耦合太阳能辅热的AA-CAES系统储热特性分析及优化

张 营，张伟江，李晓光

(1.国网河北能源技术服务有限公司，河北 石家庄 050021;2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021)

0 引 言

化石能源的大量消耗带来了能源短缺和环境污染等问题，为此，各个国家正努力开发可再生能源，如风能、太阳能和潮汐能等。受气候和天气条件的影响[1]，可再生能源发电具有不稳定性，并网后会产生一系列安全问题。电力储能技术是解决以上问题的有效方案，其中，压缩空气储能(compressed air energy storage，CAES)具有规模大、效率高和运行稳定等优点[2]。其众类型中，先进绝热压缩空气储能 (advanced adiabatic compressed air energy storage，AA-CAES)技术由于不燃烧化石燃料，不排放污染物和温室气体，受到了广泛关注。

首先，针对于AA-CAES系统，国内外许多研究大多数集中在系统性能比较、结构优化和部件特性对系统整体性能的影响，其中，文献[3]比较了AACAES与CAES系统的性能差异，文献[4]提出一种系统结构优化方案，文献[5]研究了采用变效率压缩机的系统特性，文献[6]分析了3种储能过程运行策略，文献[7]提出4种储气室模型。而这些研究中，储热子系统对膨胀机入口空气参数的提升能力有限，致使系统效率相对较低。为了改善AACAES系统的热力性能，一些学者引入太阳能辅热子系统，开展了耦合系统的研究。文献[8]专门分析了耦合太阳能辅热的AA-CAES系统的运行特性，文献[9]研究了AA-CAES与风能、太阳能构成的一体化系统的可行性。基于CAES与太阳能互补的两种新型三联产系统，文献[10-11]分别实施了变工况分析和多目标优化。然而，这些研究并未涉及储热子系统的影响。此外，文献[12-15]虽然都研究了储热子系统的影响，但其是基于AA-CAES系统，并未针对耦合系统展开分析。在耦合太阳能辅热的AA-CAES系统中，储热子系统占有重要地位，换热器作为主要热交换部件，对系统性能有重大影响。

该文基于热力学基本理论，建立了耦合太阳能辅热的AA-CAES系统热力学模型，分析三类换热器对系统性能的影响，并采用遗传算法开展多目标优化，研究成果可以为耦合太阳能辅热的AA-CAES系统的运行和优化提供一定的借鉴。

1 系统热力学模型

建立耦合太阳能辅热的AA-CAES系统模型如图1所示，主要部件包括：压缩机、换热器、储气室、储热罐、储冷罐、膨胀机、热罐、冷罐和槽式太阳能集热器等。其中，储气室记为ASC，两级压缩机从左至右记为第一、二级(C1、C2)，两级膨胀机从左至右也记为第一、二级(E1、E2)，六级换热器从左至右记为第一、二、···、六级 (HE1、HE2、···、HE6)。此外，将第一、二级换热器称为第一类换热器，第三、四级换热器称为第二类换热器，第五、六级换热器称为第三类换热器。第一类、第二类和第三类换热器效能分别记为ε1、ε2和ε3，系统的所有储热介质均为导热油。

图1 耦合太阳能辅热的AA-CAES系统模型

系统运行过程如下：储能阶段，电动机驱动压缩机压缩空气，空气在第一、二级换热器中被导热油冷却后进入储气室存储，导热油吸收的热量储存在储热罐中；释能阶段，空气从储气室流出，先进入第五、六级换热器吸热，再进入第三、四级换热器吸热，之后进入膨胀机做功，从而带动发电机向外发出电能。

为简化分析和计算，提出以下基本假设：

1) 空气视为理想气体，其比热容为定值。

2)对于所有换热器，空气和导热油的热容量相等，即两者比热容和质量流量的乘积相等。

3) 忽略所有管道的散热和压力损失，也忽略储热罐和热罐的散热。

4) 储气室体积恒定，内部温度等于环境温度。

2 系统数学模型和性能评价指标

2.1 数学模型

储能阶段，空气在压缩机中升温升压，视为多变过程，压缩机出口温度为

式中：Tc_in——压缩机入口温度，K；

βc——压缩机压比；

κ——绝热指数；

ηc,s——压缩机等熵效率。

空气在第一、二级换热器中被导热油冷却，换热器出口空气温度为

式中：ε——换热器效能；

Ts_cold——储冷罐温度，K。

空气经过换热器时会产生压力损失，压力损失系数的计算公式[3]为

质量为m的空气在压缩机中消耗压缩功为

其中c为空气比热容，J·kg-1·K-1。

释能阶段，空气从储气室流出，先进入太阳能辅热子系统吸热，该子系统中换热器出口空气温度为

式中：Tasc——储气室出口空气温度，K；

Thot——热罐温度，等于太阳能集热器温度，K。

空气从太阳能辅热子系统吸热后，再经过第三、四级换热器吸热，该级换热器出口空气温度为

其中Ts,hot为储热罐温度，K。

空气在膨胀机中做功时，视为多变过程，膨胀机出口温度为

式中：βt——膨胀机膨胀比；

ηt,s——膨胀机等熵效率。

质量为m的空气在膨胀机中所做膨胀功为

质量为m1的导热油在集热器中吸收的热量㶲，即系统的太阳能输入㶲为

式中：c1——导热油比热容，J·kg-1·K-1；

Tcold——冷罐温度，K。

2.2 性能评价指标

采用以下两种指标评估系统性能：

1) 㶲效率，定义为系统的总输出㶲（膨胀功）与总输入㶲（压缩功和太阳能输入㶲）之比，表示系统的不可逆损失大小

2) 㶲流密度，定义为系统的总输出㶲（膨胀功）与储气室体积的比值，表示系统在单位储气室体积下的做功能力

其中V为储气室体积，m3。

3 结果分析与讨论

表1给出了系统的基本运行参数。

表1 系统的基本参数

3.1 第一类换热器效能的影响

第一类换热器包括第一、二级换热器，用于冷却压缩机出口的空气，其效能对系统性能的影响如图2和图3所示。其中，压缩功先减小后增大，膨胀功增大，㶲效率先升高后降低，㶲流密度逐渐增加。

图3 第一类换热器效能对性能指标的影响

这是因为，第一类换热器效能增加时，第一、二级换热器的换热效果提高，导热油的吸热量增加，第二级压缩机入口空气温度降低，其压缩功减小。第一级压缩机不受影响，其压缩功不变，则总的压缩功减小。又由于空气经过换热器的压力损失越来越大，如图4所示。而储气室压力不变，则压缩机组的总压比增大，总的压缩功又增大。

图4 压力损失系数随换热器效能的变化

第一类换热器效能增加使得导热油在第一、二级换热器中的吸热量增加，相应地，使其在第三、四级换热器中的放热量也增加，膨胀机入口空气温度提高，则膨胀功增大。

系统的太阳能输入㶲不变，压力损失的影响使得压缩功先减小后又增大，则㶲效率先升高后降低，当第一类换热器效能为0.92时，㶲效率最高为54.85%。储气室体积恒定，则㶲流密度逐渐增大。

3.2 第二类换热器效能的影响

第二类换热器包括第三、四级换热器，其利用储热罐中的热量加热空气，其效能改变时，系统性能的变化如图5和图6所示。其中，压缩功不变，膨胀功先增大后减小，㶲效率和㶲流密度均存在最大值。

图5 第二类换热器效能对功量的影响

图6 第二类换热器效能对性能指标的影响

这是因为，随第二类换热器效能的增加，储能阶段不受影响，所以压缩功不变。而空气在第三、四级换热器中的吸热量增加，膨胀机入口温度提高，则膨胀功增加。又因为空气经过第三、四级换热器的压力损失增加，储气室压力不变，则膨胀机组的总膨胀比减小，膨胀功又减少。

因为系统的太阳能输入㶲不变，所以，㶲效率和㶲流密度均先增大后减小。当第二类换热器效能为0.83时，㶲效率最高为50.90%，㶲流密度最大为8.77×106J/m3。

3.3 第三类换热器效能的影响

第三类换热器包括第五、六级换热器，将导热油吸收的太阳辐射热量传递给空气，其效能对系统性能的影响如图7和图8所示。其中，压缩功不变，膨胀功先增大后减小，㶲效率和㶲流密度均存在最大值。

图7 第三类换热器效能对功量的影响

图8 第三类换热器效能对性能指标的影响

这是因为，第三类换热器效能的增加不影响储能阶段，所以压缩功保持不变。但其使得空气在第五、六级换热器中的吸热量增加，从而提高膨胀机入口温度，膨胀功增加。因为空气经过第五、六级换热器的压力损失越来越大，同样使得膨胀机组的总膨胀比减小，膨胀功又减少。

由于系统的太阳能输入㶲不变，则㶲效率和㶲流密度均存在最大值。当第三类换热器效能为0.84时，㶲效率最高为50.98%，㶲流密度最大为8.78×106J/m3。

3.4 多目标优化

为了使系统获得最佳热力性能，采用遗传算法，以㶲效率和㶲流密度为目标函数，三类换热器效能0.7～0.94为决策变量，种群规模设置为50，迭代次数设置为200。对系统开展多目标优化，计算过程如图9所示，所得Pareto最优解集如图10所示。可以看出，㶲效率和㶲流密度不能同时取得最大值。所以，选取离C点最近的D点作为最优点。㶲效率为55.729%，㶲流密度为9.432×106J/m3，对应的三类换热器效能分别为0.938、0.855和0.748。

图9 多目标优化过程

图10 Pareto最优解集

4 结束语

储热子系统在耦合太阳能辅热的AA-CAES系统中占有重要地位。为了评估其对系统热力性能的影响，本文首先通过敏感性分析掌握了三类换热器效能对系统的影响规律，然后使用遗传算法得到了系统在最佳性能下的三类效能取值。研究表明：开展多目标优化后，最优㶲效率和㶲流密度分别为55.729%和 9.432×106J/m3。研究结果在耦合系统的运行优化方面具有一定的应用价值。热罐和冷罐也是储热子系统的主要部件，其结构和保温特性等会影响系统的热力性能，可以作为后续的重要研究内容。