与燃煤机组耦合的液化空气储能系统技术经济分析

液化空气储能(liquefied air energy storage, LAES)因其存储规模大和不受地理条件限制的独特优势,可参与现有燃煤机组的调峰改造,以推进新型电力系统的建设发展。为此提出一种与燃煤机组耦合的新型LAES系统,并且建立耦合系统的热力学模型和经济性模型,分析储能容量变化对耦合系统的影响。结果表明:与某670 MW燃煤机组耦合时,可以综合考虑选择44.2 MW/176.8 MW·h的液化空气储能系统。在燃煤机组的3种低负荷(30%THA、40%THA和50%THA)工况下,耦合运行的LAES系统的往返效率在51%左右,比单独运行的LAES系统高出大约9个百分点。耦合运行的LAES系统的投资收益率接近10%,14 a之内可实现投资回收。敏感性分析显示增大峰谷电价差有利于提升系统的经济性能。

考虑灵活运行模式的太阳能集成液化空气储能系统性能研究

针对目前液化空气储能系统往返效率偏低的问题,提出了操作更加灵活的新型耦合太阳能热的液化空气储能系统。该系统放电过程配备了串联双级空气加热器,可在提高往返效率的同时允许系统在低太阳辐照情况下以传统方式运行。对新系统进行了主要参数敏感性分析和[火用]分析,结果表明:在允许范围内,液化温度越低,充电压力越低,放电压力越高,系统往返效率越高;系统最优往返效率可达72.4%,太阳辐射不足时系统仍能以53.6%的往返效率运行;系统[火用]效率为38.0%,其中太阳能集热场的[火用]损最大,占总[火用]损的52.4%,其次是节流阀与热电发电机;在换热器中,冷箱和蒸发器[火用]损较大。

Highview Power液化空气储能中试装置热力学分析

[目的]构建以新能源为主体的新型电力系统,储能成为必不可少的支撑技术。液化空气储能是一种新兴的技术经济可行的大规模储能解决方案,具有广泛的应用前景。Highview Power液化空气储能中试装置是目前唯一公开了现场测试数据的液化空气储能系统。为探究液化空气储能的热力学原理,寻求提升循环效率的方法。[方法]根据Highview Power液化空气储能中试装置的工艺流程建立了热力学建模,利用测试数据验证了热力学模型的准确性。通过?分析研究制约循环效率的关键设备,通过控制变量法研究关键操作参数对储能过程和释能过程的影响。[结果]结果表明:制约循环效率的关键设备是循环压缩机和汽化器;增加高压压力和节流后压力、提高增压膨胀机的分流质量和入口温度、回收释能过程回热器的冷量有利于提升储能过程液化率、降低液化能耗;提高释能高压压力和膨胀机组入口温度有助于提升系统的输出功率和循环效率。[结论]提出了回收压缩热、提高压缩机等熵效率、减小汽化器换热温差等改进措施以提升循环效率。

液化空气储能系统蓄冷技术研究进展

由于液化空气储能系统的蓄冷技术存在瓶颈,导致系统的储能效率难以提高。分析了蓄冷技术对于液化空气储能系统的重要性,将液化空气储能系统中的蓄冷技术从显热和潜热两个方面进行分类汇总,分析目前存在的问题和难点,展望未来的发展方向。研究表明,对液化空气储能系统蓄冷技术的研究大多集中在发展较为成熟的显热蓄冷技术,但仍存在很多局限性。未来,为寻找满足液化空气储能系统要求的蓄冷技术,一方面要致力于对显热蓄冷技术的深入研究,另一方面也要注重潜热蓄冷技术在液化空气储能系统中的发展。

考虑短时负荷调峰-长时光伏消纳的液化空气储能系统建模及经济性评估

为解决电网负荷因明显季节特征难以灵活调峰以及新能源长时消纳等问题,以云南楚雄地区为例,提出了一种光伏发电-液化空气储能(liquid air energy storage,LAES)系统构架,旨在理清源-网-荷-储的一体化规划思路。基于云南地区典型气候条件、不同季节下的光伏出力特征及用电负荷历史数据建立了基于光伏发电-液化空气储能的短时负荷调峰和长时光伏消纳模型。在仿真分析每日用电负荷和季节性用电负荷调峰基础上进一步验证和评估了百兆瓦级光储系统进行短时调峰和长时消纳的技术可行性和经济效益指标。评估结果表明:引入光伏发电-液化空气储能系统后,通过每日负荷调峰可以减轻33.4%的电网供电压力,通过季节性长时间储能调控有望降低10.1%的光伏弃电率。在短时负荷调峰和长时光伏消纳的经济效益评估中,平均度电成本(levelized cost of energy,LCOE)约为0.47元/kWh,光储电站的静态投资回报周期(static payback period,SPP)和动态投资回报周期(dynamic payback period,DPP)分别稳定在7.5年和10.5年左右,有效验证了光伏发电-液化空气储能电站的经济可行性。

深冷液化空气储能系统的优化与方案设计

根据深冷液化空气储能系统各个环节的数学模型,对系统各个环节进行热力学分析和参数的优化研究,选择4级压缩机组和4级膨胀机组分别作为系统的储能环节和释能环节,并由液化环节确定了系统的最佳储能压力和释能压力分别为1.5×10~4k Pa和7.1×10~3k Pa。根据优化分析结果建立了10MW深冷液化空气储能系统设计方案,并对该设计系统进行热力学研究,分析结果表明,系统压缩机组和膨胀机组的绝热效率每增加5%,循环效率平均增加5.5%,空气流量平均减少0.99kg/s,由此可以得出,在保持深冷液化空气储能系统额定功率不变的条件下的,随着机组绝热效率的增加,系统的循环效率逐渐提高,膨胀做功的空气流量逐渐减少,更加有利于系统利用更少的空气存储更多的电能。

深冷液化空气储能系统的关键因素影响规律

立足于提高深冷液化空气储能系统能量转换效率,建立了深冷液化空气储能系统的热力学模型,借助Aspen Plus商用软件建立了热力计算的稳态仿真模型。模型验证工作说明了仿真模型的计算准确性。开展了设计工况下系统热力学分析研究,结合系统性能参数,分析了系统效率较低的原因并指出了优化方向;研究了压缩机级数、压缩机级间冷却方案和膨胀机级数等系统关键运行参数对系统及部件性能的影响规律。结果表明:系统采用原始设计方案时,压缩热利用率仅有38.42%,导致系统效率较低,仅为31.11%,可通过改善系统压缩热利用情况显著提升系统效率;当压缩机级数减少、采用无级间冷却方案时,膨胀机入口再热温度显著增加,使得系统效率大幅提升;随着膨胀机级数的增多,膨胀环节压缩热利用总量越多,系统效率越高。在此基础上,进一步探究了系统内部耦合提效方法,提出了一种系统优化设计方案,相较于原始设计方案,压缩热利用率提高至64.12%,系统效率提升至41.82%.研究结果可为深冷液化空气储能系统优化及其工程应用提供理论参考。

耦合LNG冷能及ORC的新型液化空气储能系统分析

本研究提出一种耦合液化天然气(liquefied naturalgas,LNG)冷能及有机朗肯循环(organic ranking cycle,ORC)系统的新型液化空气储能系统。在用电低谷期,LNG和液态丙烷的冷能共同液化压缩空气,从而存储能量。在用电高峰期,液态空气释能发电,LNG的冷能则被丙烷回收。该系统将LNG连续气化释放的冷能作为辅助能源与储能系统相结合,能够灵活释能发电。另外,该系统对LNG冷能进行梯级利用(冷能依次用于液化空气、ORC和数据中心冷却),提高了能量利用率,减少了能量损失。本工作建立了耦合系统的热力学模型和经济性评估模型,利用Aspen HYSYS软件进行过程模拟、循环效率和㶲效率分析,针对浙江宁波LNG接收站的地区电力价格,采用净现值法对系统进行经济性评估。结果表明:该系统的循环效率为110.20%,高于近期研究成果。㶲效率为59.71%,比常规液化空气储能系统㶲效率提高约10%。该储能项目具有经济可行性,且峰时电价对系统的经济效益影响最大。该研究可为LNG冷能用于能量存储和电厂调峰的工程应用提供重要参考和依据。

基于液化空气储能的综合能源系统经济性分析

以园区为研究背景,基于“以热定电”、“以电定热”两种模式,对园区内的综合能源系统进行研究。针对夏季、冬季两个典型日设计了八种方案来对比系统配置液化空气储能与未配置液化空气储能时各子系统输出功率及总成本的变化。结果表明,在园区配置液化空气储能,采用“以热定电”模式运行时经济效益最高且能源损耗量最少。在大暑日,其总成本比未配置液化空气储能的系统降低6.1%。在大寒日,其总成本比未配置液化空气储能的系统总成本降低4.5%。同样配置液化空气储能的情况下,采用“以热定电”模式运行的系统要比“以电定热”模式总成本低。在大暑日总成本降低9.5%,在大寒日,总成本降低4.5%。

耦合液化天然气的液化空气储能系统热力学分析

为了提高液化空气储能(liquefied air energy storage,LAES)系统循环效率及㶲效率,对LAES系统的液化单元进行改进,提出了一种液化天然气耦合液化空气储能系统,建立了传统LAES系统和耦合系统的热力学模型,从导热油利用、系统㶲效率及循环效率等方面研究了耦合系统对与传统系统的改进。结果表明:耦合液化天然气的压缩空气储能系统,高温导热油利用率可达92.47%,导热油热量利用率最高提升11.18%,耦合系统㶲效率最高达66.68%,相比传统LAES,最高可提升15.67%,系统循环效率可达67.60%,最高可提升17.30%。耦合系统有效地改善了LAES系统导热油利用不完全的缺陷,提升了系统的循化效率,为大规模推进储能发展提供一种行之有效的系统方案。

含深冷液化空气储能的综合能源系统低碳经济调度

研究多能源联合供应的综合能源系统对实现我国碳达峰和碳中和的目标有重大的意义。消纳新能源和多种能源互补是深冷液化空气储能(cryogenic liquid air energy storage,LAES)系统的重要优势,为了提升综合能源系统的灵活性和可靠性,并且能够消纳更多的新能源,首先将LAES系统加入综合能源系统中,建立含LAES的综合能源系统,搭建系统的数学模型;然后以系统最小化运行成本为目标,以实际负荷数据为基础,构建了综合能源系统的经济性调度优化模型;最后通过MATLAB对系统进行仿真,并且调用商用软件CPLEX进行优化,从而验证综合能源系统规划的可行性。仿真结果表明,加入新型储能设备后,提高了综合能源系统的经济效益、新能源消纳率、一次能源节约率及碳减排量,同时能够平稳地应对能源价格的波动。

液化空气储能系统参与电网调频的动态特性研究

为深入研究液化空气储能系统参与电网调频的动态特性,基于液化空气储能系统的数学模型,建立了12.5 MW液化空气储能机组膨胀系统的仿真模型,并结合无穷大电网模型,模拟了储能系统在空载冲转、并网以及电网调频工况下的参数变化,分析了液化空气储能系统作为新的辅佐新能源电网调频技术的可行性及其动态特性。仿真结果表明:空载冲转过程中,膨胀机转子转速标幺值最大为1.013,超速比为1.3%;并网发电过程中,实际转速标幺值和实际电功率标幺值在765 s时稳定至1;电网调频过程中,实际功率标幺值在10 s内稳定至0.990,且在调频过程中实际电功率标幺值最高为1.032。本研究为了解液化空气储能系统参与电网调频的动态特性提供了数据参考。

含深冷液化空气储能的离网型CCHP微网容量配置

发展冷热电联供微网技术对于解决我国能源问题有重要意义,深冷液化空气储能作为一种新型储能方式可利用自身特性做到冷热电联供。为解决离网型冷热电联供微网的供能可靠性和经济性问题,提出一种由深冷液化空气储能、风力发电机、电制冷机和电锅炉组成的离网型冷热电联供系统。构建系统各设备模型,以缺负荷率和系统成本为指标,通过多目标遗传算法进行基于实际负荷情况的优化容量配置。仿真结果验证了上述方案可提高系统可靠性与经济性,实现了能量的综合利用。

液化空气储能循环整体热力性能研究

基于热力学原理,构建出完整的液化空气储能热力系统循环图,建立了热力计算分析模型,研究了循环的具体组成、状态点的确定及热力性能评价指标,分析了影响循环性能的重要因素。结果表明:循环中压缩及吸热过程是影响循环整体热力性能的关键;系统可利用处于环境温度附近的低品质热能,提高能量利用效率;随着多变系数的增大,循环效率增大,但循环最高温度也在增大,在确定参数时应综合考虑循环的经济性与安全性。

基于深冷液化空气储能的风电消纳策略研究

储能装置在平滑风电功率波动、提升风电消纳等方面具有重要的作用。目前常见的超级电容-蓄电池混合储能系统受制于成本因素而普遍容量较小,难以突破风电消纳瓶颈。为此引入深冷液化空气储能系统(cryogenic liquefied air energy storage,LAES),利用其容量大、成本低、不受地理环境限制的优势,有效提升系统风电消纳能力。首先,建立深冷液化空气储能系统压缩空气储能模块和膨胀发电模块数学模型;其次,提出基于深冷储能的风电消纳策略,根据深冷储能系统储能和释能环节动态响应特性,基于小波包分解理论对符合时间尺度要求的风电功率重新分配组合,并依托风电并网标准给出了计及风电并网波动抑制的深冷储能系统充放电策略。仿真结果验证了提出的基于深冷液化空气储能的风电消纳策略的有效性,为储能在风电消纳中的应用提供了新的思路。

液化空气储能技术应用现状和展望

液化空气储能技术是一种新颖高效的能源系统集成方案。常规液化空气储能系统由空气液化储存、空气膨胀发电和空气蓄冷换热3个相互联系的子系统组成。用电低谷时,低温液化空气暂时储存于液空贮槽中;用电高峰时,气化后的高温高压空气驱动发电膨胀机对外输出电能;空气蓄冷换热子系统主要起到回收冷量的目的。与其他储能方式相比,液化空气储能具有储能密度高、使用场合广、安全环保卫生、装置调节灵活等优势。缺点是整体循环效率不高,目前液化空气储能提能提效主要利用外界过剩热源或冷源,但可再生能源应用场景经常缺乏外界过剩能量,亟需寻求一种通过改善系统内耦合方式显著提高系统整体循环效率的途径。另外,设备选型较为复杂,新型高比热容深冷蓄冷材料由于技术和价格因素还不能使用在大容量蓄冷场合,大型旋转动设备的自主设计和国产化还有待加强。未来液化空气储能可能实现的技术创新点包括:应用液化装置变负荷技术,减少设备频繁开停机带来的调试消耗和故障风险;使用更广泛的热耦合和系统联动工艺提高系统整体循环效率;超大规模蓄冷器和新型蓄冷材料的研制与应用;大型空气液化储能装置与其他装置的联产联动。液化空气储能技术的应用前景和应用领域将更加广阔。

耦合有机朗肯循环的液化空气储能系统优化

储能是解决风能和太阳能等可再生能源发电间歇性和不稳定性的重要技术途径。针对常规液化空气储能系统循环效率较低的问题,引入有机朗肯循环以利用空气液化阶段产生的压缩热。构建耦合有机朗肯循环的液化空气储能系统,以系统循环效率和空气释能发电阶段㶲效率为目标函数,以压缩机组出口压力、低温泵出口压力、冷箱窄点温差和换热器效能为决策变量,运用非劣分类遗传算法NSGA-Ⅱ进行多目标优化。绘制Pareto最优前沿曲线,采用TOPSIS优选法,得到贴近度最大的系统最优设计方案,与之对应的系统循环效率为62.75%。

深冷液化空气储能系统热力学建模与效率分析

通过深冷液化空气储能系统(liquid air energy storage,LAES)的工艺流程研究与热力学建模,立足于系统效率层面对LAES空气压缩子系统、空气液化子系统及膨胀发电子系统关键参数进行分析。分析结果定性给出了节流阀进出口温度与压力、低温泵效率、膨胀发电子系统释能压力与温度等因素与系统效率的耦合关系,并在此基础上通过仿真对其耦合关系进行了验证,为系统关键参数设计给出了建议,提升了系统效率,验证了LAES系统可行性。

液化空气储能基本循环的热力学分析

[目的]以新能源为主体的新型电力系统对储能的需求不断增加,液化空气储能是一种新兴的长时间、大容量物理储能方法,具有广泛的应用前景。文章旨在探究液化空气储能的热力学原理以及关键参数对储能效率的影响规律。[方法]建立了液化空气储能三种基本循环:分离式循环、冷能回收循环、冷能热能回收循环的热力学模型,分析了冷能回收、热能回收、高压压力、释能压力等关键参数对液化率和循环效率的影响。[结果]结果表明液化率与循环效率正相关。分离式循环的液化率与循环效率极低,冷能回收循环由于利用了液空复温过程中的冷量可以显著提升液化率与循环效率,冷能热能回收循环在此基础上利用了压缩热而进一步提升液化率与循环效率。液化率与循环效率随冷能回收量的增加而升高、随高压压力的升高而升高、随释能压力的升高而下降。[结论]冷能热能回收循环是液化空气储能的优选方案。高效蓄冷将对提升循环效率发挥重要作用。在液空复温过程中利用工业余热、废热有助于进一步提升循环效率。

面向液化空气储能系统蓄冷器的新型材料制备及蓄冷特性研究

研制一种适用于蓄冷器的复合相变蓄冷剂,以相变潜热较高的水溶液为基础与二甘醇进行复配。通过低温共融物质计算获得二甘醇水溶液最优配比:10%二甘醇,90%水,并基于该计算结果通过差示扫描量热仪(DSC)对不同质量分数的相变蓄冷材料进行试验论证,实验结果与计算结果一致,表明该配比下的蓄冷剂具有理想的相变潜热与相变温度,可用于深冷液化空气储能系统(LAES)的蓄冷罐中。最后使用ANSYS软件针对该新型蓄冷材料在LAES系统蓄冷器中的应用进行工况仿真,验证了其优良的蓄冷性能。