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摘 要 “雙碳”目標下，包括太陽能和風能在內(nèi)的可再生能源發(fā)電穩(wěn)步增長?，F(xiàn)有技術(shù)難以支撐消納逐年增加的可再生能源亟需大規(guī)模儲能裝置保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行的現(xiàn)狀。熱泵儲電技術(shù)作為新興儲能技術(shù)手段，具有高效率、高儲能密度、靈活的按需構(gòu)建優(yōu)點，相對于正在發(fā)展中的幾種儲能技術(shù)，熱泵儲電技術(shù)具有較好的研究價值和應用前景。本文首先介紹了熱泵儲電系統(tǒng)的工作原理，梳理歸納了當前熱泵儲電系統(tǒng)的主要分類包括基于布雷頓循環(huán)的(三種類型)儲電系統(tǒng)以及基于朗肯循環(huán)的儲電系統(tǒng)，對比總結(jié)了兩種儲電系統(tǒng)的技術(shù)特點，并對熱泵儲電系統(tǒng)核心部件的研究現(xiàn)狀進行了綜述。綜合分析表明，迄今為止熱泵儲電技術(shù)的研究主要集中在儲電系統(tǒng)本身的流程設計和熱力學優(yōu)化分析。近年來部分研究人員搭建了實際生產(chǎn)應用的熱泵儲電示范系統(tǒng)，加快熱泵儲電技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程。熱泵儲電系統(tǒng)不僅在儲電領域應用前景廣闊，在余熱回收以及冷熱電聯(lián)產(chǎn)領域同樣具有一定的應用潛力，構(gòu)建利用低品位余熱及面向生產(chǎn)生活場景下的多能互補系統(tǒng)，能夠使熱泵儲電技術(shù)成為能源系統(tǒng)中更高效的電、熱、冷調(diào)節(jié)管理技術(shù)手段，有望快速推動我國能源系統(tǒng)向綠色低碳化轉(zhuǎn)型。
關(guān)鍵詞 可再生能源；儲能技術(shù)；熱泵儲電
為實現(xiàn)習總書記提出的“碳中和”戰(zhàn)略目標，我國太陽能、風能以及核能等可再生能源技術(shù)發(fā)展迅速。截至2022年我國非化石能源消費量在一次能源消費總量中占比為17.5%，預計非化石能源消費到2030年將達到25% 。隨著新能源技術(shù)快速發(fā)展，以風電、光電為代表的可再生能源裝機規(guī)模和利用率顯著提高，可再生能源生產(chǎn)的電力迅速增加加快了我國能源結(jié)構(gòu)向低碳化轉(zhuǎn)型。與此同時可再生能源發(fā)電的波動性和間歇性等技術(shù)缺陷越發(fā)凸顯，產(chǎn)生了電力消納難和外送難等客觀問題。若將這些發(fā)電技術(shù)大規(guī)模應用到電網(wǎng)中不僅會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性以及安全性造成顯著影響，還會對提升電網(wǎng)中低碳電力占比造成阻礙。因此部署大規(guī)模高效快速儲能裝置以消納可再生能源電力的必要性日益突出。
目前國內(nèi)外儲能技術(shù)主要有抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、化學儲能及超導儲能等方式?；瘜W儲能中的氫儲能技術(shù)是我國目前大力發(fā)展的儲能技術(shù)之一，具有高能量密度、長周期、跨季節(jié)儲存及運輸便利等優(yōu)勢。氫儲能作為新興的儲能形式目前技術(shù)尚未成熟，在電力系統(tǒng)中的應用存在諸多需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。
抽水儲能和壓縮空氣儲能技術(shù)較為成熟。抽水儲能是目前全球裝機容量最大的成熟儲能技術(shù)，其占比達到儲能容量的94%。2022年全球新增抽水蓄能裝機容量為1030萬kW，其中我國新增抽水蓄能裝機容量高達880萬kW，其占比超過了85%。但抽水蓄能系統(tǒng)極度依賴地勢條件的缺點較為明顯，其建造初投資成本較高。壓縮空氣儲能具有容量大、成本較低、工作周期長、安全系數(shù)高、高效率以及經(jīng)濟性能較好的優(yōu)勢。但是大規(guī)模的壓縮空氣儲能系統(tǒng)也同樣存在需要大量儲氣洞穴以及對地理條件要求高的問題。
熱泵儲電技術(shù)作為目前新型大規(guī)模儲電技術(shù)引起了國內(nèi)外學者廣泛的關(guān)注。熱泵儲電與壓縮空氣儲能有著相似的系統(tǒng)部件，最大區(qū)別在于壓縮空氣儲能以高壓氣體的形式儲存電能，而熱泵儲電則是將富余電能轉(zhuǎn)換為冷熱能的形式儲存。將抽水儲能、壓縮空氣儲能、氫儲能與熱泵儲電技術(shù)對比如表1所示。結(jié)果顯示熱泵儲電技術(shù)是有較大研究潛力和應用前景的新型儲能技術(shù)。相比于抽水儲能和壓縮空氣儲能技術(shù)，熱泵儲電的優(yōu)勢在于有著更高的能量密度，應用靈活不依賴地理位置建造，可以依靠大型風力發(fā)電廠、光伏光熱發(fā)電廠以及傳統(tǒng)熱力發(fā)電廠等場景建設，因而更具有成本競爭力。目前我國對于熱泵儲電技術(shù)的研究尚處于基礎研究和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)階段。本文對比分析了熱泵儲電系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對未來研究進行展望。
表1 熱泵儲電技術(shù)和其他儲能技術(shù)對比
1 熱泵儲電技術(shù)原理
熱泵儲電技術(shù)是由動力循環(huán)技術(shù)和熱能存儲技術(shù)結(jié)合的一種電能儲存技術(shù)。利用熱泵進行電能儲存最早由德國學者Marguerre提出。熱泵儲電系統(tǒng)由熱機循環(huán)、熱泵循環(huán)以及儲罐三部分組成，系統(tǒng)原理如圖1所示。熱泵循環(huán)用于儲能階段，用電低谷期或電能富余期通過消耗電能產(chǎn)生熱能和冷能，儲存于高溫和低溫儲罐中，通過將電能轉(zhuǎn)換為熱能的方式儲存達到緩解電網(wǎng)壓力的目的；熱機循環(huán)用于釋能階段，系統(tǒng)于電力匱乏期通過熱機循環(huán)以儲罐作為熱源，將熱能轉(zhuǎn)換為機械能驅(qū)動發(fā)電機進行發(fā)電。通過儲能循環(huán)與釋能循環(huán)對電能的儲存與釋放，實現(xiàn)了更高效地利用可再生能源，達到電力系統(tǒng)削峰填谷的目的，并且實現(xiàn)能源供應的平衡和穩(wěn)定。
圖1 典型熱泵儲電系統(tǒng)示意圖
熱泵儲電技術(shù)以正/逆向卡諾循環(huán)為支撐，熱泵循環(huán)效率與熱機循環(huán)效率之積定義為儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率。在理想狀態(tài)下，卡諾循環(huán)的電-熱轉(zhuǎn)換效率η1與熱-電轉(zhuǎn)換效率η2的乘積為1，即系統(tǒng)儲存的電能能夠完全釋放。在實際應用場景中熱泵儲電系統(tǒng)的循環(huán)效率可達40%～70%。
2 熱泵儲電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
目前國內(nèi)外熱泵儲電技術(shù)主要分為兩類系統(tǒng)。一種是基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)，另一種是基于朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)。早期對于熱泵儲電技術(shù)的研究更多地集中在基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)，此類型的系統(tǒng)使用氦氣、氬氣、CO2或者空氣等作為循環(huán)工質(zhì)。基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)有較高的儲熱溫度，通常超過800 K，甚至接近1300 K。過高的儲熱溫度一方面增加了儲熱部件的熱損失與壓力損失，另一方面還對高溫高壓的壓縮部件制造提出了更高的挑戰(zhàn)。普遍認為上述情況是影響基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用的重要因素。該類型系統(tǒng)在運行過程中工作介質(zhì)有著較大的溫度變化區(qū)間，固態(tài)填充床式的儲能部件更為適用，儲熱介質(zhì)通常由固體材料如沙礫、混凝土、Al2O3或其他材料構(gòu)成。常見的基于朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)是跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)。該類型系統(tǒng)能夠有效解決基于布雷頓循環(huán)的系統(tǒng)中儲熱溫度過高的問題，儲熱溫度通常低于450 K。但是系統(tǒng)中存在明顯的高壓問題，系統(tǒng)運行壓力一般在140～200 bar(1 bar=0.1 MPa)之間，這對系統(tǒng)的承壓性能以及密封性能都提出了更高的要求。除了跨臨界朗肯循環(huán)，蒸汽朗肯循環(huán)和有機朗肯循環(huán)同樣可應用于熱泵儲電技術(shù)中，因此基于朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)設計更為靈活，根據(jù)應用場景及需求可以選擇出最合適的熱泵儲電系統(tǒng)設計方案?；诶士涎h(huán)方式的系統(tǒng)通常采用潛熱的方式儲存熱量，因此其具有更高的能量密度。以下分別對比分析兩類系統(tǒng)國內(nèi)外研究成果。
2.1 基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)
在兩類熱泵儲電系統(tǒng)的研究中基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)的研究較為廣泛。研究熱點主要集中在設計參數(shù)優(yōu)化、控制策略制定、結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化等方面。Desrues等人較早以布雷頓循環(huán)為基礎的熱泵儲電系統(tǒng)進行研究，文獻[22]搭建的模型系統(tǒng)如圖2所示，由高壓儲罐、低壓儲罐、壓縮機/膨脹機以及熱交換器組成，以氬氣作為工作流體。儲熱罐中填充耐熱材料以顯熱的方式儲存能量。模擬計算其最高儲熱溫度為1000 ℃，最低儲冷溫度為-70 ℃，系統(tǒng)循環(huán)效率為66.7%，當儲罐的體積設置為21622 m3時系統(tǒng)的儲存容量為602.6 MWh。Howes等人搭建了類似熱泵儲電系統(tǒng)，區(qū)別在于系統(tǒng)中采用的是往復式壓縮機與膨脹機，并將熱交換器集成到往復式壓縮機和膨脹機的活塞中，計算得到72%的循環(huán)效率。在熱泵儲電系統(tǒng)中循環(huán)效率是儲能溫度的函數(shù)，對于布雷頓的系統(tǒng)而言高儲存溫度有益于實現(xiàn)高往返效率和高儲存密度。但是在系統(tǒng)中高的溫度比通過高的壓力比實現(xiàn)，進而不僅提高了對壓縮機和膨脹機的性能要求，同時增加了儲罐的建造成本。
圖2 系統(tǒng)示意圖
基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)主要分為三種類型，包括Isentropic(簡稱Is型)、Saipem(簡稱Sa型)和Malta類型(簡稱Ma型)，均以專利所有的公司命名。Is型儲電系統(tǒng)循環(huán)壓比高、系統(tǒng)運行溫度范圍低，該系統(tǒng)的熱罐和冷罐在儲能過程中初始溫度均為常溫(環(huán)境溫度)；而Sa型儲電系統(tǒng)的特點則是循環(huán)壓比低和運行溫度范圍大，該類型系統(tǒng)的熱罐在儲能過程中初始溫度為常溫(環(huán)境溫度)，冷罐在儲能過程中初始溫度較高。兩種系統(tǒng)對比如圖3所示。張涵等人在相同的標準運行工況下比較了Sa和Is兩種類型系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)Sa型系統(tǒng)有著更高的循環(huán)效率(64.28%)，而Is型系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性更好；當系統(tǒng)儲熱溫度較低時Is型系統(tǒng)的性能表現(xiàn)更優(yōu)。
圖3 兩種布雷頓循環(huán)系統(tǒng)示意圖：(a) Isentropic型，(b) Saipem型
Ma型熱泵儲電系使用液態(tài)的儲能介質(zhì)和換熱器代替直接接觸換熱的固體材料填充床，其系統(tǒng)如圖4所示。Zhang等人建立了Ma型與Is型熱泵儲電系統(tǒng)模型并對其性能進行比較分析。對比顯示Ma型系統(tǒng)的循環(huán)效率相較于Is型系統(tǒng)低5.87%~12.73%。在對Ma型系統(tǒng)的?分析中發(fā)現(xiàn)熱交換器的性能優(yōu)化能更好地提高系統(tǒng)整體?效率。
圖4 Malta型布雷頓循環(huán)系統(tǒng)示意圖
楊鶴等對Ma型熱泵儲電系統(tǒng)進行了參數(shù)分析與運行性能優(yōu)化，得到了往返效率、儲能密度與功率密度的具體數(shù)學表達式。同時基于采用遺傳算法對該系統(tǒng)狀態(tài)點參數(shù)進行數(shù)值優(yōu)化，得到往返效率、儲能密度和功率密度之間的變化趨勢。通過LINMAP決策方法獲得了帕累托前沿解集中最優(yōu)解決方案，得到最大往返效率以及最大儲能密度3個工況下的優(yōu)化結(jié)果。該研究為熱泵儲電系統(tǒng)的設計參數(shù)選擇以及研究提供了部分理論依據(jù)。
三種類型的儲電系統(tǒng)中Sa型系統(tǒng)的循環(huán)效率最高，但電能輸出穩(wěn)定性較差于Is型系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)的區(qū)別在于Is型系統(tǒng)的高儲熱溫度由高壓比實現(xiàn)，而Sa型系統(tǒng)在運行前由電加熱器對儲冷罐進行預加熱，可以通過較低的壓比實現(xiàn)較高的儲熱溫度。Ma型系統(tǒng)的循環(huán)效率在三種系統(tǒng)中最低，其原因在于引入的兩個氣液換熱器造成了額外的能量損失。Ma型系統(tǒng)的優(yōu)勢在于投資成本更低，比其余兩種系統(tǒng)有更短的投資回報期，電能儲存持續(xù)時間延長到24 h和48 h的時候，Ma型系統(tǒng)能夠節(jié)省30%和40%投資成本。儲罐不與工作回路直接連通，通過換熱器連接避免了高壓儲熱罐復雜性的問題，能夠使系統(tǒng)運行壓力提高到更高的水平，進而提高系統(tǒng)循環(huán)效率和功率密度。Ma型系統(tǒng)的設計還避免了儲熱介質(zhì)碎屑隨氣體工質(zhì)進入壓縮機和膨脹機造成損害的可能性，進一步提高系統(tǒng)的安全性。
值得注意的一點是Is和Ma型兩種系統(tǒng)均存在高溫高壓的問題，Is型通過高壓實現(xiàn)高儲熱，Ma型通過提高系統(tǒng)循環(huán)壓力提高循環(huán)效率以彌補系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上造成的效率損失。預計維持高溫高壓的工作回路造成的額外材料成本會造成額外的成本支出，但是目前的系統(tǒng)經(jīng)濟性分析中并未考慮到承受高溫高壓回路的成本因素。
往返效率作為儲電系統(tǒng)的重要評價標準，部分研究關(guān)注到其對各類損失及參數(shù)設置的敏感性。在研究中發(fā)現(xiàn)與外部損失相比內(nèi)部損失對系統(tǒng)往返效率的影響更明顯，在內(nèi)部損失中壓縮機和膨脹機是決定性因素。并且通過?分析發(fā)現(xiàn)熱泵儲電系統(tǒng)主要?損失發(fā)生在壓縮機，可以通過對壓縮機與膨脹機的優(yōu)化改進提高系統(tǒng)的循環(huán)效率。
王際輝等人對基于閉式布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)中儲熱溫度和壓降對系統(tǒng)循環(huán)效率的影響進行了分析。結(jié)果顯示往返效率隨高溫熱媒溫度的升高而增大，隨低溫熱媒溫度的下降呈先增大后減小的趨勢，如圖5所示。出現(xiàn)拐點的原因在于系統(tǒng)發(fā)電功率隨低溫熱媒溫度的變化趨勢呈二次函數(shù)曲線；而儲電功率與低溫熱媒溫度近似為線性關(guān)系。系統(tǒng)壓降通過影響壓比改變透平和壓縮機的進出口溫度，當壓降升高時系統(tǒng)循環(huán)效率會有所下降。
圖5 系統(tǒng)往返效率隨高低溫熱媒變化趨勢
通常熱泵儲電可以分為儲能、儲存和釋能三個部分，Wang等人分別對三個單獨的過程基于?分析的方法進行優(yōu)化分析研究。研究結(jié)果如圖6所示，發(fā)現(xiàn)提高系統(tǒng)工作溫度上限是提高循環(huán)效率和能量密度的關(guān)鍵。并且儲能過程壓比的提高在增加系統(tǒng)儲能密度的同時降低了循環(huán)效率，因此存在最佳壓比平衡儲能密度與循環(huán)效率之間的關(guān)系。
圖6 循環(huán)效率和儲能密度隨壓比變化趨勢
目前基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)大都在穩(wěn)態(tài)條件下，缺乏對其動態(tài)特性研究，從而導致實際運行過程中難以預測、調(diào)節(jié)和優(yōu)化系統(tǒng)的性能。部分研究對布雷頓循環(huán)系統(tǒng)建立了動態(tài)仿真模型并進行動態(tài)特性研究分析，通過研究系統(tǒng)的動態(tài)特性可以更好地理解和優(yōu)化系統(tǒng)的性能，為將來的實際應用提供參考。
針對熱泵儲電系統(tǒng)真實儲能過程的瞬態(tài)特性得不到體現(xiàn)的問題，張謹奕等人基于Simulink平臺和模塊化建模方法對熱泵儲電系統(tǒng)建立了動態(tài)仿真模型，研究熱泵儲電系統(tǒng)在功率變化條件下的動態(tài)性能，以及各工作特性參數(shù)的動態(tài)響應。研究發(fā)現(xiàn)可以通過對工質(zhì)流量調(diào)節(jié)的方法調(diào)節(jié)壓縮機和膨脹機功率、儲熱/儲冷系統(tǒng)的傳熱量，進而實現(xiàn)對循環(huán)效率的調(diào)節(jié)和控制。除此之外壓比和等熵效率的提高能很好改善系統(tǒng)電能輸出的穩(wěn)定性，并且對于儲罐而言存在最佳輸送壓縮比、材料顆粒尺寸、儲罐的長徑比和充放電持續(xù)時間，使得系統(tǒng)循環(huán)效率達到最大且輸出穩(wěn)定性最高。隨著充放電時間的增加，儲冷罐的最佳長徑比逐漸增大儲熱罐的最佳長徑比先增大后減小，并且當充放電時間比為2∶1時系統(tǒng)的最大循環(huán)效率為70.97%、平準化成本(LCOS)最低為(0.190±0.043) USD/kWh。
由于可再生能源發(fā)電存在波動性和間歇性導致熱泵儲電系統(tǒng)需要在必要的時候快速啟動來維持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。熱泵儲電系統(tǒng)從啟動到穩(wěn)定運行的動態(tài)過程研究尤為關(guān)鍵。路唱等人對系統(tǒng)從啟動到穩(wěn)定運行過程的控制策略和動態(tài)性能展開研究，研究表明轉(zhuǎn)速升速率不影響系統(tǒng)在儲能過程的啟動時間；但在釋能過程中，轉(zhuǎn)速升速率不僅影響系統(tǒng)啟動時間，而且不合理的轉(zhuǎn)速升速率設置會使系統(tǒng)運行產(chǎn)生較大的波動和超調(diào)量。同時以1.5 MW的熱泵儲電系統(tǒng)為例，給出了轉(zhuǎn)速升速率設置為100 r/min，儲能過程和釋能過程的壓力分別設置為4.45 MPa和5 MPa的結(jié)論。
熱泵儲電系統(tǒng)不僅要對發(fā)電側(cè)的變化做出及時響應，同時還要對用戶側(cè)負載擾動做出及時調(diào)整。由于熱慣性存在熱泵儲電系統(tǒng)輸出效率和用戶側(cè)負載之間存在時滯留性，因此需要一個控制策略適應用戶側(cè)負載快速變化以保障系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性。針對此問題，Yang等人對用戶側(cè)負載擾動對熱機循環(huán)的影響進行了仿真并提出了一種工作流體的儲存控制策略。如圖7和圖8所示，在用戶側(cè)負荷變化的過程中系統(tǒng)在該策略的控制下各狀態(tài)點的溫度穩(wěn)定，凈輸出功率能夠在132s以內(nèi)跟隨用戶側(cè)負荷的變化趨勢內(nèi)波動控制在2.6%以內(nèi)。
圖7 各狀態(tài)點隨負載擾動變化
圖8 凈輸出功隨負載擾動變化
對布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)除了基于穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的性能分析與參數(shù)優(yōu)化外，國內(nèi)外學者還對系統(tǒng)的改進流程進行研究探索，對基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)流程進行了改進探索以獲得系統(tǒng)達到更高的循環(huán)效率、能量利用率以及經(jīng)濟性。
在對現(xiàn)有文獻的整理研究中發(fā)現(xiàn)，熱泵儲電系統(tǒng)中存在顯著的不可逆損失。一方面在于釋能過程中膨脹機出口處仍有明顯高于環(huán)境溫度的排氣溫度，對于該部分排氣余熱常規(guī)系統(tǒng)采用冷卻水降溫處理；另一方面在于隨著釋能過程的推進，熱儲罐的輸出溫度逐漸降低，直至溫度無法滿足膨脹機工作需求釋能過程結(jié)束，但此時仍有部分冷熱能存儲于儲罐中。冷卻散失以及積累于儲罐中的能量若考慮應用于區(qū)域供熱和制冷，有效提高熱泵儲電系統(tǒng)的能量利用效率以及經(jīng)濟效益。對此Zhang等人提出一種基于布雷頓循環(huán)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并且建立非穩(wěn)態(tài)模型開展研究，系統(tǒng)如圖9所示。文章提出儲電、熱電聯(lián)產(chǎn)以及冷熱電聯(lián)產(chǎn)三種運行模式，結(jié)果表明僅在儲電模式下運行時，系統(tǒng)循環(huán)效率為63.5%；在熱電聯(lián)產(chǎn)模式下運行時，最大COP可以達到137.9%；在冷熱電聯(lián)產(chǎn)模式下運行時，獲得了188.1%的最大COP且最大?效率為63.9%，相比于儲電模式提高了1.4%，有效挽回系統(tǒng)不可逆損失。孫鵬將熱泵儲電系統(tǒng)應用于某工業(yè)園區(qū)，系統(tǒng)同時為園區(qū)供應電能及蒸汽。系統(tǒng)部署后節(jié)省了16.49%的電網(wǎng)購電支出，并且供給了園區(qū)82%的蒸汽需求。
圖9 基于布雷頓循環(huán)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)原理圖
Farres-Antunez等人提出一種基于液態(tài)空氣儲能和熱泵儲電系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖10所示。熱泵儲電系統(tǒng)作為頂部循環(huán)，液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)作為底部循環(huán)。該系統(tǒng)的特點是以熱交換器替代兩個系統(tǒng)中的冷能儲罐。研究發(fā)現(xiàn)耦合系統(tǒng)的往返效率與單獨的兩種系統(tǒng)的往返效率相近，但耦合系統(tǒng)有著更高的儲能密度。
圖10 液態(tài)空氣-熱泵儲能耦合系統(tǒng)示意圖
Farres-Antunez等人提出了將太陽能熱發(fā)電與熱泵儲電系統(tǒng)聯(lián)用，并對其進行可行性研究。Petrollese等人基于上述思路提出了光伏發(fā)電與熱泵儲電耦合的創(chuàng)新型系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖11所示。該系統(tǒng)的循環(huán)效率最大可達60%，光伏部分可單獨運行，并且熱泵儲電部分不受光伏部分的影響。
圖11 創(chuàng)新耦合系統(tǒng)
除了流程性能參數(shù)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，學者們還關(guān)注到熱泵儲電系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)勢。文獻[47-49]對熱泵電系統(tǒng)進行了經(jīng)濟性分析，包括?經(jīng)濟分析、平準化存儲成本分析以及多指標經(jīng)濟分析。分析結(jié)果均表示熱泵儲電系統(tǒng)相較于成熟的大型儲能系統(tǒng)有著很大的成本競爭力。不論是作為短期能量儲存系統(tǒng)還是作為大規(guī)模、長時間的能量儲存系統(tǒng)，熱泵儲電系統(tǒng)均具有較大應用潛力。
目前基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)仍處于理論模擬階段，尚未有實際工程運行參數(shù)分析成果。直至2023年Ameen等人對布雷頓儲電系統(tǒng)建立了瞬態(tài)的數(shù)學模型，并且搭建世界上第一臺電網(wǎng)規(guī)模的熱泵儲電實驗系統(tǒng)，通過實驗驗證理論模擬的熱力學往返效率。
2.2 基于朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)
基于朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)最早由ABB公司提出并進行研究分析。由于使用布雷頓循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)需要搭配大型高壓存儲罐，進而造成了系統(tǒng)成本較高。對此問題，ABB公司提出了基于跨臨界CO2朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)解決方案，系統(tǒng)原理如圖12所示。該系統(tǒng)的最高儲熱溫度為123℃，且系統(tǒng)循環(huán)效率達到53%。在上述的研究基礎上構(gòu)造了含有熱水及冷水儲存的跨臨界CO2系統(tǒng)。在儲能階段，熱泵循環(huán)用于對儲罐內(nèi)的水進行加熱，進而加熱后的水將在釋能階段為熱機循環(huán)提供動力。在冷側(cè)潛熱通過低溫冰鹽水儲存，最終實現(xiàn)60%的往返效率和177 ℃的儲熱溫度。
圖12 基于朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)示意圖
基于朗肯循環(huán)熱泵儲電系統(tǒng)的研究更多地關(guān)注到系統(tǒng)構(gòu)型的優(yōu)化改進。Frate等人在常規(guī)系統(tǒng)中增加了兩個回熱器，系統(tǒng)如圖13所示?；責崞鞯募尤胧沟孟到y(tǒng)的性能有所提升。從經(jīng)濟性的角度出發(fā)以導熱油為儲熱介質(zhì)的帶回熱的系統(tǒng)構(gòu)型是較佳方案。
圖13 帶回熱的熱能+有機朗肯循環(huán)儲電系統(tǒng)
為提高熱泵儲電系統(tǒng)的儲能密度，Chen等人提出了一種帶補熱型的熱泵儲電系統(tǒng)，并且在該系統(tǒng)的基礎上耦合有機朗肯系統(tǒng)。采用瞬態(tài)分析的方法對傳統(tǒng)熱泵儲電、補熱型的熱泵儲電、傳統(tǒng)熱泵儲電+有機朗肯、補熱型的熱泵儲電+有機朗肯、補熱型的熱泵儲電+并聯(lián)式有機朗肯五種系統(tǒng)進行仿真比較分析。如圖14所示，該系統(tǒng)循環(huán)效率為47.67%，比補熱型的壓縮空氣儲能系統(tǒng)高出5.68%。
圖14 帶補熱型熱泵儲電+并聯(lián)型有機朗肯系統(tǒng)示意圖
不受地理環(huán)境限制，能夠根據(jù)需求靈活改進建造是熱泵儲電系統(tǒng)相較于其他大型儲能系統(tǒng)的突出優(yōu)勢，故而熱泵儲電系統(tǒng)可以對現(xiàn)有的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合改進，或根據(jù)不同地域特點的需求進行綜合性的系統(tǒng)設計?；诶士涎h(huán)的系統(tǒng)儲能溫度較低且系統(tǒng)較為簡單，因此基于朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)的另一熱點研究方向是使用具有熱集成的熱泵儲電系統(tǒng)。與常規(guī)熱泵儲電系統(tǒng)相比，具有集成效應的熱泵儲電系統(tǒng)更具有應用前景，不僅可以利用各種形式的低品位熱能實現(xiàn)高效儲能，還可以在智慧能源系統(tǒng)中連接區(qū)域電網(wǎng)和供熱網(wǎng)絡。目前常見的熱集成有工業(yè)余熱、集中供熱網(wǎng)絡、太陽能集熱以及地熱回注鹽水。
Jockenh?fer等人介紹了一種以丁烯為工質(zhì)的全熱集成亞臨界熱泵儲電系統(tǒng)，如圖15所示。研究發(fā)現(xiàn)當熱源溫度為100 ℃和環(huán)境溫度為15 ℃時，該系統(tǒng)可以達到1.25的凈功率比。并且若在釋電過程中同時提供熱能和電能，最大?效率為0.59；在僅提供電能的情況下，最大?效率為0.52。
圖15 全熱集成亞臨界熱泵儲電系統(tǒng)示意圖
Hu等人構(gòu)建了熱泵+有機朗肯循環(huán)的熱力學和經(jīng)濟分析模型，將具有各種熱集成的熱泵儲電系統(tǒng)和當前主要儲能技術(shù)進行經(jīng)濟對比分析，如圖16所示。設計場景下的LCOS為0.18 USD/kWh，地熱井回注鹽水的方案與理想場景有著相近的LCOS，但受地理條件的限制較高，應用較為困難。利用工業(yè)余熱是其中最為經(jīng)濟可行的方案，其LCOS為0.23 USD/kWh。并且較高余熱溫度和較低環(huán)境溫度更有益于系統(tǒng)整體性能的提升。
圖16 主要儲能技術(shù)與五種熱源場景下熱泵儲電系統(tǒng)的經(jīng)濟比較
Eppinger等人考慮到工作流體對于系統(tǒng)性能的影響，搭建了基于顯熱和潛熱兩種儲存方式的儲電系統(tǒng)，遴選基于有機朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)的最佳工作流體。以潛熱存儲方式的系統(tǒng)受工作流體的影響較大，當環(huán)戊烷作為工作流體時系統(tǒng)表現(xiàn)出了最佳運行性能，但在安全性方面有些許欠缺；工作流體對采用顯熱儲存方式的系統(tǒng)中影響不顯著，出于效率、環(huán)境友好性和安全性方面推薦R1233zd(E)(用于有機朗肯循環(huán)的新型HFO類循環(huán)工質(zhì))。
2.3 冷/熱能儲存部件
冷/熱儲罐是熱泵儲電系統(tǒng)的核心設備之一，儲罐對于系統(tǒng)的循環(huán)效率、能量儲存密度、能量存儲周期以及能量輸出穩(wěn)定性的影響較為關(guān)鍵。深入研究儲罐的結(jié)構(gòu)設計和運行性能是目前熱泵儲電系統(tǒng)的一個熱點研究方向，當前國內(nèi)外研究學者主要對儲罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、儲能材料以及布置方式等進行研究。
熱泵儲電系統(tǒng)中消耗的電能以顯熱或者潛熱的形式儲存在兩個儲罐中。顯熱形式在儲熱技術(shù)中的成熟度最高、價格低廉，已經(jīng)形成大規(guī)模應用。因此熱泵儲電系統(tǒng)的模擬研究大多使用顯熱儲存的儲罐，對于顯熱儲存而言填充床是較為合適的儲存單元。Ameen等人研究了一種具有更高程度的熱分層的新型填充床。該新型填充床在基于溫度控制的方案中性能表現(xiàn)優(yōu)異，僅在3次循環(huán)后便達到了平衡，不僅減少了64%的壓力損失且具有較窄的溫躍層。Benato等人指出石灰石或砌體材料制成的填充床更適用于需要每日進行充放電循環(huán)的系統(tǒng)，而對于每周或更長時間才進行充放電循環(huán)的系統(tǒng)，氧化鋁則為較佳介質(zhì)。在顯熱材料與不同類型熱泵儲電系統(tǒng)的搭配中，以熱敏醇VP-1為儲存材料的回熱式跨臨界朗肯系統(tǒng)的往返效率最高(68%)。
對于潛熱儲存更多的涉及到相變材料。圣力等人利用相變材料作為儲能介質(zhì)建立了10 MW/5h的熱泵儲電系統(tǒng)的瞬態(tài)數(shù)值模型，模擬結(jié)果顯示該系統(tǒng)的往返效率和功率密度分別達到了63.1%和175.8 kW/m3，并且儲能密度達到了182.5 kWh/m3，提升了118.5%；單位能量儲存成本為768元/kWh，節(jié)省了12%的投資成本。使用相變材料能夠大幅提高熱泵儲電系統(tǒng)的儲能密度，并且最大限度地延長高功率區(qū)的持續(xù)時間和減小功率前沿的寬度以延長系統(tǒng)的充電時間。
顯熱儲存中通常選擇廉價、無毒、導熱性能好的儲存介質(zhì)，如巖石、耐火磚、砂礫、金屬等。選擇相變溫度與熱泵儲電系統(tǒng)工作溫度相匹配的相變材料能夠大幅提升系統(tǒng)的儲能密度，降低系統(tǒng)的換熱過程的不可逆損失。水、具有共晶成分的水鹽溶液、PCMs等。表2展示了熱泵儲電系統(tǒng)中常用的儲能材料。
表2 熱泵儲電系統(tǒng)常見儲能材料
不論是基于顯熱儲存還是潛熱儲存，常規(guī)的熱泵儲電系統(tǒng)都必須配備兩個儲罐對冷熱能進行存儲。Steinmann提出了一種熱泵儲電技術(shù)的衍生技術(shù)，稱為熱泵-熱機雙向循環(huán)技術(shù)。該類型的系統(tǒng)設置一個儲熱裝置，通常不配備儲冷罐，系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)通過換熱器與環(huán)境和余熱源進行熱交換，實現(xiàn)工質(zhì)的蒸發(fā)和冷卻。
由于大容量熱泵儲電技術(shù)需求，儲熱量的增加迫使儲罐的體積不斷增大，大容量儲罐構(gòu)建方式尤為重要。Wang等人將陣列式儲罐的設計應用于熱泵儲電系統(tǒng)，對儲罐串聯(lián)、并聯(lián)和順序陣列三種方式下的循環(huán)瞬態(tài)行為展開了研究。在串、并聯(lián)和順序三種儲罐陣列方式中，儲罐串聯(lián)陣列的系統(tǒng)表現(xiàn)出最佳的性能，其往返效率達到64.9%和能量輸送波動為43.1%。該研究基于并聯(lián)和順序的模式提出的創(chuàng)新的溫度互補模式，模擬對比如圖17所示。溫度互補模式雖然往返效率(64.2%)略低于串聯(lián)方式，但能有效抑制儲罐陣列的溫度退化，其功率輸出的波動為13.2%，大幅度優(yōu)化系統(tǒng)不穩(wěn)定性。
圖17 溫度互補模式與串聯(lián)系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)的動態(tài)模擬對比
對于儲罐布置方式最大區(qū)別在于前文提到的耦合方式(Is和Sa型系統(tǒng))和解耦方式(Ma型系統(tǒng))。耦合方式的儲罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，絕大多數(shù)研究為減小系統(tǒng)計算的復雜程度將儲罐模型設置為一維模型進行模擬分析。忽略工質(zhì)在儲罐中的流動及傳熱行為等影響因素必然會對系統(tǒng)的效率計算產(chǎn)生一定誤差。同時系統(tǒng)的高溫和高壓對儲罐提出了較為嚴苛的要求，市場常規(guī)儲罐難以滿足需求。為解決這一問題提出了儲罐解耦的方式，解耦方式如前文所說以部分循環(huán)效率為代價避免儲罐內(nèi)部復雜性及計算困難問題，儲罐的結(jié)構(gòu)較為簡單有更靈活多變的設計空間。
3 總結(jié)與展望
隨著可再生能源的高速發(fā)展，新型儲能技術(shù)將是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要研究方向之一。本文對熱泵儲電的系統(tǒng)原理及國內(nèi)外研究進行分類對比分析，目前熱泵儲電系統(tǒng)主要分為基于布雷頓循環(huán)和朗肯循環(huán)兩種類型。其中對于布雷頓循環(huán)的系統(tǒng)研究較為廣泛，基于國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，布雷頓循環(huán)的研究主要聚焦在以下兩個方面：一是研究系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設置對系統(tǒng)循環(huán)效率和儲能密度等性能指標影響并進行優(yōu)化；二是探究系統(tǒng)運行策略和系統(tǒng)改進方案，通過運行策略優(yōu)化和儲電系統(tǒng)的優(yōu)化改進來提高整個系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。對于朗肯循環(huán)的系統(tǒng)研究則相對較少，但該類型的系統(tǒng)已經(jīng)通過研究表明在儲能密度和循環(huán)效率上和布雷頓循環(huán)的系統(tǒng)有著相近的表現(xiàn)?；诶士涎h(huán)的系統(tǒng)研究更多在于循環(huán)工質(zhì)的選擇優(yōu)化以及探究不同熱集成場景下系統(tǒng)的性能表現(xiàn)及經(jīng)濟效益。相比較之下基于布雷頓循環(huán)的系統(tǒng)更接近實際工程應用，適用于大規(guī)模的儲能應用。
通過對國內(nèi)外熱泵儲電技術(shù)的研究進展綜述，對該研究方向有幾點展望：
（1）目前熱泵儲電系統(tǒng)研究大都基于穩(wěn)態(tài)條件，需要更多關(guān)注非穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)的運行表現(xiàn)，建立非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的模型以探究更為接近實際應用的運行情況；
（2）對于熱泵儲電系統(tǒng)的研究基本在于理論研究，還需搭建實驗系統(tǒng)對理論研究的性能和效率進行實驗驗證分析以確保仿真結(jié)果的準確性和可靠性，進一步推動熱泵儲電系統(tǒng)的發(fā)展及實際應用；
（3）壓縮機和膨脹機是系統(tǒng)中主要不可逆損失產(chǎn)生的部件，未來工作在于更高效的渦輪機械的設計研究，使儲電系統(tǒng)實現(xiàn)更高的循環(huán)效率；
（4）儲罐的儲熱性能對系統(tǒng)儲能密度和存儲時間有顯著影響。大多研究為簡化模型，對于儲罐的研究使用一維的模型，進一步的工作應考慮進行多維數(shù)值研究以得到更精準的模擬結(jié)果；
（5）對于系統(tǒng)的流程改進優(yōu)化上探索新的循環(huán)或更多的熱集成方式來提高系統(tǒng)整體的能量利用效率。
（6）通過靈活搭建方式開拓熱泵儲電技術(shù)應用場景。例如應用于家庭領域在供電的同時實現(xiàn)供冷供熱以提供舒適低碳化的生活環(huán)境等。
綜上所述，熱泵儲電是一種新型高效低碳化的能源儲存方式，可以有效提高能源利用率和降低碳排放，在能源利用低碳化領域具有較高的研究價值和應用前景。
