中國儲能網(wǎng)訊：基于亞臨界有機朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)(pumped thermal electricity storage，PTES)通過熱泵循環(huán)、蓄/釋熱過程和有機朗肯循環(huán)發(fā)電(organic rankine cycle, ORC)過程實現(xiàn)儲電過程，該系統(tǒng)運行溫區(qū)較低且可利用低溫熱源提高系統(tǒng)循環(huán)儲電效率。為進一步研究基于亞臨界有機朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)充/放電動態(tài)性能，本工作搭建了該系統(tǒng)實驗平臺，進行了80 ℃和90 ℃熱源工況下的充/放電全周期實驗研究和性能分析。結果表明：當?shù)蜏責嵩礈囟葟?0 ℃升高到90 ℃時，系統(tǒng)循環(huán)儲電效率從21.8%提高到46.1%，提高低溫熱源溫度能顯著提升循環(huán)儲電效率；由于儲/釋熱過程的非穩(wěn)態(tài)傳熱特性，系統(tǒng)充/放電周期內(nèi)運行參數(shù)隨時間變化，在90 ℃熱源工況下，充電過程的時間為3120 s，熱泵循環(huán)平均COP為6.27，壓縮機功率從1.3 kW增長到3.7 kW；放電時間為980 s，凈放電功率從5.3 kW降低到1.8 kW，有機朗肯循環(huán)效率平均為8%；在80 ℃熱源工況下，充電過程的時間為6480 s，熱泵循環(huán)平均COP為5.44，壓縮機功率從1.6 kW增長到3.6 kW；放電時間為1080 s，凈放電功率從4.7 kW降低到2.8 kW，有機朗肯循環(huán)效率平均為7.9%。
儲能技術可以提高能源供需的平衡性，減少能源消耗峰谷差異帶來的壓力，因此，發(fā)展儲能將帶來更加安全穩(wěn)定的能源供應，保障國家和人民的能源安全。目前發(fā)展比較成熟的大規(guī)模儲能技術為抽水儲能技術和壓縮空氣儲能技術，但此兩項技術均受到地理因素的限制。熱泵儲電技術(pumped thermal electricity storage, PTES)亦稱卡諾電池(Carnot battery)，是正處于前期發(fā)展階段的物理儲能技術，該技術不受地理條件的限制且環(huán)境與安全問題較少，在可再生能源系統(tǒng)和分布式儲能等領域具有廣闊的應用前景，近年來在儲電領域引起了廣泛關注。
熱泵儲電技術根據(jù)儲/釋能所采用的熱力學循環(huán)類型，主要分為基于封閉式布雷頓循環(huán)(Brayton cycle)的熱泵儲電系統(tǒng)、基于亞臨界有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)的熱泵儲電系統(tǒng)以及基于跨臨界朗肯循環(huán)(transcritical Rankine cycle)的熱泵儲電系統(tǒng)。其中基于亞臨界有機朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)由于采用低沸點有機物為循環(huán)工質，其顯著特點是系統(tǒng)運行溫區(qū)低(小于200 ℃)且可利用低溫熱源提高系統(tǒng)效率，溫度在200 ℃以下的熱源可以被定義為低溫熱源，常見的有太陽能、低溫地熱能、工業(yè)余熱等。在用戶側的分布式儲電兼供熱具有廣泛的應用前景，國外學者已經(jīng)對該系統(tǒng)開展了熱力學分析和性能預測研究。Roskosch等人研究了亞臨界有機朗肯循環(huán)熱泵儲電系統(tǒng)，結果表明系統(tǒng)效率隨儲熱溫度的升高而降低，并進一步擴展考慮了膨脹機、壓縮機等熵效率對循環(huán)效率的影響，隨后預測儲熱溫度在300~400 K時系統(tǒng)循環(huán)效率為56%~37%。Qiao等人建立了一個基于有機朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)數(shù)學模型，研究表明在充電模式下的?損失比在放電模式下的?損失多95 kW左右，并且節(jié)流閥的?損失為95.83 kW，占28.32%。王際輝等人研究了儲熱溫度對熱泵儲電系統(tǒng)往返效率的影響，結論指出，高溫熱媒溫度的升高能夠提升往返效率，而低溫熱源溫度的下降則先使往返效率增大，隨后導致其減小，系統(tǒng)最高往返效率為61.36%。Steinmann等人分別提出了工質為氨水和丁烯的亞臨界有機朗肯循環(huán)熱泵儲電系統(tǒng)，研究了冷熱源溫度，換熱溫差對系統(tǒng)的影響。馮軍勝等人構建了基于有機朗肯循環(huán)的卡諾電池熱儲能系統(tǒng)的計算模型，研究不同 ORC 循環(huán)工質條件下熱泵冷凝溫度、ORC 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)熱力性能的影響，研究結果表明，降低熱泵冷凝溫度和提高 ORC 蒸發(fā)溫度均可以提高系統(tǒng)的制熱系數(shù)和循環(huán)儲電效率。
綜上所述，近幾年國內(nèi)外學者對基于亞臨界有機朗肯循環(huán)熱泵儲電系統(tǒng)的循環(huán)性能進行了研究分析，但目前未見系統(tǒng)層面的實驗報道，而且該系統(tǒng)的動態(tài)運行特性未得到足夠的關注。本工作搭建了基于亞臨界有機朗肯循環(huán)熱泵儲電系統(tǒng)的實驗平臺，開展不同熱源工況下系統(tǒng)充/放電全周期實驗和性能分析，以期為該類型熱泵儲電系統(tǒng)設計和制定系統(tǒng)動態(tài)控制策略提供實驗基礎。
1 系統(tǒng)實驗原理及方法
1.1 系統(tǒng)原理
熱泵儲電系統(tǒng)其基本原理是通過熱力學正、逆循環(huán)的分時工作，實現(xiàn)電能的存儲和釋放：利用電能驅動壓縮式熱泵，將電能轉化為熱能并儲存；需要電力輸出時，釋放熱能并通過動力循環(huán)將其轉換為電能。基于亞臨界有機朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)實驗原理及測點布置見圖 1，該系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)組成：熱泵循環(huán)子系統(tǒng)、蓄/釋熱過程(thermal energy storage，TES)以及有機朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)。其中熱泵循環(huán)和蓄熱過程構成熱泵儲電的充電模式，而釋熱過程和ORC發(fā)電構成熱泵儲電系統(tǒng)的放電模式。在充電模式下，有機工質在蒸發(fā)器吸收低溫熱源的熱量，通過壓縮機提升到高溫高壓狀態(tài)流體進入TES子系統(tǒng)，將熱量傳遞給儲熱介質后工質通過節(jié)流閥的節(jié)流作用變?yōu)闅庖簝上?，并重新流入蒸發(fā)器，完成充電過程。在放電模式下，工質吸收儲能罐中存儲的熱量變?yōu)楦邷馗邏赫羝?，并在膨脹機中做功驅動發(fā)電機產(chǎn)生電能，工質流體進入冷凝器液化后進入工質泵加壓并重新進入儲能罐，完成放電過程。
圖1 實驗系統(tǒng)原理圖
1.2 實驗裝置與方法
基于亞臨界有機朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)實驗測試平臺如圖 2所示。該實驗臺由可控冷熱源、熱泵儲電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)組成。熱源為電加熱熱水箱，冷源為開式冷卻塔，通過熱水泵和冷水泵控制熱源和冷源流量。蓄/釋熱過程是熱泵儲電系統(tǒng)的關鍵過程，本工作設計的儲能罐結構圖和參數(shù)測點如圖 3所示，以水為儲熱介質采用顯熱儲能方式。為減少儲能罐中換熱器數(shù)量，熱泵循環(huán)和ORC循環(huán)均采用同一循環(huán)工質，實驗選取R245fa作為系統(tǒng)循環(huán)工質，實驗裝置的性能參數(shù)如表 1所示。
圖2 熱泵儲電系統(tǒng)實驗測試平臺
圖3 儲能罐結構圖
表1 主要實驗裝置參數(shù)
設定熱源溫度為80 ℃和90 ℃等不同熱源工況開展熱泵儲電系統(tǒng)充/放電全周期動態(tài)性能測試。熱源流量為2 t/h，冷源溫度為12 ℃，流量為9.8 t/h。在每組工況下，通過控制三通閥使系統(tǒng)在充/放電模式之間進行切換。熱源、冷源、工質環(huán)路各測點溫度、壓力和流量等數(shù)據(jù)經(jīng)測量儀表采集后由多通道觸控數(shù)據(jù)記錄儀獲得，能接收直流電流、直流電壓、熱電阻、熱電偶、遠傳壓力表5類輸入信號。充電階段各參數(shù)采集周期為120 s，放電階段各參數(shù)采集周期為20 s，采用REFPROP9.1軟件計算有機工質熱力學狀態(tài)參數(shù)。
在充電階段，開啟熱泵系統(tǒng)，以儲能罐內(nèi)測溫點4在 80 ℃左右作為充電初始點，隨后通過調(diào)節(jié)控制壓縮機轉速及節(jié)流閥開度，以保證系統(tǒng)充電階段安全高效運行，當儲能罐內(nèi)測溫點4溫度在 130 ℃左右表明系統(tǒng)充電完成；在放電階段，關閉熱泵系統(tǒng)，開啟ORC循環(huán)系統(tǒng)，并通過控制調(diào)節(jié)工質泵頻率使系統(tǒng)能穩(wěn)定放電，放電結束依據(jù)是測溫點4溫度降低到80 ℃左右。
1.3 測量系統(tǒng)及誤差
實驗測量的參數(shù)包括：①系統(tǒng)充電模式下熱泵循環(huán)管路工質體積流量、熱水進出口溫度，和熱水質量流量，蒸發(fā)器進口溫度、，壓縮機進出口溫度、，節(jié)流閥進口溫度，壓縮機進出口壓力、，節(jié)流閥進口壓力；②儲能罐總高2 m，水位高1.7 m，中間均勻布置了4個溫度測點，如圖 3所示，用于測量儲能罐中不同高度的水溫。為了增大換熱面積，加快蓄/放熱速率，盤管采用2組；③系統(tǒng)發(fā)電模式下ORC管路工質體積流量，膨脹機進出口溫度、，冷凝器出口溫度和壓力，工質泵出口溫度，冷水進出口溫度、和冷水質量流量。蒸發(fā)溫度測試范圍為0~90 ℃、冷凝溫度測試范圍為0~20 ℃、有機工質流量測試范圍為0~10 m3/h。實驗系統(tǒng)中所用測量儀器型號及參數(shù)如表2所示，其中測量不確定度來自商家。
表2 實驗系統(tǒng)所用測量儀器型號及參數(shù)
1.4 實驗數(shù)據(jù)處理及不確定度分析
本工作以循環(huán)儲電效率作為熱泵儲電系統(tǒng)充/放電性能指標，即當不考慮輸送能耗和冷卻過程能耗時，系統(tǒng)的凈放電量(，kWh)與壓縮機輸入電量(，kWh)的比值，其表達式如式(1)：
式中，為充電模式下壓縮機輸入功率，可由儀器直接測量獲得，kW；和分別為充電和放電時間，s；為放電模式下系統(tǒng)凈放電功率，kW，可由式(2)計算：
式中，為膨脹機輸出電功率，由式(3)計算，kW；為工質泵輸入電功率，由式(4)計算，kW；
式中，為有機朗肯循環(huán)質量流量，kg/s；為膨脹機進口焓值、為等熵效率75%的膨脹機出口焓值，kJ/kg；為發(fā)電機機電效率，取0.75；、分別為工質泵進口和出口焓值，kJ/kg；為工質泵效率，取0.5。
充電模式的性能指標以熱泵循環(huán)、儲能罐蓄熱速率(kW)作為系統(tǒng)評價指標，放電模式的性能指標以儲能罐放熱速率(kW)、有機朗肯循環(huán)效率作為系統(tǒng)評價指標，屬于間接測量參數(shù)，分別由式(5)~(8)[17-18]計算獲得：
式中，為熱泵循環(huán)質量流量，kg/s；、分別為熱泵循環(huán)儲能罐進出口焓值，kJ/kg；、分別為有機朗肯循環(huán)儲能罐進出口焓值，kJ/kg。
本工作采用文獻中的二次冪法來計算間接測量參數(shù)的不確定度，求得的不確定度為3.59%，的不確定度為3.32%，的不確定度為4.89%，、的不確定度為3.49%。
2 實驗結果與分析
2.1 充電過程性能分析圖
4所示為充電過程不同熱源工況下熱泵循環(huán)隨充電時間的變化。熱泵循環(huán)均隨充電時間降低，降低速率隨時間減小。由于儲熱介質溫度隨充電時間升高，有機工質與儲能介質的換熱效率降低，且壓縮機的壓縮比提高和耗電功率增大，兩者的綜合作用導致熱泵循環(huán)快速降低。90 ℃熱源工況下最大為13.43，最小為3.06，平均值為6.27，80 ℃熱源工況下最大為12.69，最小為2.94，平均值為5.44。儲能罐進口有機工質的溫度隨時間逐漸增大，90 ℃熱源工況下在開始充電時為102 ℃，結束充電時為132 ℃，壓力在開始充電時為1.15 MPa，結束充電時為2.41 MPa；80 ℃熱源工況下在開始充電時為94 ℃，結束充電時為130 ℃，壓力在開始充電時為1.06 MPa，結束充電時為2.27 MPa。兩種熱源工況下最后趨于平穩(wěn)的相差很小，80 ℃熱源工況下充電時間為6480 s，而90 ℃熱源工況下充電時間為3120 s，較80 ℃熱源工況充電時間縮短了52%，表明了提高熱源溫度能快速縮短充電時間。
圖4 不同熱源工況下系統(tǒng)COP隨充電時間的變化
圖 5所示為90 ℃熱源工況下儲能罐內(nèi)各測點溫度隨充電時間的變化。由圖5可知，90 ℃熱源工況下，在充電初始階段(0~500 s)，壓縮機轉速為2000 r/min，使得有機工質與儲能罐內(nèi)儲能介質溫差較?。欢?500~1600 s)調(diào)節(jié)壓縮機轉速為3000 r/min，儲能罐傳熱過程熱流密度較高，各點溫度迅速上升；在1600~3120 s充電階段，隨著儲熱介質溫度的上升，其和有機工質之間溫差減小導致熱流密度減小，各測點溫度緩慢上升。測溫點1和測溫點2之間溫差變化最大，表明儲能罐內(nèi)儲能介質的斜溫層在測溫點1和測溫點2之間。充電開始時儲罐內(nèi)各測點最高溫度為80 ℃，最低溫度為50 ℃，平均溫度為63 ℃；結束時儲能罐內(nèi)各測點最高溫度為129 ℃，最低溫度為84 ℃，平均溫度為116 ℃，壓力為0.31 MPa。整個充電過程熱流密度從3.8 kW/m2降低到2.4 kW/m2。
圖5 90 ℃熱源工況下儲能罐內(nèi)各測點溫度隨充電時間的變化
圖6所示為90 ℃熱源工況下儲能罐蓄熱量和蓄熱速率隨充電時間變化。由圖 6可知蓄熱量增加趨勢為先快后慢，這是由蓄熱速率減小引起的。在3120 s的充電時間內(nèi)蓄熱量可達13.55 kWh，蓄熱速率從18 kW降低到11.4 kW，平均蓄熱速率為15.6 kW。圖 7所示為90 ℃和80 ℃熱源工況下壓縮機功率和耗電量隨充電時間變化。隨著充電過程的推進，儲能罐溫度和熱泵冷凝溫度升高，壓縮機的運行壓力比和功率隨時間逐漸增大，90 ℃熱源工況下耗電量在充電結束時為2.43 kWh，壓縮機功率從1.3 kW增長到3.7 kW，平均功率為2.8 kW；80 ℃熱源工況下總耗電量為5.33 kWh，壓縮機功率從1.6 kW增長到3.6 kW，平均功率為2.9 kW。
圖6 90 ℃熱源工況下儲能罐蓄熱量和蓄熱速率隨充電時間的變化
圖7 壓縮機功率和耗電量隨充電時間的變化：(a) 90 ℃熱源工況；(b) 80 ℃熱源工況
2.2 放電過程性能分析
熱泵儲電系統(tǒng)放電過程性能參數(shù)與儲能罐溫度分布、ORC循環(huán)性能和冷源工況相關。圖8所示為放電過程儲能罐內(nèi)各測點溫度隨放電時間的變化。由圖8可知，在90 ℃熱源工況充電后進行放電過程，放電時間為980 s，結合圖4可知，放電時間較充電時間縮短了68.6%。熱泵儲電系統(tǒng)的充/放電時間取決于蓄/釋熱過程儲熱介質與有機介質的傳熱速度，而傳熱速度與工質質量流量相關。在充電過程中有機工質的質量流量可以通過壓縮機轉速控制，在放電過程中有機工質的質量流量可以通過工質泵控制。
圖8 儲能罐內(nèi)各測點溫度隨放電時間的變化
開始放電時儲能罐最高溫度為128 ℃，最低溫度為87 ℃，平均溫度為115 ℃。結束放電時最高溫度為80 ℃，最低溫度為53 ℃，平均溫度為68 ℃。測溫點4溫度下降34 ℃、測溫點1溫度下降48 ℃。測溫點2處儲熱介質溫度下降幅度最大，為55 ℃，這主要是由于測溫點2處于斜溫層周圍，與測溫點1具有較大溫差，在放電時與有機工質進行換熱的同時還向測溫點1處進行傳熱導致的。儲能罐進口有機工質溫度基本維持在20 ℃左右，在儲能罐出口先由92 ℃增加到110 ℃，然后逐漸減小為72 ℃。儲能罐出口有機工質過熱度最大為27.65 ℃，最低為0.26 ℃，平均值為14.67 ℃。
圖9所示為有機朗肯循環(huán)效率和蒸發(fā)壓力隨放電時間的變化。由圖9可知，隨著儲能罐溫度的降低，ORC循環(huán)蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力不斷下降，導致有機朗肯循環(huán)效率下降。在90 ℃熱源工況充電后進行放電過程，有機朗肯循環(huán)效率最大為10.7%，最小為7.3%，下降幅度為3.4%，平均效率為8%。為保證儲能罐出口工質過熱度滿足要求，0~480 s工質泵頻率為50 Hz，在480 s和580 s分別調(diào)節(jié)工質泵頻率為40 Hz和30 Hz，使有機工質質量流量降低，導致蒸發(fā)壓力發(fā)生突降。在80 ℃熱源工況充電后進行放電過程，有機朗肯循環(huán)效率最大為8.4%，最小為6.6%，下降幅度為1.8%，平均效率為7.9% ，在620 s將工質泵頻率從40 Hz調(diào)節(jié)為30 Hz。有機朗肯循環(huán)效率無明顯變化，說明與熱源溫度無關。
圖9 有機朗肯循環(huán)效率η和蒸發(fā)壓力隨放電時間的變化：(a) 90 ℃熱源工況；(b) 80 ℃熱源工況
圖10所示為儲能罐放熱量和放熱速率隨時間的變化。由圖10可知，由于儲能罐內(nèi)儲能介質與有機工質的溫差大，熱流密度大，導致放熱量在0~580 s快速增加；在580~980 s放熱量增加速率逐漸減小，這是由于儲能罐內(nèi)儲能介質與有機工質的溫差減小，并且工質泵頻率減小的共同作用，使放熱速率減小引起的。在980 s的放電時間里，放熱量為12.99 kWh，放熱速率最大為61.7 kW，最小為21.6 kW，平均放熱速率為47.7 kW。圖11所示為熱泵儲電系統(tǒng)放電過程凈放電功率與凈放電量隨時間的變化。由圖11可知，在90 ℃熱源工況充電后進行放電過程，凈放電量為1.12 kWh，凈放電功率隨時間逐漸降低，最大為5.7 kW，最小為1.6 kW，平均功率為4.1 kW，結束時為1.8 kW。在80 ℃熱源工況充電后進行放電過程，凈放電量為1.15 kWh，凈放電功率隨時間逐漸降低，最大為4.7 kW，最小為2.8 kW，平均功率為3.8 kW，結束時為2.8 kW。凈放電量無明顯變化，說明與熱源溫度無關，只與儲能罐蓄熱量有關。
圖10 儲能罐放熱量和放熱速率隨時間的變化
圖11 系統(tǒng)凈放電功率和凈放電量隨時間的變化：(a) 90 ℃熱源工況；(b) 80 ℃熱源工況
2.3 儲電性能參數(shù)分析
表 3為兩種熱源工況下熱泵儲電系統(tǒng)儲電性能參數(shù)。隨著熱源溫度的升高，充電過程的輸入電能下降。輸出電能只與儲能罐蓄熱量有關，而熱源溫度為80 ℃或90 ℃，最終儲能罐蓄熱量基本相同，所以輸出電能無明顯變化，這導致系統(tǒng)循環(huán)儲電效率升高，系統(tǒng)儲電性能得到提升。提高熱源溫度有利于提升熱泵循環(huán)性能，儲能罐蓄熱過程壓縮機耗電量下降。在90 ℃熱源工況下，系統(tǒng)的循環(huán)儲電效率為46.1%，與目前成熟的電化學儲能與抽水儲能相比，該PTES實驗系統(tǒng)在效率指標方面仍有較大差距。
表3 各熱源工況下儲電性能參數(shù)
3 結 論
本工作為研究基于亞臨界有機朗肯循環(huán)的熱泵儲電系統(tǒng)充/放電動態(tài)運行特性，搭建了完整系統(tǒng)實驗平臺，實驗以水為儲能介質，以R245fa為循環(huán)工質，進行了80 ℃和90 ℃熱源工況下的充/放電全周期實驗研究和性能分析。本工作從儲電性能參數(shù)、充電過程和放電過程分析了實驗數(shù)據(jù)，得出如下結論：
（1）充電階段，熱泵系統(tǒng)隨時間逐漸降低；儲能罐內(nèi)測溫點1和測溫點2之間溫差變化最大，表明儲能罐內(nèi)儲能介質的斜溫層在測溫點1和測溫點2之間；90 ℃熱源工況下，熱泵系統(tǒng)充電時間為3120 s左右，整個充電過程中熱泵系統(tǒng)平均為6.27，蓄熱量為13.55 kWh，壓縮機耗電量為2.43 kWh；80 ℃熱源工況下，熱泵系統(tǒng)充電時間為6480 s左右，整個充電過程中熱泵系統(tǒng)平均為5.44，蓄熱量為13.9 kWh，壓縮機耗電量為5.33 kWh。
（2）放電階段，在90 ℃熱源工況充電后進行放電過程，ORC系統(tǒng)放電時間為980 s，相比充電時間縮短了68.6%；ORC循環(huán)效率最高可達10.7%，平均為8%；整個放電過程放熱量為12.99 kWh，凈放電量為1.12 kWh；在80 ℃熱源工況充電后進行放電過程，ORC系統(tǒng)放電時間為1080 s，與在90 ℃熱源工況充電后進行放電過程所需時間無明顯變化；ORC循環(huán)效率最高可達8.4%，平均為7.9%；整個放電過程放熱量為13.9 kWh，凈放電量為1.16 kWh。
（3）80 ℃熱源工況系統(tǒng)循環(huán)儲電效率為21.8%，90 ℃熱源工況為46.1%，提高熱源溫度即提高熱泵蒸發(fā)溫度可以降低充電過程的輸入電能，而輸出電能只與蓄熱量有關，兩種熱源工況下蓄熱量無明顯變化，提高熱源溫度能有效提高系統(tǒng)循環(huán)儲電效率。
