中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：儲(chǔ)能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)能量/電力在不同時(shí)間段的存儲(chǔ)與釋放，改善可再生能源發(fā)電間歇性和不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)，是當(dāng)前電力和能源領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)。其中，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)（CAES）具有功率范圍廣、壽命長(zhǎng)、存儲(chǔ)時(shí)間不受限制、對(duì)環(huán)境危害小等優(yōu)點(diǎn)，日漸成為當(dāng)前儲(chǔ)能技術(shù)的重要研究方向。
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以分為儲(chǔ)能和釋能兩個(gè)子系統(tǒng)。作為釋能子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，多級(jí)膨脹機(jī)的工作特性直接決定著儲(chǔ)能系統(tǒng)出功及效率的高低。按照能量轉(zhuǎn)換方式的不同，多級(jí)膨脹機(jī)可以分為容積式和透平式兩種結(jié)構(gòu)形式。在容積式膨脹機(jī)中，單閥活塞膨脹機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓比高、易于調(diào)節(jié)控制等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于微型/離網(wǎng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。因此，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心科研人員將單閥活塞膨脹機(jī)作為微型CAES系統(tǒng)的釋能單元，通過(guò)理論分析，研究了釋能過(guò)程中三種運(yùn)行模式下膨脹機(jī)工作特性變化規(guī)律，分析小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本運(yùn)行狀況，此研究將為關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)運(yùn)行方案提供指導(dǎo)和依據(jù)。
釋能過(guò)程中，儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力不斷減小，為保證膨脹機(jī)在額定壓力下運(yùn)行，通常在膨脹機(jī)入口前加裝節(jié)流閥，將儲(chǔ)氣罐內(nèi)的高壓氣體節(jié)流至額定壓力，再送入膨脹機(jī)做功。釋能過(guò)程變工況運(yùn)行方式示意圖如圖1所示。
科研人員研究了三種不同的運(yùn)行方案：（1）方案一——始終將入口氣體節(jié)流至膨脹機(jī)額定壓力，當(dāng)入口氣壓低于該級(jí)額定壓力時(shí)，則將其節(jié)流至下一級(jí)膨脹機(jī)的額定壓力并送入下一級(jí)膨脹做功；（2）方案二——直接將入口氣體送入首級(jí)膨脹機(jī)做功，直至該級(jí)指示功小于額定功率時(shí)直接送入下一級(jí)膨脹做功；（3）方案三——當(dāng)入口氣壓高于額定壓力時(shí)，將其節(jié)流至該級(jí)額定壓力，當(dāng)入口氣壓低于額定壓力時(shí)，則不節(jié)流直接送至該級(jí)膨脹做功，直至該級(jí)指示功小于額定功率時(shí)將入口氣體送入下一級(jí)膨脹機(jī)做同樣的處理。
科研人員利用Matlab軟件對(duì)上述三種工作方案分別進(jìn)行了模擬研究，并對(duì)其工作特性進(jìn)行了討論。不同釋能方案的整體性能參數(shù)如表1所示。
表1 不同釋能方案的整體性能參數(shù)
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方案一 |
方案二 |
方案三 |
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總輸出功W/MJ |
330.00 |
376.32 |
376.33 |
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放氣質(zhì)量mr/kg |
1245 |
1251 |
1251 |
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放氣時(shí)間tr/min |
298.8 |
332.4 |
431.3 |
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儲(chǔ)氣室火用E/MJ |
540 |
540 |
540 |
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熱力學(xué)第一定律效率/% |
50.90 |
54.05 |
54.06 |
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熱力學(xué)第二定律效率% |
60.58 |
68.44 |
68.44 |
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儲(chǔ)能效率/% |
61.11 |
69.69 |
69.69 |
從表1中可以看出：方案二、三的總輸出功、熱力學(xué)第一定律效率、熱力學(xué)第二定律效率以及儲(chǔ)能效率均明顯高于方案一，說(shuō)明方案一在能量利用效率方面不占優(yōu)勢(shì)。后兩種方案中，方案二與方案三的總輸出功及各效率指標(biāo)基本相同。但方案三避免了方案二中低效率的運(yùn)行工況以及瞬時(shí)功率波動(dòng)對(duì)膨脹機(jī)和電網(wǎng)造成的不利影響，同時(shí)避免了方案一中不必要的節(jié)流損失，延長(zhǎng)了釋能時(shí)間，因而是以上三種方案中最合理的運(yùn)行方案。三種運(yùn)行方案下第三級(jí)氣缸等熵效率、儲(chǔ)氣室壓力、第三級(jí)氣缸功率分別隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖2、圖3、圖4所示。
圖2 不同釋能方案下第三級(jí)氣缸等熵效率隨時(shí)間的變化關(guān)系
圖3 不同釋能方案下儲(chǔ)氣室壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系
圖4 不同釋能方案下第三級(jí)氣缸功率隨時(shí)間的變化關(guān)系
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（No.51306173）和北京市自然科學(xué)基金（No.3122033）的大力支持。目前，相關(guān)研究成果已整理成文章，并被《工程熱物理學(xué)報(bào)》錄用。
