基于相变堆积床的卡诺电池系统设计与实验研究.pdf
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1、第 12 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.12 No.9Sept.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology基于相变堆积床的卡诺电池系统设计与实验研究孛衍君,薛新杰,王化宁,赵长颖(上海交通大学中英国际低碳学院,上海 201306)摘要:卡诺电池系统是一项将过余电量以热能的形式存储起来,需要的时候通过动力循环向外释放的大规模物理储能系统,其摆脱了地理环境限制且紧凑高效,在削峰填谷、长时储能方面具有广泛前景。本工作设计了一套基于正/逆布雷顿循环和相变储热技术的10 MWh级卡诺电池系统,建立了基于Python3.8的数值模型,探究了
2、压比、等熵效率、工质雷诺数、介质长径比等参数对系统性能的影响,结果表明该系统运行在压比为10、等熵效率0.9工况下时往返效率可以达到0.6,储能和功率密度分别达到378.44 kWh/m3、203.58 kW/m3。在不同的运行参数下分别对两个储罐的储能过程进行了实验研究,验证了当入口处工质压力越大、温度与室温温差越大,系统的储能密度与功率密度越高。关键词:卡诺电池系统;相变储热;数值模拟;无量纲化分析;堆积床;储热性能doi:10.19799/ki.2095-4239.2023.0314 中图分类号:TQ 028 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)09-2823-10S
3、ystem design and experimental study of Carnot battery based on latent heat/cold storesBO Yanjun,XUE Xinjie,WANG Huaning,ZHAO Changying(China-UK Low Carbon College,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 201306,China)Abstract:The Carnot battery system is a large-scale physical energy storage system th
4、at stores excess power in the form of heat energy and releases it outward through the power cycle when needed.It is free from geographical environment limitations,coMPact,and efficient,and has broad prospects in peak shaving,valley filling,and long-term energy storage.In this paper,a 10 MWh-class Ca
5、rnot battery system was designed based on positive/reverse Brayton cycle and phase change heat storage technology.A numerical modelwas establishedbased on Python 3.8,and the influences of pressure ratio,isentropic efficiency,working fluid Reynolds number,medium length to diameter ratio,and other par
6、ameters on the system performance were explored.The results showed that the round-trip efficiency of the system could reach 0.6 when operating under the conditions of a compression ratio of 10 and isentropic efficiency of 0.9,and the energy storage and power density reached 378.44 kWh/m3 and 203.58
7、kW/m3,respectively.The energy storage process of the two tanks was experimentally studied under different operating parameters.It was verified that the greater the working fluid 储能系统与工程收稿日期:2023-05-05;修改稿日期:2023-05-14。基金项目:国家自然科学基金重大项目(52090063)。第一作者:孛衍君(1998),男,硕士研究生,研究方向为相变储热系统,E-mail:;通讯作者:赵长颖,教授
8、,研究方向为微纳传热、新型储能、热辐射与超材料能源器件等,E-mail:。引用本文:孛衍君,薛新杰,王化宁,等.基于相变堆积床的卡诺电池系统设计与实验研究J.储能科学与技术,2023,12(9):2823-2832.Citation:BO Yanjun,XUE Xinjie,WANG Huaning,et al.System design and experimental study of Carnot battery based on latent heat/cold storesJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(9):2823-
9、2832.2023 年第 12 卷储能科学与技术pressure at the entrance and the greater the difference between working and room temperatures,the higher the systems energy storage and power density.Keywords:Carnot battery system;phase change heat storage;dimensionless analysis;packed-bed;thermal storage performance为应对化石燃料的
10、过度使用引起的全球变暖等气候变化的严峻后果,可再生能源在能源结构中发挥着愈来愈重要的作用。据预测,可再生能源利用率直到21世纪中叶将以年均3.6%的增长率持续增加,届时可再生能源将满足50%以上的全球电力需求1。然而以风能、太阳能为代表的可再生能源的供需侧存在着时间、空间上的不匹配,为更大程度利用可再生能源并消除其对电网的冲击,发展并应用大规模储能技术是克服可再生能源发电间歇性、波动性难题的有效技术路径2。目前,正处于开发中的大规模储电系统主要包括抽水蓄能系统(PHS)、压缩空气储能系统(CAES)、液流电池系统(FB)以及本工作讨论的热泵储电系统(PTES),又称为卡诺电池(CB)等。卡诺电
11、池技术是一种新型的大规模物理储能技术,该技术以热能的形式将能量存储下来并在需要时以机械能的形式向外输出,其不受地理位置限制且可针对传统煤电站进行改造3。一般根据采用的热力循环种类的不同,卡诺电池可分为以下3类:基于跨临界二氧化碳循环、朗肯循环以及布雷顿循环的卡诺电池。2010年,Desrues等4提出了1种基于布雷顿循环的卡诺电池系统并建立了容量为602.6 MWh的一维瞬态模型。结果表明,当充电时间约6 h后,该卡诺电池可以放电约5 h,且系统往返效率高达66.7%。Howes5采用往复式压缩膨胀机替代了旋转式热功转换机械并研究了理想条件下以氩气作为工质的系统热力学性能。在氩气的质量流量为1
12、2.56 kg/s,蓄热罐温度/运行压力为500/1.213 MPa,蓄冷罐温度/运行压力为-166/常压的工况下,额定功率为2 MW,储能量为16 MWh的卡诺电池的往返效率可达0.72。Xue等6建立了基于相变堆积床的卡诺电池一维瞬态模型并比较了显热和潜热储存的能量密度差异。结果表明,两者的体积储能密度分别为202.4、267.4 kWh/m3,相较于显热存储,相变堆积床的储能密度提升了32.1%。当前,针对卡诺电池系统的研究以仿真模拟为主7-9,系统中热量主要采用显热形式进行储存10-12,且由于系统内存在较为复杂的流动、传热问题,导致系统的实际运行工况与假定参数间可能存在一定的偏移,从
13、而使得系统性能分析可能存在失准的风险13-14。本工作采用以干燥空气作为工质的布雷顿循环,建立了一维瞬态数值模型并分析了系统的运行过程,探究了系统运行以及结构参数对系统性能的影响。同时,实验研究了储能过程的温度及状态分布。1 卡诺电池系统原理与建模如图1所示,卡诺电池分为以下几个主要部分:储热/储冷罐,两台涡轮机,两个换热器,稳压器及与之配套的阀门、循环风扇等设备。其中,两台涡轮机械在系统运行的储能/释能过程中,根据工质流动方向不同,分别作为压缩-膨胀机对使用。两个储罐内部则分别放置储热、储冷所需的储能介质,通过与流经的工质发生热交换实现能量的储存与释放。两台换热器用以补偿系统的不可逆带来的余
14、热,以稳定两台涡轮机械入口处工质的温度,使系统的运行更加平稳,同时吸收一部分余热、余冷加以利用。稳压器用于维持气体工质的流量与压力以消除流动损失等因素对系统的影响。在储能过程中,气体沿逆时针方向流动,常温常压的工质在涡轮机1中被压缩,消耗外界输入的电能,将工质压缩至高温高压状态。随后气体流经图1卡诺电池系统结构Fig.1Structure diagram of Carnot battery system2824第 9 期孛衍君等:基于相变堆积床的卡诺电池系统设计与实验研究热罐,与罐内的储热介质发生热交换并释放热量,储热介质的温度逐渐升高。中温高压的气体流出热罐后进入换热器2,向外界继续释放热量
15、。此时仍保持高压的气体工质进入涡轮机2中膨胀至低温低压,这一阶段涡轮机2作为膨胀机向外输出机械能,带动发电机产生电能。与热罐类似,低温低压的气体进入冷罐与储冷介质发生热交换,储冷介质的温度逐渐降低。经由冷罐流出的工质在换热器1中继续吸热,达到初始的常温常压状态,完成储能过程。当两个储罐内储存的热量/冷量达到设计值时,认为储能过程完成。在释能过程中,工质的流向相反,沿顺时针流动,具体过程与储能过程类似。此外,值得注意的是,冷罐、热罐分别设置了直接向外界供冷、供热的回路,可在释能循环外单独输出冷量、热量。为了降低系统的复杂性,重点关注换热过程中占主导地位的过程及参数,做出如下简化假设:(1)储能罐
16、的外层壁面绝热,忽略储能罐顶部和底部的热损失;(2)压缩机和膨胀机的等熵效率为常数,不随工质的状态参数变化而改变;(3)忽略包覆材料壁面热阻,忽略管道沿程等压力损失,忽略稳压器能量消耗;(4)相变介质的热物性只与状态有关,储能罐内仅沿轴向流动和传热。(5)电能与技术功之间的转换效率为1。如图2所示,储能罐是一个外部形状为圆柱的压力容器,其壁面由隔热材料制成,并做保温处理以减少热损失。其内侧布置有包覆了相变储热介质的金属圆柱体,起到密封与增强换热的作用。工质从储能罐的一端流入,沿水平方向从另一端流出,期间与储能介质发生热交换,以实现储能罐的储能或释能。采用均匀网格、一维有限体积法对储能罐进行显式
17、差分形式的离散,储能罐沿工质流动方向被均分为n个储热单元体。相变储热介质储存的能量QPCM根据其液相含量f(0 f 1)的不同,可以表示为QPCM=mPCMcp,PCM,s()TPCM-T0()f=0mPCMcp,PCM,s()Tp-T0()0 f 1mPCMcp,PCM,s()Tp-T0+mPCML+mPCMcp,PCM,l()TPCM-Tp()f=1(1)式中,T0为环境温度;Tp为相变温度;mPCM为相变储热介质的质量;cp,PCM,s、cp,PCM,l分别为介质在固态、液态时的比热容;L为相变焓。工质外掠圆柱体金属发生对流换热的表面换热系数hx表示为hx=0.332 x Re1/2x
18、Pr1/3x(2)式中,x为特征长度;为工质的热导率。Rex、Prx的计算式为Rex=uHTFx(3)Prx=/a(4)a=HTFcp(5)式中,uHTF、HTF、cp分别为工质的流速、黏度、密度、定压比热容。涡轮机进、出口处工质的温度、压力关系可以表示为pout=pin(6)Tout=(1+-1-1)Tin(7)式中,为压缩(膨胀)比;为等熵效率;Tin、Tout、pin、pout分别为压缩机的进、出口处的温度、压力;绝热指数=cp/cV。涡轮机械消耗(产生)的功率可以表示为Pt=m t(ht,out-ht,in)(8)式中,t为工质的质量流量;hHX,out、hHX,in分别为出口、入口处
19、工质的比焓。工质经过换热器向外释放的热流率可以表示为QHX=m HX(hHX,out-hHX,in)(9)式中,HX为工质的质量流量。根据前文所述的建模过程,卡诺电池系统一维瞬态模型的设计参数与材料热物性见表1。卡诺电池的系统性能指标主要包括功率密度、图2储能罐结构Fig.2Schematic diagram of the structure of the energy storage tank28252023 年第 12 卷储能科学与技术储能密度和系统往返效率。其中,功率密度P表示为P=Pt,disVHR+VCR(10)式中,Pt,dis为系统在释能过程中向外输出的技术功功率;VHR、VCR
20、分别为储热罐、储冷罐的体积。储能密度E表示为E=QHR+QCRVHR+VCR(11)式中,QHR、QCR分别为冷罐、热罐储存的热量。往返效率RTE表示为RTE=Wt,dis/Wt,cha(12)式中,Wt,dis、Wt,chr分别为系统释能过程向外输出、储能过程消耗的技术功。为研究系统运行过程中的一般规律,选用恰当的特征量尺度将控制方程无量纲化。在本工作中,主要对温度、时间和距离做无量纲化处理,无量纲温度、时间*、距离x*可以表示为6=T-T0THTF,in-T0(13)*=l/uHTF(14)x*=x/l(15)根据式(1)式(15),基于Python 3.8建立卡诺电池系统的一维瞬态模型,
21、其中,物性参数由软件REFPROP直接导入,设定初始时刻两储罐内相变储热材料温度均为298 K,工质气体的入口参数保持不变。图3展示了在储能过程中储热罐与储冷罐在不同时刻时,罐内相变储能介质温度随轴向距离的分布情况。以储热罐为例,根据储能介质的不同状态,可以将罐内沿轴向依次划分为3段:液相段、两相段、固相段。图中可以看出存在一个无量纲温度的平台期,这对应了两相共存的阶段,在这个过程中储能介质的温度几乎不变,从气体工质中吸收的能量全部转化为相变过程所需的潜热,直至相变过程结束。热罐在靠近入口处属于液相段,随着距离的增加,介质温度逐渐从入口处工质温度降低至相变温度,且温度对距离的变化率逐渐减缓。这
22、是由于随着工质的流动,其传热温差逐渐降低,传热的速率逐渐减缓,从而使得温度梯度逐渐降低。随着时间的推移,介质的温度不断增加,温差较大的斜温层不断向出口处移动,介质中储存的热量逐渐增加。类似的,储冷罐同样可以分为3段,但是靠近入口处为液相段,靠近出口处为固相段,且无量00.20.4(a)储热罐(b)储冷罐0.60.81.000.20.40.60.81.0无量纲温度无量纲距离x*=2=4=6 00.20.40.60.81.000.20.40.60.81.0无量纲温度无量纲距离x*=2=4=6图3储能过程相变储热介质的温度分布Fig.3Temperature distribution of phas
23、e change heat storage medium in energy storage process表1卡诺电池系统的运行参数与相变介质热物性Table 1Operating parameters and thermophysical properties of PCM of Carnot battery system参数/单位储能介质长度l/m直径D/m体积V/m3压缩比等熵效率相变温度Tp/K相变潜热L/(kJ/kg)密度/(kg/m3)固态比热容cp,s/kJ/(kgK)液态比热容cp,l/kJ/(kgK)热导率/W/(mK)储热罐NaOH粉末54121100.949128421
24、302.92.10.6储冷罐质量分数15%CaCl2水溶液538122816012862.621.12826第 9 期孛衍君等:基于相变堆积床的卡诺电池系统设计与实验研究纲温度越高,实际上相变介质的温度越低。因此,随着时间的推移,储冷罐中介质的温度不断降低,温差较大的斜温层不断向出口处移动,介质中储存的冷量逐渐增加,这也使得靠近出口处的相变介质逐渐开始固化,体现为固相段的长度逐渐增加,两相段逐渐向后移动。对比冷热罐,可以发现热罐中随着储能过程的进行,其两相平台段的长度逐渐增加,这是因为由于工质和介质间的温差逐渐减小,传热的速率逐渐降低,因此完成吸热液化过程所需的时间更长,表现两相段的长度更长。
25、冷罐中这一趋势体现得并不明显,主要是由于相变介质的物性决定的,储冷介质相变潜热与比热容的比值相比储热介质较小,故完成相变过程所需的冷量在整个储冷过程中的占比较小,表现为两相段的长度整体小于储热过程,随时间的增长而增长的过程更不明显。图4揭示了在释能过程不同时刻罐内储能介质温度随轴向距离的分布情况。在储热罐中,沿工质流动方向依次是固相段、两相段、液相段,随着释能过程不断进行,罐内介质的温度逐渐降低,固相段的长度逐渐增加,两相段逐渐向出口处移动,罐内储存的能量也逐渐降低。类似的,在冷罐中,随着释能过程的深入,罐内介质的温度逐渐升高,液相段的长度逐渐增加,两相段逐渐向出口处移动。图5展示了在其他条件
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