热泵储电系统多物理域建模与动态仿真研究

热泵储电技术是一种新型物理储能技术。为丰富热泵储电系统动态特性研究,建立了布雷顿循环热泵储电系统动态仿真物理模型,分析了系统储/释能阶段启动过程中主要特性参数的动态响应,包括压力、温度、流量、功率等。结果表明:为使系统运行到额定工况,系统的容腔体积选取为5 m^(3),储/释能阶段的初始压力分别选取为2.1、3.8 MPa;在给定的转速升速率下,系统主要特性参数均从初始值按照一定趋势逐渐变化,在约1400 s处达到额定值。该仿真模型和研究结果可为热泵储电系统的启动过程动态特性分析提供一定的参考。

基于热泵型储电技术国内外研究综述

“双碳”目标下,包括太阳能和风能在内的可再生能源发电稳步增长。现有技术难以支撑消纳逐年增加的可再生能源亟需大规模储能装置保障电网的稳定运行的现状。热泵储电技术作为新兴储能技术手段,具有高效率、高储能密度、灵活的按需构建优点,相对于正在发展中的几种储能技术,热泵储电技术具有较好的研究价值和应用前景。本文首先介绍了热泵储电系统的工作原理,梳理归纳了当前热泵储电系统的主要分类包括基于布雷顿循环的(三种类型)储电系统以及基于朗肯循环的储电系统,对比总结了两种储电系统的技术特点,并对热泵储电系统核心部件的研究现状进行了综述。综合分析表明,迄今为止热泵储电技术的研究主要集中在储电系统本身的流程设计和热力学优化分析。近年来部分研究人员搭建了实际生产应用的热泵储电示范系统,加快热泵储电技术的产业化进程。热泵储电系统不仅在储电领域应用前景广阔,在余热回收以及冷热电联产领域同样具有一定的应用潜力,构建利用低品位余热及面向生产生活场景下的多能互补系统,能够使热泵储电技术成为能源系统中更高效的电、热、冷调节管理技术手段,有望快速推动我国能源系统向绿色低碳化转型。

集成外热源的超临界二氧化碳热泵储电系统性能研究

对基于超临界二氧化碳工质的热泵储电系统展开研究,建立了热力学与技术经济性分析模型,并对系统热力参数进行优化,分析了压缩机等熵效率、透平等熵效率、换热器压损以及最小换热温差等关键设备参数对系统性能的影响。此外,提出了以燃气轮机排气为外热源的集成系统构型,对独立热泵储电系统及集成外热源的系统性能进行分析。结果表明:独立储能系统的最高往返效率可达62.91%;集成外热源后,单位能量的投资成本降低,系统能量效率随放电时间和放电功率的增加而降低。

热泵储电技术研究进展

一种新型的大规模储电技术——热泵储电系统具有不受地理条件的限制、成本低、储能密度高和系统效率高等优点，近年来受到广泛关注。该文详述了热泵储电系统的原理和特性，从动力循环和工作介质两个方面对各种热泵储电系统的原理、特点和发展状况进行了详细介绍，并分析了热泵储电系统的关键技术和发展趋势。

基于正/逆布雷顿循环的热泵储电系统性能研究

热泵储电系统具有不受地理条件限制、成本低、储能密度高、系统效率高等优点,近年来受到广泛关注。对基于正/逆布雷顿循环的热泵储电系统进行了详细的热力学建模与分析,全面分析了循环工质、储/释能过程压比、压缩/膨胀过程的等熵效率和机械效率等参数对热泵储电系统性能的影响。结果表明,当压缩膨胀过程的等熵效率升高、机械效率升高、换热温差减小、阻力损失减小、保温效率升高时,系统的循环效率升高,但系统的热量、冷量利用率有可能降低。其中,压缩膨胀过程的等熵效率、机械效率和蓄热/蓄冷过程的保温效率对系统整体效率影响最大,换热温差与阻力损失的影响次之,当储/释能压比达到一定程度后的影响最小。对于热泵储电技术进一步的研究工作将着眼于热泵储电系统非稳态工况过程优化仿真和系统关键部件,如高效压缩机、膨胀机和蓄冷/蓄热换热器的研发。

新型热泵储电系统的设计方案及其性能分析

文章针对传统热泵储电系统储能密度低、工作温度高等问题,基于新型相变胶囊的换热特性,提出了一种新型热泵储电系统,并对该系统的热力学性能与做功过程进行分析。分析结果表明:新型热泵储电系统的储能密度为271.8 kW·h/m3,比传统热泵储电系统的储能密度增加了221.8 kW·h/m3;新型热泵储电系统在单次、循环充放电过程中的储热效率分别为55.1%,26.9%、在循环充放电过程中的往返效率为69.1%;与以非相变材料作为储能介质的热泵储电系统相比,新型热泵储电系统的充电时间延长了55%。文章所提出的新型热泵储电系统在储能领域具有一定的实用性。

基于逆/正布雷顿循环的热泵储电系统性能

热泵储电(PTES)是一类成本低、能量密度高、不受地理位置限制的新型物理储电技术。本文采用动力学、非稳态传热学和有限时间热力学耦合的方法,探究了热泵储电系统循环稳定状态下的瞬态行为。分析并对比了分别由Isentropic Ltd.和Saipem S.A.公司提出的基于逆/正布雷顿循环的PTES系统的性能(简称Is-PTES和Sa-PTES系统),并讨论了流动工质、系统温度上限和蓄冷蓄热器体积对系统性能的影响。结果表明,标准工况下,Sa-PTES系统储电效率较高,而Is-PTES系统输出稳定性较强;Is-PTES和Sa-PTES系统的储电效率分别可以达到56.42%和64.28%;使用氦气工质的系统性能最优,空气次之,氩气最差。通过㶲分析发现Is-PTES系统㶲损失最大部件为压缩机和膨胀机,而Sa-PTES系统㶲损失最大部件是换热器和蓄冷蓄热器。当系统允许的上限温度较低时,Is-PTES系统性能优于Sa-PTES系统。Sa-PTES系统在高温度上限条件下可获得较优性能,且受填充床体积影响程度更大。

热泵储电系统的动态模型及其启动特性分析

为探究热泵储电系统启动过程的运行特性,分别建立基于闭式布雷顿循环的热泵储电系统储能过程和释能过程的动态仿真模型,研究系统从启动到额定运行过程的控制策略和动态性能,并对关键参数对系统启动性能的影响进行分析。仿真结果表明,转速升速率越大,初始阶段系统转速上升速度越快,转速升速率不但会影响启动时间,不合理的转速升速率还会使转速产生较大的波动和超调量;系统的初始压力不会影响稳定运行时的压比,但会影响压力稳定值。对于输出功率为1.5MW的系统,综合安全性和快速性,转速升速率选取每秒钟100r/min较为合理;为了使系统压力最终达到额定值,储能过程初始压力应设置为4.45MPa,释能过程初始压力应设置为5MPa。所建立的动态仿真模型及动态特性分析结果可为热泵储电系统的设计优化和实际运行控制策略的制定提供参考。

基于相变储能介质热泵储电系统的模拟与分析

热泵储电技术具有成本较低、不受地理位置限制、储能密度较高的优点,是目前极具前景的一种新型大规模电能储存技术。传统的热泵储电系统大多以空气作为工作介质,以砂石作为储能介质,一般存在系统体积过大、储能密度较低、循环效率不高等缺点。为了提高这一技术的实用性,提出了一种以氩气为工作流体,利用相变材料作为储能介质替代原有的显热材料的热泵储电系统,建立了一个基于逆向布雷顿循环的10 MW/5 h的热泵储电系统的瞬态数值模型。模拟分析了压缩/膨胀比、孔隙率、等熵效率对系统往返效率、储能密度与功率密度的影响并对比了其与传统热泵的区别,同时评估了系统的经济性。结果表明:该储能系统储能密度可以达到182.5 kWh/m^(3),相对于显热材料提升了118.5%,往返效率可以达到63.1%,功率密度可以达到175.8 kW/m^(3)。系统单位储能费用大约为768 CNY/kWh,相比于传统的热泵储电系统降低了约12%的初始投资成本。本研究对基于布雷顿循环的热泵储电系统的热力学分析以及经济性分析具有指导价值。

热泵储电系统的热力学分析

热泵储电技术可由多种热力学循环类型和储热/储冷类型的组合实现。为了研究热泵储电系统损失产生的机制及各类损失因素对循环效率的影响,本文在传统循环计算的基础上进行了热力学分析和参数敏感性研究。对热泵储电系统储能和释能过程进行了热力学建模和分析,通过控制变量法分析了系统参数,包括压缩/膨胀过程效率、换热端差、阻力、储热/储冷效率等对热泵储电系统性能的影响,得到了各设计参数对系统循环效率影响程度的相对值,即敏感系数。最后提出,通过优化影响程度最高的关键设计参数,如提高压缩/膨胀过程效率、降低机械损失和换热端差等,可实现热泵储电系统性能的提升。研究结果可为热泵储电系统的优化设计提供参考。

基于Simulink的热泵储电系统动态仿真

热泵储电技术(pumped thermal electricity storage,PTES)储能阶段通过热泵循环将电能转换为热能储存,释能阶段通过热机循环将存储的热量转换为电能,适用于大规模储能应用且无特定地理条件限制,可由多种热力学循环类型和储热/冷类型的组合实现。由于目前缺乏对热泵储电系统动态特性的深入研究,难以进行系统的动态性能预测、变工况运行过程的调节控制策略制定以及系统设计优化。基于Simulink平台和模块化建模方法,建立了热泵储电系统热力循环过程的动态仿真模型,研究了热泵储电系统在功率变化条件下的动态性能,包括压缩/膨胀过程压比、转速、温度、压力、流量和功率等工作特性参数的动态响应,通过工作特性参数响应分析说明了热泵储电系统功率调节和控制的可行性,满足电网对热泵储电系统储能功率变化且恒速并网的需求。该动态仿真模型及研究结果可为热泵储电系统变工况运行控制策略制定和系统优化设计提供计算分析工具和理论参考。

热泵储电系统中压降对效率的影响

构建了基于闭式布雷顿循环的热泵储电系统模型,通过热力学计算得到了状态参数和往返效率。闭式系统中压缩机和透平的进出口压力相互关联,压比随压降变化,引起压缩功与膨胀功改变,从而对往返效率产生重要影响。经对比分析,结果表明:压降升高会降低往返效率,储能过程压降升高造成储能功耗增大且释能发电量减少,释能过程压降升高只造成释能发电量减少;储能过程压降对效率的影响大于释能过程,低压侧压降的影响大于高压侧;按照影响程度从低到高,分别为储能过程高压侧压降、释能过程高压侧压降、储能过程低压侧压降和释能过程低压侧压降;在给定参数下,上述四个过程的压降从10kPa增至60kPa,往返效率降幅百分比分别为4.72%、5.79%、11.83%和20.63%。因此,在条件有限时,系统优化方向为首先降低释能过程低压侧的压降。本文构建的基于闭式布雷顿循环的热泵储电系统,可为热泵储电系统的设计与优化提供参考。

超临界二氧化碳发电储能系统构型优化及性能分析

为实现燃煤发电系统效率和灵活性协同提升,促进火电机组转型,提出采用超临界二氧化碳(S-CO_(2))工质、构建燃煤发电与热泵储电耦合的系统(“源储一体”系统)方案。基于热力学第一、二定律,建立集成系统的设计及变工况计算模型,进而对系统灵活性提升潜力和储—放热过程的能效进行分析。结果表明:在S-CO_(2)燃煤发电系统的基础上集成热泵储电技术,可将机组最小输出功率由30%额定负荷降低至0,极大提升了调峰深度和运行灵活性;当选择75%额定负荷为放热工况时,输出功率可增加额定负荷的23.59%,则集成系统的储—释热等效往返效率为78.64%。对储热参数进行敏感性分析,得到熔盐冷罐温度的最佳取值范围为405~420℃,常压水热罐温度的取值范围为70~75℃。