新型太阳能辅热式CAES 系统热力特性分析

张文成

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310000）

近年来，以传统化石能源为代表的能源生产和消费方式已经不可持续，以风能和太阳能为代表的可再生能源正逐渐成为人类可持续发展的重要选择。而以风光为首的可再生能源的不稳定性给电网带来极大冲击，使得电网对新能源的接纳能力不足，引起严重的弃风弃光现象[1]。因此，迫切需要高效大规模的储能技术来解决风能和太阳能的集成和调节问题。

目前，已有的储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、液化空气储能、飞轮储能、超导储能和电池储能等[2-3]。其中，压缩空气储能具有工作时间长、容量大、响应快和经济性能好的优点。因此，压缩空气储能技术是具有较大发展前景的大规模储能技术之一[4-6]。但常规的CAES系统存在需要补燃、对大型储气室比较依赖、运行效率低等问题。因此，国内外学者从改变CAES 自身运行工况与结构，对其热力循环过程进行优化，与其他技术进行耦合等角度出发，提出了许多新型的CAES，文献[7]提出了一种基于太阳能辅热的先进绝热压缩空气储能系统，并对耦合系统与传统AA-CAES 系统进行了对比分析。结果表明，新系统的储能效率提升了9%，耦合储能效率也提升了2%。文献[8]提出了一种太阳能与压缩空气耦合的分布式能源系统，讨论了系统的变工况特性，并分析了热力参数对系统效率的影响。结果表明，该系统相对未经耦合的传统压缩空气储能系统效率提高了1%。

综上所述，本文提出了一种新型太阳能辅热式CAES 系统，在太阳能辅热的基础下，将变压比CAES系统与ORC 系统进行了耦合；并对系统的热力特性进行进一步研究，揭示了释能压力、透平初温和释气流量对系统热力性能的影响规律。

1 变压比CAES+CSP+ORC 系统

1.1 系统组成

变压比CAES+CSP+ORC 系统结构图如图1 所示，系统可分为4 个部分，按照空气在系统中流经的先后顺序，分别是变压比储能子系统、太阳能辅热子系统、释能子系统和ORC 子系统。变压比储能子系统包括高压压缩机、低压压缩机及级间冷却器；太阳能辅热子系统包括太阳能集热器、导热油换热器、导热油循环装置和储油罐；释能子系统包括高压空气透平和低压空气透平；ORC 子系统包括ORC 透平、蒸发器、冷凝器和泵。

图1 变压比CAES+CSP+ORC 系统图

1.2 系统热力分析理论模型

压气机总功耗[9]为

式中:Wc为空气压气机总耗功，kW；n为压气机总级数；ηc为压缩机等熵效率；κ 为定熵指数；mc，i为第i级压气机空气质量流量，kg/s；R为气体常数为第i级压缩机进口空气温度，℃；βc，i为第i级压气机压比。

换热器出口气体温度

储气室内温度与时间的关系为

式中:T为储气室内部温度，℃；m为流入储气室内的气体质量，kg/s；min为流经压缩机的气体质量流量，kg/s；cp为气体的定压比热容；cv为气体的定压比热容；mout为流出储气室的气体质量流量，kg/s。

储气室内压力与时间的关系为[10]

式中：P为储气室内气体压力，MPa；V 为储气室容积，m3；Tin和Tout为储气室入口气体温度和储气室出口气体温度，℃。

式中：ηs为太阳能集热器效率；Qr为同一时段内接收器得到的能量，W；QL为同一时段内吸收器对周围环境散失的能量，W；Ga为太阳辐照度，W·m-2；Aa为吸收器的开口面积，m2。

空气透平做功总量

式中：Wt为空气透平做功总量，J；m为压气机总级数；ηt为压缩机等熵效率；λ 为定熵指数；mt，j为第j级压气机空气质量流量，kg/s为第j级空气透平进口空气温度，℃；βt，j为第j级空气透平膨胀比。

ORC 透平输出功率

式中:WORC为ORC 透平输出功，kW；mORC为ORC 透平有机工质质量流量，kg/s为ORC 透平工质进口焓，kJ/kg为ORC 透平工质出口焓，kJ/kg。

工质泵耗功

式中:Wp为工质泵耗功，kW为工质泵工质出口焓，kJ/kg为工质泵工质进口焓，kJ/kg。

2 系统仿真模拟

本文采用 Aspen Plus 软件对系统进行模拟，系统计算主要采用PENG-ROB 物性方法，循环水采用STEAMNBS 物性方法。其中空气压气机采用Compr 模块，空气透平和ORC 透平采用Turbine 模块；ORC 过程的工质泵采用Pump 模块；间冷器、过热器、冷凝器和蒸发器均采用HeatX 模块，混合器由模块Mixer 进行模拟，分流器由模块FSplit 进行模拟。在模拟过程中，作以下假设。

空气为理想气体，进入压缩机的气体温度和压力分别为环境温度（298 K）和环境压力（0.101 3 MPa）；

运行状态为稳定运行状态；

各级压缩机的压缩比相等，各级空气空气透平的膨胀比相等；

忽略空气在管路之间的压力损失以及系统中各设备、管路的散热损失；

忽略混合器和分流器中介质的流动阻力。

3 系统热力性能

3.1 初始参数

为定量描述变压比CAES+CSP+ORC 系统，设计系统基本参数见表1。

表1 变压比CAES+CSP+ORC 系统参数选取

3.2 结果讨论

变压比CAES+CSP+ORC 系统中，影响系统热力性能的主要参数包括透平初温、储能压力、释能压力等。下文研究这些参数变化对系统热力性能的影响。

图2 所示为释气流量1.365 kg/s，透平初温611 K条件下，定压比CAES+CSP+ORC 系统和变压比CAES+CSP+ORC 系统输出总功、太阳能输入热量随释能压力变化的曲线。由图2 可知，2 种系统的变化趋势相同:当释能压力在6~10 MPa 范围内，随着释能压力的增大，两系统输出总功、太阳能输入热量均呈现递增趋势，且2 种运行方式下的变压比CAES+CSP+ORC 系统输出总功、太阳能输入热量皆高于定压比CAES+CSP+ORC 系统。这是因为随着释能压力增大，空气透平膨胀比增大且变化量相同，空气透平输出功增大，与定压比CAES+CSP+ORC 系统相比2 种运行方式下的变压比CAES+CSP+ORC 系统即1-1 型和2-1 型释能时间稍有增长，故变压CAES+CSP+ORC 系统空气透平输出功始终高于定压比CAES+CSP+ORC 系统；由于系统输出总功为空气透平输出功和ORC 透平输出功的复合函数，在系统中空气透平输出功相对ORC 透平输出功有较大优势，所以由低压空气透平排气温度降低导致的ORC 透平输出功减小量对系统输出总功影响不大，从而使得系统输出总功总体呈现上升趋势[11-12]；另外，随着释能压力增大，各级空气透平温度降低，为保证下一级空气透平入口温度保持不变，需要输入更多的太阳能热量[13]。

图2 系统输出总功，太阳能输入热量随释能压力的变化

图3 所示为释气流量1.365 kg/s，透平初温611 K条件下，定压比CAES+CSP+ORC 系统和变压比CAES+CSP+ORC 系统能量效率、效率随释能压力变化的曲线。图4 所示为为释气流量1.365 kg/s，释能压力7 MPa 条件下，定压比CAES+CSP+ORC 系统和变压比CAES+CSP+ORC 系统输出总功。太阳能输入热量随透平初温变化的曲线。对比图3 可知，2 种系统的变化趋势相同:当释能压力在6~10 MPa 范围内，随着释能压力的增大，两系统能量效率效率均呈现递增趋势，且1-1 型和2-1 型系统能量效率效率皆高于定压比CAES+CSP+ORC 系统。这是由于随着释能压力增大，系统输出总功、太阳能输入热量和太阳能输入均增加，在计算系统能量效率效率时，系统输出总功变化量均大于太阳能输入热量和太阳能输入，而压缩机总功耗不变，所以能量效率及效率数值均增大[14]；另一方面，1-1 型和2-1 型系统太阳能输入热量和太阳能输入变化量相对定压比CAES+CSP+ORC 系统较高，弥补了二者压缩机功耗略高的问题，有效提高了系统能量效率、效率。由图4 可知，当透平初温在500~625 K 范围内，随着透平初温的升高，两系统太阳能输入热量。透平输出功均呈现递增趋势，且1-1 型和2-1 型系统太阳能输入热量、透平输出功变化量相对较大。这是由于透平进气温度升高依靠输入系统中的太阳能热量的提高，且透平进气温度升高使得空气透平比功增加，导致空气透平输出功增大，与此同时ORC 子系统进气温度不变导致ORC 透平输出功保持不变。

图3 系统能量效率，效率随释能压力的变化

图4 系统输出总功，太阳能输入热量随透平初温的变化

4 结论

1）本文提出新型太阳能辅热式CAES 系统，不仅解决了传统定压比CAES 系统能量效率较低的问题，还通过利用太阳能对空气透平进行辅热提高其入口空气温度，并在透平尾部加以ORC 子系统吸收余热，使系统能量得到综合有效利用，同时提高储能效率和太阳能利用效率。

2）通过对系统热力特性分析发现:变压比CAES+CSP+OR 系统和定压比CAES+CSP+ORC 系统热力特性变化规律相同。随着释能压力的增大，变压比CAES+CSP+ORC 系统和定压比CAES+CSP+ORC 系统的能量效率、效率均增大；随着透平初温增加，两系统能量效率、效率均升高；随着释气流量的增大，两系统的能量效率效率均减小；在不同运行条件下，2种运行方式下的变压比CAES+CSP+ORC 系统即1-1型和2-1 型系统能量效率效率均基本相同。