一种新型蒸汽恒压抽水压缩空气储能系统及其热力学分析

李丞宸,李宇峰,张严,杨珍帅,王焕然

(1.西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;2.焦作煤业(集团)有限公司,454002,河南焦作)

我国以化石燃料为主的能源结构引发了能源紧缺、环境污染等诸多亟待解决的问题,因此发展风能等可再生清洁能源势在必行[1-2]。可再生能源的利用受到其波动性、间歇性、随机性等缺点的制约[3],储能技术可以有效解决这些问题。目前,抽水蓄能(PHS)和压缩空气储能(CAES)因技术较为成熟、收益相对较高等优点,在大规模储能技术领域中获得广泛关注[4]。但是,由于PHS的选址受到地形及水文条件的特殊限制,CAES不仅对地质结构有特殊要求,释能过程还依赖化石燃料,造成环境污染[5],开发新型高效且不依赖化石燃料的大规模储能技术成为当务之急。

在诸多储能系统中,王焕然等提出的抽水压缩空气(PHCA)储能系统兼备了PHS和CAES的优点,同时又克服了两者的缺点[6-7]。与传统的抽水蓄能相比,PHCA系统对地理环境要求较低,且不需要建造大型水坝,对生态环境没有破坏;与传统的压缩空气储能相比,PHCA系统利用效率较高的水泵替代传统压缩机进行储能,利用效率较高的水轮机替代传统气体透平进行释能,且运行过程中气体温度基本保持稳定,趋于等温压缩和等温膨胀,使系统的运行效率显著提高。该系统结构简单,对环境无负面影响,但在运行过程中,设备始终存在变工况问题,必然影响储能系统的能量效率和发电质量。

目前,本团队已完成100 kW抽水压缩空气储能系统实验平台的搭建和调试,并初步得到了相关实验数据。……