(jì)算結(jié)果

3.2 敏感性分析

本節(jié)選取CO2冷凝溫度、換熱器2熱端溫差及冷端溫差、換熱器3冷端溫差、透平等熵效率和壓縮機(jī)等熵效率這5個(gè)參數(shù)作為系統(tǒng)的決策變量,計(jì)算分析其變化對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能效率及系統(tǒng)投資回收周期的影響。決策變量的變化范圍如表7[23-24]所示。

表7 儲(chǔ)能系統(tǒng)決策變量的變化范圍

圖4為不同CO2冷凝溫度(T5)下系統(tǒng)儲(chǔ)能效率及投資回收周期隨換熱器2熱端溫差的變化情況?？梢钥闯?隨著換熱器2熱端溫差的增大,系統(tǒng)儲(chǔ)能效率逐漸下降,投資回收周期逐漸上升,且換熱器2熱端溫差對(duì)兩者的影響并不明顯。以CO2冷凝溫度28 ℃為例,當(dāng)換熱器2熱端溫差由10 K增大至30 K時(shí),系統(tǒng)儲(chǔ)能效率從65.35%降低至65.22%,僅下降了0.13百分點(diǎn);投資回收周期則從5.50 a上升至5.51 a,僅上升了0.01 a。一方面,儲(chǔ)能階段換熱器2熱端溫差增大,將導(dǎo)致?lián)Q熱器2出口處儲(chǔ)熱水溫度降低,并最終使透平進(jìn)口CO2溫度降低,單位質(zhì)量工質(zhì)的做功能力下降。為了保持恒定的輸出功率,CO2質(zhì)量流量將上升,使儲(chǔ)能過(guò)程壓縮機(jī)耗功率上升;另一方面,由于換熱器2熱端溫差不影響換熱器進(jìn)、出口CO2的參數(shù),因此單位質(zhì)量CO2在換熱器2中的放熱量不變,而CO2質(zhì)量流量的上升將增加儲(chǔ)能過(guò)程回收的熱量,即釋能過(guò)程可利用的熱量有所增加,這對(duì)于儲(chǔ)能效率是有利的。在上述兩方面的共同作用下,儲(chǔ)能效率呈緩慢下降趨勢(shì)。而系統(tǒng)儲(chǔ)能效率的下降將導(dǎo)致系統(tǒng)收益降低,從而延長(zhǎng)系統(tǒng)的投資回收周期。

圖4 不同CO2冷凝溫度下?lián)Q熱器2熱端溫差對(duì)儲(chǔ)能效率和投資

不同CO2冷凝溫度下?lián)Q熱器2冷端溫差對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能效率及投資回收周期的影響如圖5所示。隨著換熱器2冷端溫差的增大,系統(tǒng)儲(chǔ)能效率同樣呈下降趨勢(shì),投資回收周期也同樣逐漸延長(zhǎng),且換熱器2冷端溫差對(duì)兩者的影響更為明顯。以CO2冷凝溫度28 ℃為例,當(dāng)換熱器2冷端溫差由16 K增大至30 K時(shí),系統(tǒng)儲(chǔ)能效率從65.93%下降至62.51%,下降約3.42百分點(diǎn);投資回收周期則從5.43 a上升至5.89 a。這是由于換熱器2冷端溫差的增大將導(dǎo)致單位質(zhì)量CO2在換熱器2中的放熱量減小,即釋能過(guò)程可利用的熱量有所降低,進(jìn)而使得單位質(zhì)量CO2做功能力下降,因此系統(tǒng)儲(chǔ)能效率逐漸下降,系統(tǒng)收益降低,投資回收周期延長(zhǎng)。此外,由于CO2在臨界點(diǎn)附近比熱變化較大,換熱過(guò)程中最小換熱溫差通常出現(xiàn)在換熱器內(nèi)部。因此,換熱器2冷端溫差不能過(guò)低,以避免換熱器產(chǎn)生“夾點(diǎn)”問題。同時(shí),隨著CO2冷凝溫度的提升,所允許的最小換熱器2冷端溫差逐漸增大。這是由于CO2冷凝溫度提升使換熱器2出口CO2更接近臨界點(diǎn),比熱變化更加劇烈,需要提高冷端溫差才能滿足“夾點(diǎn)”約束。

圖5 不同CO2冷凝溫度下?lián)Q熱器2冷端溫差對(duì)儲(chǔ)能效率和投資回收周期的影響

圖6為不同CO2冷凝溫度下?lián)Q熱器3冷端溫差對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能效率及投資回收周期的影響。系統(tǒng)儲(chǔ)能效率隨著換熱器3冷端換熱溫差的增大逐漸降低,投資回收周期的變化與之相反。以CO2冷凝溫度28 ℃為例,當(dāng)換熱器3冷端溫差從5 K增大至25 K時(shí),系統(tǒng)儲(chǔ)能效率從65.35%下降至63.49%,投資回收周期從5.50 a上升至5.76 a。這是由于換熱器3冷端溫差的提升降低了單位質(zhì)量?jī)?chǔ)熱水在換熱器3中的放熱量,即釋能過(guò)程可利用的熱量有所降低,單位質(zhì)量CO2的做功能力下降,最終使系統(tǒng)熱力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)性能均有所下降。

圖6 不同CO2冷凝溫度下?lián)Q熱器3冷端溫差對(duì)儲(chǔ)能效率和投資回收周期的影響

圖7為不同CO2冷凝溫度下系統(tǒng)儲(chǔ)能效率及投資回收周期隨壓縮機(jī)等熵效率的變化情況?？梢钥闯?隨著壓縮機(jī)等熵效率的增大,系統(tǒng)儲(chǔ)能效率逐漸增大,而投資回收周期逐漸縮短。以CO2冷凝溫度28 ℃為例,當(dāng)壓縮機(jī)等熵效率從80.0%增長(zhǎng)至90.0%時(shí),儲(chǔ)能效率由64.59%增長(zhǎng)至66.08%,而投資回收周期則由5.54 a下降至5.46 a。一方面,壓縮機(jī)等熵效率的增大意味著壓縮機(jī)性能的改善,相同條件下壓縮單位質(zhì)量CO2的耗功量大大降低;另一方面,壓縮機(jī)等熵效率的增大還會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)出口CO2溫度下降,透平進(jìn)口CO2溫度下降,單位質(zhì)量CO2做功能力有所下降。而在這兩種效應(yīng)的共同作用下,儲(chǔ)能過(guò)程壓縮機(jī)耗功率呈下降趨勢(shì),系統(tǒng)收益有所增長(zhǎng)。因此,隨著壓縮機(jī)等熵效率的增大,系統(tǒng)儲(chǔ)能效率有所提高,而投資回收周期逐漸縮短。

圖7 不同CO2冷凝溫度下壓縮機(jī)等熵效率對(duì)儲(chǔ)能效率和投資回收周期的影響

不同CO2冷凝溫度下透平等熵效率對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能效率及投資回收周期的影響如圖8所示。增大透平等熵效率能有效提升系統(tǒng)儲(chǔ)能效率并縮短投資回收周期。以CO2冷凝溫度28 ℃為例,當(dāng)透平等熵效率從82.0%提升至92.0%時(shí),系統(tǒng)儲(chǔ)能效率由59.54%提升至66.81%,提升約7.27百分點(diǎn);投資回收周期由6.46 a下降至5.32 a,下降約1.14 a。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因?yàn)?透平等熵效率的提升意味著透平性能的改善,相同條件下單位質(zhì)量CO2在其膨脹過(guò)程中所能輸出的功增加,有利于系統(tǒng)儲(chǔ)能效率的提升,大大改善了系統(tǒng)的熱力學(xué)性能與經(jīng)濟(jì)性能。因此,系統(tǒng)儲(chǔ)能效率呈不斷增大的趨勢(shì),且投資回收周期不斷縮短。

圖8 不同CO2冷凝溫度下透平等熵效率對(duì)儲(chǔ)能效率和投資回收周期的影響

此外,由以上分析還可以看出,隨著CO2冷凝溫度的提升,系統(tǒng)儲(chǔ)能效率呈增大趨勢(shì),而投資回收周期的變化與之相反。其他決策變量保持不變,當(dāng)CO2冷凝溫度從24 ℃提升至28 ℃時(shí),儲(chǔ)能效率由61.68%增長(zhǎng)至67.89%,投資回收周期由6.09 a下降至5.18 a。在儲(chǔ)能階段,隨著CO2冷凝溫度的提升,壓縮機(jī)壓比逐漸增大,在儲(chǔ)能過(guò)程總耗功量增加的同時(shí),壓縮機(jī)出口CO2溫度也會(huì)隨之提升,即儲(chǔ)能過(guò)程能夠回收更多熱量用于釋能。在釋能階段,CO2冷凝溫度的提升一方面增大了透平膨脹比,提升了釋能過(guò)程的輸出功量;另一方面降低了CO2的相變潛熱,使更多的儲(chǔ)熱水能夠進(jìn)入換熱器3用于加熱CO2,單位質(zhì)量CO2的做功能力提升。在以上因素綜合作用下,系統(tǒng)儲(chǔ)能效率逐漸增大,投資回收周期隨之縮短。

綜合參數(shù)分析的結(jié)果可知,降低換熱器2冷端、熱端溫差或換熱器3冷端溫差,增大CO2冷凝溫度或提升壓縮機(jī)、透平等熵效率均能夠有效改善系統(tǒng)的熱力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性能。但是考慮到“夾點(diǎn)”問題對(duì)換熱器2的影響,換熱器2的冷端溫差不能過(guò)低。

4 結(jié)論

(1) 在典型設(shè)計(jì)工況下,所提出的氣液相變壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率為65.35%,儲(chǔ)能能量密度為0.144 kW·h/m3,投資回收周期約為5.50 a。

(3) 增大CO2冷凝溫度以及壓縮機(jī)、透平等熵效率,或降低換熱器2冷端和熱端溫差及換熱器3冷端溫差均有利于提升系統(tǒng)儲(chǔ)能效率,縮短系統(tǒng)投資回收周期。同時(shí),為了避免換熱器出現(xiàn)“夾點(diǎn)”問題,換熱器2的冷端溫差不能過(guò)低。

所提出的新型氣液相變壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)具有儲(chǔ)能效率高、成本低、不受地形因素限制、系統(tǒng)運(yùn)行靈活穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),具有良好的應(yīng)用前景。后續(xù)工作中需要考慮系統(tǒng)的先進(jìn)分析以及經(jīng)濟(jì)性分析,并進(jìn)行以效率和度電成本為對(duì)象的多目標(biāo)優(yōu)化,進(jìn)一步完善和優(yōu)化該儲(chǔ)能系統(tǒng)。