基于气动马达的微型压缩空气储能系统的试验研究.pdf

第 12 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.12 No.6Jun.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology基于气动马达的微型压缩空气储能系统的试验研究许永红，吴玉庭，张红光，杨富斌，王焱（北京工业大学，北京 100124）摘要：压缩空气储能具有寿命长、成本低、环境污染小等优点而备受关注，然而压缩空气储能系统存在能量密度和效率低的问题，本工作提出了气动马达并联工作模式以提高压缩空气储能系统的输出功率、能量转换效率和经济性。通过对比分析了在气动马达并联工作和单独工作时，关键参数变化对气动马达输出功率、经济性和能量转换效率的影响规律。为了将微型压缩空气储能系统的膨胀机和压缩机一体化，本工作研究了气动马达正转和反转的性能。气动马达既作为膨胀机又作为压缩机，可以双模式运行，提高设备的利用率，降低压缩空气储能系统的成本。与可再生能源发电相结合的应用场景中，变工况运行是压缩空气储能系统面临的一个关键问题。以储气罐压力变化和负荷需求波动为代表的多种变工况条件在系统运行过程中常常同时存在，本工作在变工况条件下，通过试验研究了关键因素对压缩空气储能系统性能的影响情况。试验结果表明，采用气动马达并联工作模式可以提高压缩空气储能系统的输出功率、能量转换效率和经济性。当进气压力为10.5 bar(1 bar=100 kPa)时，气动马达和发电机输出功率的最大值约为660 W和380 W。关键词：压缩空气储能系统；气动马达；并联模式；输出功率doi：10.19799/ki.2095-4239.2023.0031 中图分类号：TK 02 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）06-1854-08Experimental study on a micro-compressed air energy storage system based on a pneumatic motorXU Yonghong,WU Yuting,ZHANG Hongguang,YANG Fubin,WANG Yan(Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract:A compressed air energy storage(CAES)system has gained attention due to its advantages of long life,low cost,and low environmental pollution.However,the CAES system is faced with low energy density and efficiency.Herein,the parallel operation mode of pneumatic motors is proposed to improve the power output of the CAES system.The output performance,economic performance,and energy conversion efficiency of CAES with the key parameters are compared and analyzed when the pneumatic motor works in parallel or alone mode.The purpose of studying the forward and reverse performance of the pneumatic motor is to integrate the expander and compressor of the micro CAES system.It was observed that the pneumatic motor could operate in two modes to improve energy utilization efficiency.In the application scenario,combined with renewable energy power generation,the off-design operation is another critical problem faced by the CAES system.The changes in air tank pressure and 储能系统与工程收稿日期：2023-01-17；修改稿日期：2023-02-13。基金项目：北京市自然科学基金面上项目（3222024）。第一作者：许永红（1990），男，博士研究生，研究方向为压缩空气储能及动力电池，E-mail：；通讯作者：张红光，教授，研究方向为压缩空气储能、混合动力电动汽车、余热利用，E-mail：。引用本文：许永红,吴玉庭,张红光,等.基于气动马达的微型压缩空气储能系统的试验研究J.储能科学与技术,2023,12(6):1854-1861.Citation：XU Yonghong,WU Yuting,ZHANG Hongguang,et al.Experimental study on a micro-compressed air energy storage system based on a pneumatic motorJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(6):1854-1861.第 6 期许永红等：基于气动马达的微型压缩空气储能系统的试验研究load demand fluctuation represent various off-design conditions.Herein,the influence of key parameters on the performance of the CAES system is investigated via experiments under off-design conditions and improved by adopting the parallel operation mode of pneumatic motors.When the intake pressure is 10.5 bar,the maximum power output of the pneumatic motor and generator is approximately 660 and 380 W,respectively.Keywords:compressed air energy storage;pneumatic motor;parallel mode;power output压缩空气储能(compressed air energy storage，CAES)具有寿命长、成本低、环境污染小等优点而备受关注1。自1949年由Sta.l Laval提出利用地下洞穴存储压缩空气进行储能的概念以来，压缩空气储能在全球范围内得到了政府、研究机构、电力企业 和 高 科 技 公 司 的 广 泛 关 注2。1971 年 德 国Huntorf建成了全球第一个商业运行的CAES电站，压缩空气被存储在地下600米的废弃矿洞中，压缩空气的压力最高可达10 MPa。1991年，美国阿拉巴马州Mcintosh建成并投入运营了全球第二座商业CAES电站3。近年来经过政府部门、电力企业以及中国科学院工程热物理研究所、清华大学、华北电力大学、山东大学等一批科研院所的不懈努力，我国在压缩空气储能理论研究和工程实践方面也取得了长足进展。刘文毅4较早地进行了压缩空气储能热力特征仿真计算，并分析了其在风电场中应用的经济性问题。张远等5在先进绝热压缩空气储能系统设计计算以及结构优化等方面取得很多成果。薛皓白等6研究了超临界压缩空气储能系统原理并进行了工程示范应用，此外其在压缩空气储能热力学分析建模、压缩空气储能系统释能等方面进行了大量研究。梅生伟等7综述了先进绝热压缩空气储能电站在建模、运行规划、能效提升和市场运行等方面的研究进展和展望。田崇翼等8提出一种由压缩空气储能、动力电池与超级电容组成的新型多元复合储能系统。压缩机/膨胀机是CAES系统的核心设备，其性能对整个系统效率和储能经济性具有重要的影响。膨胀机有两种主要类型：容积型膨胀机(如往复式膨胀机、螺旋式膨胀机和涡旋式膨胀机)和速度型膨胀机(例如径向和轴向涡轮)9。Sun等10研究了入口阻力对微型CAES系统中涡旋膨胀机效率的影响。Jubori等11提出了一种新的集成方法来研究基于径向流入膨胀机的小型CAES系统的性能改进。结果表明，膨胀机的最大效率和CAES系统效率分别为76.70%和12.46%。Rice等12提出了最优轨迹控制方法，以优化功率输出和能量转换效率之间的权衡。Wieberdink等13提出了用于等温CAES的液体活塞压缩机/膨胀机。结果表明，压缩/膨胀效率从13%提高到23%。Sadiq等14开发了Wankel膨胀机模型，并研究了膨胀机功率输出和等熵效率。结果表明，最大等熵效率和功率输出分别可达91%和8.52 kW。Rahbar等15提出了一维建模，并研究了用于小型CAES的径向流入涡轮的三维流体流动特性。结果表明，径向流入涡轮的效率从81.3%提高到84.5%。Chen等16提出了一个由实验数据验证的CAES系统模型。结果表明，试验台的效率在13%25%之间。Venkataramani等17对小容量CAES进行了实验研究。结果表明，膨胀机效率分别为41.79%、54.25%和68.3%；当质量流率分别为0.005 kg/s、0.0075 kg/s 和 0.01 kg/s 时，往返效率分别为13.4%、17.4%和22.02%。Httermann等18研究了热容量对液体空气储能系统中热蓄热器效率的影响。Iglesias等19提出了一种用于储能的创新型等温无油共旋涡旋压缩机/膨胀机。Zhang等20建立了一个小型CAES系统的仿真模型，并通过实验结果进行了验证。结果表明，CAES的系统效率为47.35%。压缩空气储能具有长寿命、低排放和低成本等的特点，其综合效益可以和抽水蓄能媲美，同时又避免抽水蓄能电站建设过程中对环境的破坏。尽管压缩空气储能有着诱人的应用前景，但是目前与其他储能技术相比，压缩空气储能技术所占全球储能装机容量比例不到1%。针对大规模的CAES，一般采用岩穴来存储压缩空气，地理条件依赖过大，缺乏灵活性，无法广泛应用。基于人造压力容器的储气方案具有灵活布置的特性，而且允许更高的储气压力，是不具备地下洞穴储气条件的地区开发CAES的有效解决方案之一。利用人造压力容器的CAES非常适合分布式能源系统。本工作利用压缩18552023 年第 12 卷储能科学与技术空气驱动气动马达系统发电，具有绿色环保、无污染的特点。1 压缩空气储能系统的试验研究由压缩机产生的压缩空气依次经过空气罐、冷干机、调压阀、电磁阀、流量计、温度传感器和压力传感器进入气动马达气缸内膨胀做功后排出。其中冷干机对压缩空气进行过滤和除湿。通过电磁阀的开和关来控制气动马达是否工作，同时改变气动马达进排气的方向，就能实现气动马达输出轴的正转和反转的转换。流量计用来测量进入气动马达压缩空气的流量，温度传感器和压力传感器用来测量进入和排出气动马达压缩空气的温度和压力。气动马达与发电机通过扭矩传感器相连接，扭矩传感器用来测量气动马达和发电机的转速和扭矩。压缩空气进入气动马达中，驱动气动马达旋转，气动马达带动发电机产生电能。发电机产生的交流电通过整流器转换成直流电，通过电流传感器和电压传感器测量发电机产生电能的电流和电压，最后通过电子负载消耗电能。数据采集系统主要用来采集气动马达的进排气温度、气动马达的进排气压力、气动马达的转速和扭矩、发电机产生电能的电流和电压、压缩空气的流量。基于气动马达和压缩空气的小型发电储能试验装置图和原理示意图如图1和图2所示。本工作采用的是活塞式气动马达，其马达具有耗气量小、速度稳定性好、效率高、对气源质量要求低、耐冲击及惯性小等优点。五个气缸均布在马达壳体的圆周上，由活塞、连杆和曲轴组成的五个曲柄滑块机构以马达的中心呈星形排布，活塞在气缸内滑动，五个连杆同装在共用曲轴的一个曲拐上。压缩气体依次按顺序推动各活塞，驱动曲轴连续旋转。图3为气动马达结构示意图。2 压缩空气系统的输出性能2.1气动马达正反转时的输出性能研究本工作研究气动马达正转和反转的性能，是为了将微型压缩空气储能系统的膨胀机和压缩机一体化。气动马达既作为膨胀机又作为压缩机，可以双模式运行，提高能量的利用效率。图4为转速对气动马达的输出功率的影响情况(f代表气动马达正转，r代表气动马达反转)。气动马达输出功率随着转速的升高呈现出降低的趋势。总体来说，气动马达正转时的输出功率均大于气动马达反转时的输出功率。气动马达正转时的动力性能优于气动马达反图1基于气动马达的小型压缩空气储能系统的试验装置图Fig.1Test bench of small-scale CAES system based on pneumatic motor1856第 6 期许永红等：基于气动马达的微型压缩空气储能系统的试验研究转时的动力性能。气动马达正转和反转时输出功率的差异性随着转速的增加而增大。在大多数情况下，我们应该确保气动马达在正转的情况下做功。在特殊的工作环境中，也可以在气动马达反转的情况下工作，或者正转和反转相结合使用。在相同的转速下，气动马达的输出功率随着调压阀压力的增大而增大。气动马达正反转时最大输出功率约为600 W和575 W。图5为转速对气动马达耗气率的影响情况。气动马达的耗气率随着转速的升高而升高。从节能环保的角度来说，应该使气动马达尽可能地工作在耗气率较低的区域。气动马达正转时的耗气率均低于气动马达反转时的耗气率。气动马达正转时的经济性优于气动马达反转时的经济性。气动马达反转时的耗气率在转速较高时，随着转速的升高呈现出急剧上升的现象。图3气动马达结构示意图Fig.3Schematic diagram of pneumatic motor structure图2基于气动马达的小型压缩空气储能系统的原理示意图Fig.2Schematic diagram of small-scale CAES system based on pneumatic motor18572023 年第 12 卷储能科学与技术图6为电流对发电机输出功率的影响情况。发电机的输出功率随着电流的增大先线性增大，当增大到输出功率的最大值后，再呈现出减小的趋势。为了提高发电机的输出功率，应该尽可能地让发电机工作在中等电流大小附近。在不同的调压阀压力下，发电机输出功率的最大值所对应的电流值是不同的。气动马达正转时所对应的发电机输出功率大于气动马达反转时所对应的发电机输出功率。气动马达正反转时所对应的发电机的最大输出功率约为305 W和293 W。2.2气动马达并联模式对CAES系统输出性能的影响情况图 7 为转速对气动马达输出功率的影响情况(PM-1 代表气动马达 1，PM-2 代表气动马达 2，PM-p-1代表并联模式时气动马达1，PM-p-2代表并联模式时气动马达2)。整体上，气动马达的输出功率随着转速的升高呈现出降低的趋势。气动马达单独工作时的输出功率大于气动马达并联工作时的输出功率。无论是气动马达单独工作还是并联工作，气动马达2的输出功率总是大于气动马达1的输出功率。气动马达并联工作时，两个气动马达总的输出功率得到大幅度的提高。在给定的试验条件下，当气动马达采用并联工作且当转速大于1500 r/min时，气动马达1和气动马达2总的输出功率小于气动马达单独工作时的输出功率。采用气动马达并联的工作模式，可以提高气动马达的输出功率。气动马达1单独工作、气动马达2单独工作和两个气动马达并联工作时的最大输出功率约为620 W、650 W和820 W。图8为转速对气动马达耗气率的影响情况。整体上，气动马达的耗气率随着转速的升高先缓慢增大，当转速超过某一值时，则呈现出急剧增大的趋势。气动马达单独工作时的耗气率大于气动马达并联工作时的耗气率。采用气动马达并联工作模式，可以降低气动马达的耗气率，从而提高了气动马达的经济性。为了提高气动马达的经济性，应该尽可能避免气动马达在高转速工况下运行。8009001000110012001300140015001600170085170255340425510595680765850 PM-1 PM-2 PM-p-1 PM-p-2 PM-p-1-2气动马达输出功率/W转速/(r/min)pr=10.5 bar图7转速对气动马达输出功率的影响情况Fig.7Effect of rotation speed on power output of pneumatic motor12345678910 114080120160200240280320pr=6 bar f rpr=7 bar f rpr=8 bar f rpr=9 bar f rpr=10 bar f r发电机输出功率/W电流/A图6电流对发电机输出功率的影响情况Fig.6Effect of current on power output of generation900 1000 1100 1200 1300 1400 15000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2pr=6 bar frpr=7 bar f rpr=8 bar f rpr=9 bar f rpr=10 bar f r气动马达耗气率/(g/J)转速/(r/min)图5转速对气动马达耗气率的影响情况Fig.5Effect of rotation speed on air consumption rate of pneumatic motor900 1000 1100 1200 1300 1400 150050100150200250300350400450500550600650pr=6 barfrpr=7 barfrpr=8 barfrpr=9 barfrpr=10 barfr气动马达的输出功率/W转速/(r/min)图4转速对气动马达输出功率的影响情况Fig.4Effect of speed on output power of pneumatic motor1858第 6 期许永红等：基于气动马达的微型压缩空气储能系统的试验研究图9为转速对发电机输出功率的影响情况。发电机输出功率随着转速的升高先呈现出增大的趋势，当增大到最大值后又呈现出降低的趋势。针对单个气动马达而言，气动马达单独工作时所对应的发电机输出功率大于气动马达并联时所对应的发电机输出功率。采用气动马达并联工作时，两个发电机输出功率之和明显大于单个发电机输出功率。图10为电流对气动马达效率的影响情况。气动马达效率随着电流的增大呈现出先增大后趋于平缓的变化趋势。气动马达并联工作时的效率大于气动马达单独工作时的效率。采用气动马达并联的工作模式，可以提高气动马达的效率。图11为电流对发电机效率的影响情况。总体来说，发电机的效率随着电流的增大呈现出降低的趋势。2.3气动马达并联压缩模式对CAES系统的影响情况图12为储气罐压力对压缩机所受到的扭矩的影响情况。压缩机的扭矩随着储气罐压力的增大呈现出线性增长的趋势。这是因为随着储气罐压力的增大，压缩机出口处的背压增大，压缩机需要更大的扭矩才能产生更高压力的空气。当储气罐压力相同时，压缩机的扭矩值随着转速的升高而增大。压缩机1和压缩机2的扭矩值曲线随着储气罐压力的变化表现出相同的变化趋势。压缩机1和压缩机2是两个型号完全相同的压缩机，采用完全相同的采集系统，造成压缩机1和压缩机2的差异的原因是压缩机1和压缩机2本身存在性能差异。1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.80.51.01.52.02.53.03.54.04.5细实线点：压缩机1短虚线点：压缩机2 450 r/min 750 r/min 1050 r/min 1350 r/min 1650 r/min 1950 r/min 2250 r/min 2550 r/min 2850 r/min扭矩/(Nm)储气罐压力/bar图12储气罐压力对扭矩的影响情况Fig.12Variation of torque with air tank pressure1234567891024303642485460667278849096 PM-1PM-2 PM-p-1PM-p-2发电机效率/%电流/Apr=7.5 bar图11电流对发电机效率的影响情况Fig.11Effect of current on generator efficiency80090010001100120013001400150016001700050100150200250300350400450500550PM-1 PM-2 PM-p-1 PM-p-2 PM-p-1-2发电机输出功率/W转速/(r/min)pr=10.5 bar图9转速对发电机输出功率的影响情况Fig.9Influence of rotation speed on power output of generator123456789100.61.21.82.43.03.64.24.85.46.0 PM-1PM-2 PM-p-1PM-p-2气动马达效率/%电流/Apr=7.5 bar图10电流对气动马达效率的影响情况Fig.10Effect of current on PM efficiency800900100011001200130014001500160017000.10.20.30.40.50.60.70.80.9 PM-1PM-2 PM-p-1PM-p-2气动马达耗气率/(g/J)转速/(r/min)pr=10.5 bar图8转速对气动马达耗气率的影响情况Fig.8Effect of rotation speed on compressed air consumption rate of pneumatic motor18592023 年第 12 卷储能科学与技术图13为压缩机耗功随着储气罐压力的变化情况。总的来说，压缩机的耗功随着储气罐压力的增大呈现出线性增大的趋势。当储气罐的压力相同时，压缩机耗功随着转速的升高而增大。压缩机1和压缩机2的耗功随着储气罐压力的变化呈现出基本相同的变化趋势。当储气罐压力从1.4 bar增加到2.0 bar时，在转速分别为450 r/min和2850 r/min时的情况下，压缩机1的耗功分别从60 W增加到108.7 W和从677.7 W增加到935.6 W。当储气罐压力为2.6 bar，转速为2850 r/min时，压缩机2的耗功达到最大值，约为1233.1 W。2.4气动马达和发电机的map图图14为气动马达输出功率的map图。气动马达的高功率区域主要落在大扭矩和中高转速区域。气动马达的低功率区域主要落在小扭矩区域。在气动马达的低功率区，当扭矩变化不大而转速变化较大时，气动马达的输出功率变化比较小。为了提高气动马达的输出功率，应该尽量让气动马达的扭矩和转速落在中等偏上的区域。图15为发电机输出功率的map图。发电机高功率区域主要集中在中等扭矩和中等转速区域。最内层的曲线对应发电机的高功率运行区域。发电机输出功率map图的纵向较长，这表示发电机在转速变化不大而扭矩变化比较大的工况下工作时，发电机的输出功率变化比较小。发电机输出功率map图的横向比较短，这表示发电机在转速变化较大而扭矩变化不大时，发电机输出功率变化比较大。3 结论（1）气动马达正转时的输出功率均大于气动马达反转时的输出功率，气动马达正转时的耗气率均低于气动马达反转时的耗气率，表明气动马达正转时具有更好的经济性。气动马达正反转时最大输出功率约为600 W和575 W。（2）采用气动马达并联的工作模式，可以提高气动马达的输出功率，也可以降低气动马达的耗气率，从而提高了气动马达的经济性。气动马达 1单独工作、气动马达2单独工作和两个气动马达并联工作时的最大输出功率约为620 W、650 W和820 W。（3）气动马达正转时所对应的发电机输出功率大于气动马达反转时所对应的发电机输出功率。采用气动马达并联工作时，两个发电机输出功率之和明显大于单个发电机输出功率。气动马达正反转时所对应的发电机的最大输出功率约为305 W和293 W。（4）气动马达的高功率区域主要落在大扭矩和1.21.41.61.82.02.22.42.60130260390520650780910104011701300 450 r/min 750 r/min 1050 r/min 1350 r/min 1650 r/min 1950 r/min 2250 r/min 2550 r/min 2850 r/min压缩机的耗功/W储气罐压力/bar细实线点：压缩机1短虚线点：压缩机2图13并联模式下压缩机耗功随着储气罐压力的变化情况Fig.13Change of compressor power consumption with the pressure of air tank in parallel mode图15发电机输出功率的mapFig.15Map of power output of generator图14气动马达输出功率的mapFig.14Map of pneumatic motor power output1860第 6 期许永红等：基于气动马达的微型压缩空气储能系统的试验研究中高转速区域，发电机的高功率区域主要集中在中等扭矩和中等转速区域。参 考 文 献1 陈海生,李泓,马文涛,等.2021年中国储能技术研究进展J.储能科学与技术,2022,11(3):1052-1076.CHEN H S,LI H,MA W T,et al.Research progress of energy storage technology in China in 2021J.Energy Storage Science and Technology,2022,11(3):1052-1076.2 TER-GAZARIAN A.Energy storage for power systemsM.Stevenage:IET,1994.3 程浙武.低温绝热压缩空气储能系统变工况性能分析及设计优化研究D.杭州:浙江大学,2019.CHENG Z W.Performance analysis and design optimization of low temperature adiabatic compressed air energy storage system under off-design conditionsD.Hangzhou:Zhejiang University,2019.4 刘文毅.压缩空气蓄能(CAES)电站热力性能仿真分析D.北京:华北电力大学(北京),2008.LIU W Y.Simulation analysis of thermal performance of compressed air energy storage(CAES)power stationD.Beijing:North China Electric Power University(Beijing),2008.5 张远,杨科,李雪梅,等.先进绝热压缩空气储能的冷热电输出特性研究J.热能动力工程,2013,28(2):134-138,215.ZHANG Y,YANG K,LI X M,et al.Study on cold,heat and power output characteristics of advanced adiabatic compressed air energy storageJ.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2013,28(2):134-138,215.6 薛皓白,张新敬,陈海生,等.微型压缩空气储能系统释能过程分析J.工程热物理学报,2014,35(10):1923-1929.XUE H B,ZHANG X J,CHEN H S,et al.Analysis of energy release process of micro-compressed air energy storage systemsJ.Journal of Engineering Thermophysics,2014,35(10):1923-1929.7 梅生伟,李瑞,陈来军,等.先进绝热压缩空气储能技术研究进展及展望J.中国电机工程学报,2018,38(10):2893-2907,3140.MEI S W,LI R,CHEN L J,et al.An overview and outlook on advanced adiabatic compressed air energy storage techniqueJ.Proceedings of the 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