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摘 要 壓縮二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)作為一種新型的壓縮氣體儲(chǔ)能技術(shù)，具有儲(chǔ)能密度大、經(jīng)濟(jì)成本低、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、負(fù)碳排放等多方面優(yōu)勢(shì)，適合我國大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的需求，具有非常廣闊的發(fā)展前景。本文對(duì)比分析了壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)相比于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，梳理了壓縮二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)的分類，其中詳細(xì)介紹了跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)、超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)和液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行原理、系統(tǒng)性能以及適用場(chǎng)景等方面特點(diǎn)，闡述了系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律以及系統(tǒng)?損分布情況，得出系統(tǒng)性能的提升方法，進(jìn)一步介紹了壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的改進(jìn)系統(tǒng)以及耦合其他外部能源系統(tǒng)的壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)性能的提升效果，最后分析了壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展方向。本文旨在總結(jié)當(dāng)前壓縮二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)研究成果，指出現(xiàn)有壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)學(xué)者研究壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)指引方向，也為壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及示范的建立提供參考。
關(guān)鍵詞 壓縮二氧化碳儲(chǔ)能；儲(chǔ)能技術(shù)；系統(tǒng)性能
能源是推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最重要?jiǎng)恿χ?。化石能源的短缺及其造成的環(huán)境污染嚴(yán)重影響了全球經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。在此背景下，大力發(fā)展可再生能源、構(gòu)建低碳可持續(xù)能源體系已經(jīng)成為我國能源行業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，可再生能源的規(guī)?；l(fā)展也成為人類面對(duì)能源危機(jī)下能源轉(zhuǎn)型的核心目標(biāo)和應(yīng)對(duì)全球變暖的重要舉措。
目前，我國能源呈現(xiàn)以化石能源為主、多能互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)，其中煤炭消費(fèi)總量占一半以上。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)，截至2022年底，我國總發(fā)電裝機(jī)容量中燃煤發(fā)電占比43.8%，可再生能源占比為47.3%，如圖1所示。近年來，我國正在加快城市化進(jìn)程，預(yù)計(jì)需要兩倍的發(fā)電裝機(jī)容量來保障未來四十年的電力供應(yīng)。在傳統(tǒng)化石能源的短缺和全球氣候變暖的雙重壓力下，化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)需要向非化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，大力發(fā)展可再生能源是保持“雙碳”目標(biāo)下經(jīng)濟(jì)高速健康發(fā)展的重要技術(shù)路徑，而風(fēng)能和太陽能憑借其龐大的現(xiàn)有資源成為可再生能源利用的首選。如圖2所示，截至2021年底，我國可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到10.63億千瓦，占總發(fā)電裝機(jī)容量的44.8%，其中，風(fēng)電和光伏發(fā)電裝機(jī)容量分別達(dá)到3.28億千瓦和3.06億千瓦，預(yù)計(jì)2030年我國風(fēng)電光伏裝機(jī)容量將超過12億千瓦。可再生能源的發(fā)展已經(jīng)成為不可阻擋的趨勢(shì)，其將代替化石能源成為新的主力。
圖2 2016—2021年可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量
可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定、不連續(xù)在并網(wǎng)過程中對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生巨大沖擊，危及電網(wǎng)安全。目前主要通過配置備用電力緩解電源壓力，維持電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行。數(shù)據(jù)表明電網(wǎng)每增加100 MW，備用電力需要增加約200 MW，備用電力通常包括常規(guī)發(fā)電裝置或儲(chǔ)能系統(tǒng)。常規(guī)發(fā)電裝置作為備用電力不僅消耗了大量能源，而且在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，也造成了備用機(jī)組的閑置。儲(chǔ)能系統(tǒng)在用電低谷利用儲(chǔ)能裝置將電能轉(zhuǎn)化為其他能量?jī)?chǔ)存起來；在用電高峰期將儲(chǔ)存能量釋放轉(zhuǎn)化為電能對(duì)外輸出。應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效解決用電高峰供電匱乏，減少電網(wǎng)的供電壓力，起到削峰填谷的作用，而且儲(chǔ)能過程對(duì)可再生能源發(fā)電機(jī)組出力曲線進(jìn)行調(diào)整，降低自身發(fā)電隨機(jī)性和不可控性給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免了常規(guī)發(fā)電裝置作為備用電力的額外能源消耗。在電網(wǎng)正常工作時(shí)，還可以利用峰谷電價(jià)差為電站創(chuàng)造額外收益。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)被認(rèn)為是解決電力系統(tǒng)調(diào)峰最有效的方法之一。
儲(chǔ)能系統(tǒng)具有提高常規(guī)發(fā)電、輸電安全性和經(jīng)濟(jì)性的作用，也是滿足可再生能源大規(guī)模接入的重要手段。現(xiàn)階段的系統(tǒng)裝機(jī)容量分布如圖3所示，這些儲(chǔ)能技術(shù)由于成本、容量、安全、能量密度以及環(huán)境因素等原因，只有抽水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能得以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)、大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。目前，抽水儲(chǔ)能因其70%～85%的高儲(chǔ)能效率在世界上占據(jù)了主導(dǎo)地位。據(jù)估計(jì)，全球該系統(tǒng)的裝機(jī)容量約為165 GW。但抽水儲(chǔ)能與傳統(tǒng)的壓縮空氣儲(chǔ)能因?qū)Φ乩項(xiàng)l件要求高、儲(chǔ)能密度低、建設(shè)周期長(zhǎng)等問題，不滿足當(dāng)前我國儲(chǔ)能發(fā)展的需要。近年來，研究人員針對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)作出改進(jìn)，提出了絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(adiabatic compressed air energy storage system，A-CAES)、液態(tài)空氣儲(chǔ)能(liquid air energy storage system，LAES)以及超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能(super-critical compressed air energy storage system，S-CAES)，提高儲(chǔ)能密度和系統(tǒng)效率，在一定程度上減少地理?xiàng)l件的限制。但由于空氣自身物理性質(zhì)的局限性，其超臨界態(tài)壓力和液化壓力較高且液化溫度較低，無論是空氣還是蓄冷材料都存在儲(chǔ)存難度大的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)在設(shè)計(jì)選型以及熱量匹配上與實(shí)際情況差距明顯，很難實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能效率、儲(chǔ)能密度以及建設(shè)可行性上的同步提升，從而限制了系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。
圖3 全球儲(chǔ)能技術(shù)裝機(jī)容量占比
有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，與空氣的臨界條件(-141 ℃，3.77 MPa)相比，二氧化碳的臨界條件(31.3 ℃，7.38 MPa)更容易實(shí)現(xiàn)，并且超臨界二氧化碳具有黏度低和密度高等良好的熱物理性質(zhì)，采用小且簡(jiǎn)單的葉輪機(jī)械和傳熱單元即可完成儲(chǔ)能。同時(shí)，二氧化碳在工程應(yīng)用中具有良好的熱穩(wěn)定性、無毒性、無易燃性、零消耗臭氧等潛在環(huán)保特性。因此提出將二氧化碳替代空氣作為壓縮氣體儲(chǔ)能的介質(zhì)，在壓縮氣體儲(chǔ)能中利用二氧化碳代替空氣不僅可以提高系統(tǒng)性能，也為大規(guī)模利用二氧化碳提供了可能和方便。以二氧化碳為工質(zhì)的儲(chǔ)能技術(shù)是一種很有前景的新型大規(guī)模儲(chǔ)能方案，也是最有前途的二氧化碳工質(zhì)化利用方法之一，近年來逐步受到研究人員的關(guān)注，目前已開展了一系列系統(tǒng)性的理論研究、軟件模擬和初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
1 壓縮二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)原理
壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)(compressed carbon dioxide energy storage，CCES)的工作原理如圖4所示。在儲(chǔ)能階段，富裕的電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)得到高溫高壓的二氧化碳，高溫高壓二氧化碳在冷卻器通過介質(zhì)帶走熱量將其冷卻，并將熱量?jī)?chǔ)存到儲(chǔ)熱罐，換熱后的二氧化碳進(jìn)入高壓二氧化碳儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存；釋能時(shí)，高壓二氧化碳被來自儲(chǔ)熱罐中的高溫介質(zhì)加熱，換熱后的介質(zhì)進(jìn)入儲(chǔ)冷罐儲(chǔ)存，高溫高壓二氧化碳驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)透平做功，對(duì)外輸出電能，做功后的二氧化碳重新回到低壓儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
圖4 二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖
CCES系統(tǒng)的工作周期一般以天為單位，在用電低谷時(shí)儲(chǔ)能，用電高峰釋能，儲(chǔ)釋能時(shí)間比采用多比一的方式，以減少壓縮階段設(shè)備成本。與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)受地理?xiàng)l件影響小，工質(zhì)易獲取，工況穩(wěn)定，可按需自由切換充放電狀態(tài)，成本低且效率高，項(xiàng)目建設(shè)周期不到2年，卻有長(zhǎng)達(dá)30年的使用壽命，且循環(huán)效率可保持在60%以上。此外，二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)具有廣泛的功率等級(jí)、環(huán)境適應(yīng)性和較低的建設(shè)成本，在大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能上有很高的經(jīng)濟(jì)性，特別適用于MW級(jí)和GW級(jí)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可與太陽能、風(fēng)電等新能源配套，有效克服其發(fā)電波動(dòng)性和間歇性的弊端，也可與火電機(jī)組配套使用，作為火電靈活調(diào)峰運(yùn)行時(shí)的功率補(bǔ)償，大幅提升機(jī)組調(diào)峰能力和能量綜合利用效率，還可與二氧化碳捕集與封存系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)二氧化碳回收利用處理一體化，具有廣闊應(yīng)用前景，有望成為支撐我國“雙碳”目標(biāo)達(dá)成的關(guān)鍵力量之一。
壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)是基于絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)提出的，對(duì)于壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)性能研究同樣要參考?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，于是有學(xué)者將壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)與壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行性能對(duì)比分析。韓中合等在恒溫與恒壁溫儲(chǔ)氣的方式下對(duì)比CCES系統(tǒng)和CAES系統(tǒng)性能，研究表明在基本參數(shù)不變的情況下，CCES系統(tǒng)比CAES系統(tǒng)具有更高的儲(chǔ)能效率和?效率。對(duì)此，Zhang等提出了一種高壓側(cè)液化儲(chǔ)氣的新型壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖5所示，與液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)(LCES)和先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(AA-CAES)性能進(jìn)行對(duì)比，該CCES系統(tǒng)的效率低于AA-CAES系統(tǒng)但比LCES系統(tǒng)高4.05%，而LCES系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度遠(yuǎn)高于其他兩系統(tǒng)，AA-CAES儲(chǔ)能密度最低，三個(gè)系統(tǒng)性能對(duì)比結(jié)果見表1。在二氧化碳儲(chǔ)存方面，喻浩和Li等對(duì)比分析了利用含水層儲(chǔ)氣的壓縮空氣儲(chǔ)能和壓縮二氧化碳儲(chǔ)能的系統(tǒng)性能，結(jié)果表明CCES系統(tǒng)在儲(chǔ)存壓力和儲(chǔ)存空間上均小于CAES系統(tǒng)，具有較高的儲(chǔ)存安全性，同時(shí)在儲(chǔ)能效率方面，CCES系統(tǒng)在運(yùn)行過程中壓力在含水層中擴(kuò)散損失較小，平均效率遠(yuǎn)高于CAES系統(tǒng)。
圖5 CCES系統(tǒng)示意圖
表1 儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)比表
上述研究中對(duì)比了CCES系統(tǒng)、LCES系統(tǒng)、AA-CAES系統(tǒng)以及傳統(tǒng)CAES系統(tǒng)的系統(tǒng)性能，結(jié)果都表明以二氧化碳作為循環(huán)工質(zhì)的壓縮氣體儲(chǔ)能相比于壓縮空氣儲(chǔ)能在保證儲(chǔ)能效率的同時(shí)，在儲(chǔ)能密度、儲(chǔ)能安全性和儲(chǔ)能成本上都有較大優(yōu)勢(shì)，并且基于天然儲(chǔ)氣室的儲(chǔ)存方式，二氧化碳儲(chǔ)能更加穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)的高效儲(chǔ)能，對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)能電站的建設(shè)具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。在二氧化碳充足的條件下，CCES系統(tǒng)是較好的選擇。
2 壓縮二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)分類
根據(jù)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)過程中二氧化碳狀態(tài)不同可分為跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)、超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)以及液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)。
2.1 跨臨界和超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)
劉輝明確了超臨界和跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能的定義，當(dāng)膨脹機(jī)組出口二氧化碳的壓力低于臨界壓力時(shí)，該儲(chǔ)能系統(tǒng)為跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)(trans-critical compress carbon dioxide energy storage system，TC-CCES)，當(dāng)膨脹機(jī)組出口處二氧化碳溫度和壓力高于臨界溫度和壓力時(shí)，該儲(chǔ)能系統(tǒng)為超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)(supercritical compress carbon dioxide energy storage system，SC-CCES)，如圖6、7所示?？缗R界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)中由于低壓側(cè)壓力較低，系統(tǒng)采用多級(jí)壓縮和級(jí)間冷卻的方式減少壓縮機(jī)組的功耗。同樣在釋能過程中采用多級(jí)膨脹做功和級(jí)間再熱提高膨脹機(jī)做功。而超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)在整個(gè)循環(huán)過程中二氧化碳工質(zhì)始終處于超臨界狀態(tài)，導(dǎo)致其壓比和膨脹比設(shè)置較小，采用單級(jí)壓縮和膨脹即可實(shí)現(xiàn)，其他過程與跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)相同。
圖6 TC-CCES系統(tǒng)示意圖
圖7 SC-CCES系統(tǒng)示意圖
由于二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)高壓側(cè)壓力較高，因此高壓二氧化碳儲(chǔ)存對(duì)于容器材料具有更高的要求，為了降低系統(tǒng)成本，何青等使用兩個(gè)不同深度的天然鹽水含水層作為高低壓儲(chǔ)氣室建立二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)，將二氧化碳封存與儲(chǔ)能相結(jié)合，同時(shí)利用化石燃料來加熱排放的氣體，該系統(tǒng)可以在超臨界和跨臨界條件下工作，如圖8所示。結(jié)果表明，跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)比超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更高的儲(chǔ)能效率以及更大的儲(chǔ)能密度，兩種系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度都高于CAES，在給定功率下的儲(chǔ)能容量方面具有優(yōu)勢(shì)。Zhang等重點(diǎn)研究了超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)與跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能差異，如圖9、10所示。通過計(jì)算得出在跨臨界運(yùn)行條件下，儲(chǔ)能效率為60%，能量密度為2.6 kWh/m3；在典型的超臨界工況下，能量密度為23 kWh/m3，儲(chǔ)能效率可達(dá)到71%，遠(yuǎn)高于跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)。
圖8 基于地下儲(chǔ)氣室的壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖
圖9 跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)
圖10 超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)
從跨臨界和超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)性能研究可得到不同的結(jié)論，這主要由于研究人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上存在較大差異，Zhang等提出的系統(tǒng)與傳統(tǒng)CCES系統(tǒng)(圖6、7)不同，該系統(tǒng)跨臨界循環(huán)低壓側(cè)采用液態(tài)儲(chǔ)存，超臨界循環(huán)低壓側(cè)采用超臨界態(tài)儲(chǔ)存，導(dǎo)致跨臨界系統(tǒng)在運(yùn)行過程中低壓側(cè)需要增加液化再氣化過程，增加了外部能量的輸入，雖提高了跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度，也導(dǎo)致兩系統(tǒng)間的儲(chǔ)能效率差距較大。但從該研究中得到的結(jié)論可知，在氣態(tài)儲(chǔ)存且膨脹機(jī)的膨脹比和進(jìn)口溫度相同條件下，超臨界二氧化碳系統(tǒng)的膨脹機(jī)輸出功受二氧化碳進(jìn)口溫度影響更大，相比于同條件下的跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)膨脹機(jī)輸出功更小，同理，跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓縮機(jī)做功也小于超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮機(jī)做功。從而在系統(tǒng)儲(chǔ)能效率上，跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)與超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)不存在絕對(duì)的優(yōu)劣關(guān)系，但跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能由于低壓側(cè)二氧化碳?jí)毫^低，采用多級(jí)壓縮和多級(jí)膨脹過程有效減少單機(jī)壓縮和單機(jī)膨脹下大壓差運(yùn)行造成的能量損失，有助于大規(guī)模系統(tǒng)的運(yùn)行。而超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)雙側(cè)儲(chǔ)罐壓力較高，高壓側(cè)儲(chǔ)存壓力受系統(tǒng)安全性限制提升難度較大，壓比較小，導(dǎo)致壓縮和膨脹過程中功率的輸入輸出受限，影響儲(chǔ)能效率的提高。因此在相同系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件下，選擇跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更好的發(fā)展?jié)摿Α?
2.2 液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)
雖然壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)相較于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能密度上有較大的提高，但仍不能滿足大規(guī)模儲(chǔ)能電站建設(shè)需求，且系統(tǒng)需要很大并能承受高壓的儲(chǔ)存空間。由于二氧化碳液化難度較低，且液化后低壓側(cè)密度提升大，有學(xué)者提出LCES系統(tǒng)，將儲(chǔ)釋能階段的CO2均以液態(tài)形式儲(chǔ)存，極大提高系統(tǒng)儲(chǔ)能密度，降低存儲(chǔ)容積，不受地理?xiàng)l件限制，顯著降低制造成本，提高二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性和可行性。
如圖11所示，LCES系統(tǒng)在高壓側(cè)和低壓側(cè)均采用液態(tài)二氧化碳形式儲(chǔ)存。儲(chǔ)能階段，液態(tài)二氧化碳利用蓄冷器吸收氣化過程釋放的冷量，經(jīng)過多級(jí)壓縮和級(jí)間冷卻過程得到超臨界二氧化碳，利用液化裝置使超臨界二氧化碳液化儲(chǔ)存在液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)罐中；釋能階段，高壓液態(tài)二氧化碳利用氣化裝置氣化為超臨界二氧化碳，經(jīng)過多級(jí)膨脹和級(jí)間加熱過程對(duì)外輸出電能，做功后的低壓氣態(tài)二氧化碳經(jīng)過蓄冷器冷卻液化，重新儲(chǔ)存到液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)罐中，等待下一個(gè)循環(huán)。
圖11 液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖
為了保證低壓側(cè)和高壓側(cè)的二氧化碳實(shí)現(xiàn)液化，高壓側(cè)二氧化碳在超臨界狀態(tài)下，液化溫度均在常溫以上，液化和氣化難度較低，采用常溫區(qū)內(nèi)的冷熱量即可實(shí)現(xiàn)較高的相態(tài)轉(zhuǎn)化率。而低壓側(cè)二氧化碳液化所需冷量溫度均處于零下，換熱條件苛刻，實(shí)現(xiàn)難度大。在不額外增加制冷設(shè)備的情況下，有學(xué)者提出采用節(jié)流閥調(diào)節(jié)低壓側(cè)二氧化碳出口壓力，進(jìn)一步降低二氧化碳溫度，并將該部分冷量回收用于膨脹機(jī)出口二氧化碳的液化，該方法雖然提高了壓縮過程的總壓比，增加壓縮機(jī)總功耗，但可有效解決蓄冷換熱過程能量匹配不均的問題。
Wang等為了進(jìn)一步減少儲(chǔ)存工質(zhì)的容積，提出了一種LCES系統(tǒng)，如圖12所示，并增加了一個(gè)有機(jī)朗肯循環(huán)利用渦輪排氣的余熱，整個(gè)系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率可達(dá)到56%，儲(chǔ)能密度36.12 kWh/m3。為了提高系統(tǒng)熱效率，Wang等又提出了一種改進(jìn)的系統(tǒng)。在這個(gè)改進(jìn)的系統(tǒng)中，蓄熱單元采用了以小鵝卵石為介質(zhì)的填充床蓄熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)導(dǎo)熱油，大大提高了系統(tǒng)的傳熱效率，系統(tǒng)儲(chǔ)能效率達(dá)到56.67%。
圖12 耦合朗肯循環(huán)的LCES原理圖
Wu等將提出的新型液體二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)(LLTC-CCES)與跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)(LSTC-CCES)進(jìn)行對(duì)比研究，采用冷凝器液化高壓儲(chǔ)罐中的二氧化碳，并增加增壓泵，在能量釋放過程中靈活調(diào)節(jié)渦輪進(jìn)口壓力，如圖13、14所示。多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果表明，該系統(tǒng)的往返效率和儲(chǔ)能密度為61.54%、21.81 kWh/m3，分別比LSTC-CCES系統(tǒng)低1.41%、高19.19倍，表明LLTC-CCES系統(tǒng)相比于跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)在損失較小儲(chǔ)能效率的前提下，得到了儲(chǔ)能密度的巨大提升，因此，具有更好的平衡性能。Liu等對(duì)LAES系統(tǒng)和LCES系統(tǒng)進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)LCES系統(tǒng)具有更高的效率，在相同儲(chǔ)存壓力下，二氧化碳可以達(dá)到更低的儲(chǔ)存溫度，在相同的冷凝壓力下可以獲得更高的冷凝溫度，有利于LCES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。
圖13 LSTC-CCES系統(tǒng)原理圖
圖14 LLTC-CCES系統(tǒng)原理圖
液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)增加了二氧化碳液化和氣化過程，需要更大的冷量以及更優(yōu)的熱量匹配方式。如圖15所示，吳毅等利用蓄冷罐有效吸收低壓液態(tài)二氧化碳冷能，用來液化膨脹機(jī)出口二氧化碳，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析，得到了系統(tǒng)效率最優(yōu)解50.4%，儲(chǔ)能密度21.7 kWh/m3。同時(shí)該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)定壓存儲(chǔ)，利用增壓泵和空溫氣化器將儲(chǔ)罐中部分液態(tài)二氧化碳?xì)饣瑲饣蠖趸贾匦逻M(jìn)入儲(chǔ)罐中增加儲(chǔ)罐內(nèi)氣體壓力，通過控制二氧化碳?xì)饣烤S持儲(chǔ)罐內(nèi)壓力恒定，實(shí)現(xiàn)液態(tài)二氧化碳定壓輸出。
圖15 液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖
液態(tài)二氧儲(chǔ)能系統(tǒng)的提出有效解決了壓縮氣體儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存空間大的問題，在對(duì)儲(chǔ)能效率有較小影響的前提下，大大提高了系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度，并且在儲(chǔ)釋能階段均可實(shí)現(xiàn)液態(tài)二氧化碳產(chǎn)品的輸出以及低溫液態(tài)二氧化碳對(duì)外供冷的效果。但在低壓側(cè)液化問題上，在研究設(shè)計(jì)中普遍采用蓄冷器，通過相變材料將冷量?jī)?chǔ)存和釋放實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)進(jìn)口二氧化碳的氣化和液化。該流程在系統(tǒng)模擬分析中多采用換熱器模塊替換，但由于相變過程蓄冷介質(zhì)溫度不變，且相變負(fù)荷較大，導(dǎo)致冷熱流體換熱溫度交叉，成為限制該方案實(shí)施的關(guān)鍵問題。
3 二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)改進(jìn)及優(yōu)化
3.1 二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的改進(jìn)
由于二氧化碳的壓縮過程中采用多級(jí)壓縮降低各級(jí)壓縮機(jī)壓縮比，并通過級(jí)間冷卻降低排氣溫度，同樣，在膨脹過程中采用多級(jí)膨脹與級(jí)間加熱過程降低各級(jí)膨脹比以及提高膨脹機(jī)進(jìn)口二氧化碳溫度。在二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)中，由于壓縮和膨脹過程的不同步性，可以通過熱能儲(chǔ)存(TES)技術(shù)對(duì)儲(chǔ)能過程中的壓縮熱采用儲(chǔ)熱介質(zhì)(如導(dǎo)熱油或水)在絕熱儲(chǔ)罐中進(jìn)行存儲(chǔ)，在釋能過程從膨脹機(jī)級(jí)間釋放。該方式不僅可以減少系統(tǒng)的整體能耗，且可以提高系統(tǒng)輸出功率。壓縮氣體儲(chǔ)能與熱能儲(chǔ)存技術(shù)相結(jié)合是目前研究中最先進(jìn)的配置之一。
換熱過程中二氧化碳具有較高的流速和壓力，導(dǎo)致?lián)Q熱器能效始終處于低水平狀態(tài)，因此需要增加回?zé)嵫b置實(shí)現(xiàn)多品位熱量的充分利用。Sun等提出了一種將顯熱和潛熱分開存儲(chǔ)的新型低壓液體二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖16所示，顯熱冷能和潛熱冷能分別儲(chǔ)存在甲醇和相變材料中，通過分級(jí)冷卻使膨脹做功后的二氧化碳液化。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在高溫環(huán)境下運(yùn)行，并且有較低的存儲(chǔ)壓力。對(duì)該系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行熱力學(xué)研究，結(jié)果表明，系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率為51.45%，儲(chǔ)能密度為22.21 kWh/m3。同時(shí)，將該LCES系統(tǒng)與Zhang等提出的CCES(系統(tǒng)A)和Wang等提出的LCES(系統(tǒng)B)進(jìn)行比較。新系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度是系統(tǒng)A的2.75倍，更重要的是，系統(tǒng)B不適用于高環(huán)境溫度，在高溫度(750 K)運(yùn)行可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)組件、材料和潤(rùn)滑劑產(chǎn)生影響。同時(shí)，系統(tǒng)A、B的二氧化碳存儲(chǔ)壓力較高，導(dǎo)致對(duì)組件材料的要求較高。相比之下，新提出的LCES系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性及環(huán)境適應(yīng)能力上都具有較大的優(yōu)勢(shì)。
圖16 帶有低壓存儲(chǔ)器的LCES系統(tǒng)示意圖
Tang等提出了一種帶熱源的改進(jìn)液體二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖17、18所示，其中設(shè)計(jì)了一種含冰的二氧化碳液化方案和改進(jìn)的回?zé)崞鞑季?。由于系統(tǒng)引用外部高品位熱源，僅采用一級(jí)換熱產(chǎn)生了大量的熱量浪費(fèi)，改進(jìn)后的循環(huán)將原有的一次加熱分為加熱和再加熱兩個(gè)階段，采用高溫和低溫回?zé)崞?、高溫和低溫加熱器?shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用，提高熱量的利用效率。為了限制兩股流混合過程中產(chǎn)生的額外散熱，高壓儲(chǔ)罐出口的超臨界二氧化碳被分成兩股流分別由低溫回?zé)崞骱偷蜏丶訜崞骷訜?。?duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)模型分析及多目標(biāo)優(yōu)化，結(jié)果表明，改進(jìn)后的回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)通過回收更多的渦輪機(jī)排氣熱量，提高了系統(tǒng)性能，相對(duì)成本差降低了6.86%，優(yōu)化后的儲(chǔ)能系統(tǒng)效率達(dá)到了68.79%。
圖17 基本循環(huán)的原理圖
圖18 改進(jìn)后的系統(tǒng)原理圖
3.2 二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)敏感性分析
二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)采用閉式循環(huán)，絕大多數(shù)環(huán)節(jié)的運(yùn)行參數(shù)都由上一環(huán)節(jié)決定，但仍存在一些獨(dú)立參數(shù)，改變這些參數(shù)會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，主要的獨(dú)立參數(shù)包括：壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的絕熱效率、儲(chǔ)能壓力、釋能壓力、節(jié)流閥壓降、壓縮機(jī)進(jìn)口壓力等。其中儲(chǔ)能壓力為系統(tǒng)高壓儲(chǔ)氣室壓力，釋能壓力為高壓儲(chǔ)氣室出口二氧化碳經(jīng)過節(jié)流閥降壓后的壓力，即第一級(jí)膨脹機(jī)進(jìn)口壓力，節(jié)流閥壓降主要包括液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)低壓液態(tài)出口氣化節(jié)流壓降，以及高壓二氧化碳儲(chǔ)氣室出口節(jié)流壓降。
在探究壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)中獨(dú)立參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響中，學(xué)者們逐漸明晰了這些獨(dú)立參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，主要包括：隨著壓縮機(jī)絕熱效率的提高，系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率不斷增加，儲(chǔ)能密度不斷減??；隨著膨脹機(jī)絕熱效率的提高，系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率逐漸增大，儲(chǔ)能密度也不斷增大；隨著儲(chǔ)能壓力的增加，系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率不斷減小，儲(chǔ)能密度不斷增加；隨著釋能壓力的增加，儲(chǔ)能效率不斷增加；隨著壓縮機(jī)進(jìn)口壓力的增加，系統(tǒng)的效率先增大后減??；在保證壓縮機(jī)進(jìn)口壓力的前提下低壓液態(tài)儲(chǔ)罐出口的節(jié)流閥壓降增加，導(dǎo)致系統(tǒng)效率減??；而高壓儲(chǔ)氣室出口節(jié)流閥壓降的增加也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)儲(chǔ)能效率的降低。
在關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)性能影響規(guī)律的研究中，大部分學(xué)者對(duì)相同參數(shù)研究的結(jié)論基本一致，但少部分由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同導(dǎo)致出現(xiàn)了不同的結(jié)果。如Zhang等對(duì)提出的液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的敏感性分析表明，隨著儲(chǔ)能壓力和壓縮機(jī)進(jìn)口壓力的增加，系統(tǒng)效率和?效率先上升后下降。而系統(tǒng)中增壓泵的出口壓力對(duì)系統(tǒng)效率和?效率的影響不大。得出和前文不同結(jié)論的主要原因是在液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能過程中，高壓側(cè)液態(tài)二氧化碳?xì)饣枰捎帽眉訅?，即?chǔ)能壓力增加時(shí)，釋能壓力保持不變，壓縮機(jī)功耗增加而泵功耗降低，因而存在最佳儲(chǔ)能壓力使系統(tǒng)儲(chǔ)能效率最大。
在研究?jī)?chǔ)能壓力和壓縮機(jī)進(jìn)口壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響過程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中各級(jí)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的壓比分配同樣影響系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率。Lu等通過分配關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的壓力提出各級(jí)壓比和膨脹比最佳分配方法，來提高系統(tǒng)的循環(huán)效率(RTE)。研究發(fā)現(xiàn)在總壓比和總膨脹比確定的條件下，存在最佳的各級(jí)壓比和膨脹比的分配方法，當(dāng)系統(tǒng)為三級(jí)壓縮和膨脹時(shí)，壓縮溫度為115 ℃時(shí)，非等壓縮比和等膨脹比的系統(tǒng)的RTE可達(dá)74%。與未采用關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)壓力分布方法相比，系統(tǒng)的RTE提高了6.46%。
3.3 二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)?分析
?分析方法是熱力學(xué)系統(tǒng)分析中常用的方法，它可以顯示各部件的?損，并指出需要優(yōu)化的關(guān)鍵部件。CCES系統(tǒng)所有組件間有很強(qiáng)的相互作用，在考慮組件的技術(shù)局限性以及組件間的交互的基礎(chǔ)上，提出了先進(jìn)?分析方法可以準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)系統(tǒng)中?損的主要來源，并顯示出系統(tǒng)中可以減少的實(shí)際?損，提高系統(tǒng)效率。對(duì)于跨臨界和超臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、節(jié)流閥、換熱器、混流器是?損失的主要部分，其中壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的?損最大，占據(jù)了系統(tǒng)總?損失的50%以上，是減少?損潛力最大的部件，其損失主要來自設(shè)備內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)、傳熱損失和機(jī)械傳動(dòng)損失等方面。多級(jí)壓縮和多級(jí)膨脹系統(tǒng)，在增加級(jí)數(shù)時(shí)會(huì)降低系統(tǒng)效率，也會(huì)產(chǎn)生較高的?損。換熱器也是系統(tǒng)?損的主要來源，由于二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的換熱多為氣液換熱，且冷熱流股溫差較大，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)和換熱能效低。節(jié)流閥、混流器等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)部件基本不具有優(yōu)化潛力。因此，提高壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的效率、降低換熱器冷熱流體的溫差是提高系統(tǒng)性能的主要方法，并且減小高壓儲(chǔ)罐出口節(jié)流閥的壓降對(duì)系統(tǒng)?損失的減少也有幫助。
而另一些研究人員在對(duì)液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的?分析研究中得出蓄冷過程同樣具有較高的?損，Zhang等采用傳統(tǒng)的?分析方法和先進(jìn)的?分析方法，對(duì)液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)和液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在相同的系統(tǒng)配置和關(guān)鍵參數(shù)下的?損情況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在兩個(gè)系統(tǒng)中，蓄冷器所占?損失比例最大，其次是壓縮機(jī)和膨脹機(jī)。
4 耦合外部能量的二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)
4.1 壓縮二氧化碳儲(chǔ)能+火電廠
火電廠作為二氧化碳排放最為集中的地區(qū)，其豐富的二氧化碳經(jīng)捕集后可作為壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳穩(wěn)定碳源。對(duì)于液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)，火電廠可憑借其儲(chǔ)能階段實(shí)現(xiàn)液態(tài)二氧化碳的商品化產(chǎn)出。同時(shí)，火電廠的煙氣和蒸汽的大量余熱可為二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)提供充足的外部熱源，同時(shí)火電廠自帶電力并網(wǎng)系統(tǒng)，無須儲(chǔ)能電站單獨(dú)建設(shè)。依托火電廠建立二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的最佳匹配方式。
Cao等提出了一種結(jié)合廢煤礦洞封存二氧化碳的新型二氧化碳儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)(CCES-CCS)，工作原理如圖19所示。該系統(tǒng)選擇依靠燃煤電站，利用電站豐富的二氧化碳資源和地下煤層為儲(chǔ)能發(fā)電廠提供捕獲的二氧化碳和電力，同時(shí)在電網(wǎng)用電高峰時(shí)間釋放存儲(chǔ)的能量。由于儲(chǔ)層滲透性的限制，儲(chǔ)能效率最高僅為53.75%。針對(duì)初始膨脹器溫度限制問題，在Cao的基礎(chǔ)上，Chae等提出利用火電廠運(yùn)行的高溫蒸汽為二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)熱，分別采用了跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能和液體二氧化碳儲(chǔ)能的工藝方式，如圖20、21所示，并進(jìn)行了熱力學(xué)分析。結(jié)果表明，氣態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)最高可實(shí)現(xiàn)64%的儲(chǔ)能效率。而在液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能中，系統(tǒng)最大往返效率為46.8%，能量密度為68.78 kWh/m3，比壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)增加了9倍，但該研究對(duì)于火電廠與二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的耦合不夠深入，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的熱量利用不完全。嚴(yán)曉生等提出了利用火電機(jī)組與液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)深度耦合實(shí)現(xiàn)火電廠熱電聯(lián)產(chǎn)以及靈活調(diào)峰，如圖22所示。該研究利用火電機(jī)組汽輪機(jī)壓缸排氣加熱釋能階段膨脹機(jī)入口的二氧化碳，并利用儲(chǔ)能階段壓縮熱加熱鍋爐給水，實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用，使火電機(jī)組調(diào)峰范圍增加37.1%。
圖19 CCES-CCS系統(tǒng)原理圖
圖20 集成到蒸汽循環(huán)中的CCES原理圖
圖21 集成到蒸汽循環(huán)中的LCES原理圖
圖22 耦合火電廠蒸汽循環(huán)的液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)
4.2 壓縮二氧化碳儲(chǔ)能＋熱泵系統(tǒng)
膨脹機(jī)是儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)?損和可避免?損最大的部件之一，同時(shí)提高膨脹機(jī)進(jìn)口二氧化碳溫度對(duì)提高膨脹機(jī)輸出功有著重要的作用。換熱器端差的存在使系統(tǒng)的壓縮熱不能得到完全利用，膨脹過程中的級(jí)間再熱器側(cè)出口溫度較高，熱量沒有得到進(jìn)一步合理利用。通過熱泵系統(tǒng)，吸收再熱器出口的低品位熱能，將系統(tǒng)儲(chǔ)能過程收集的壓縮熱加熱到更高溫度，提高二氧化碳在膨脹過程做功品質(zhì)。
郝銀萍為了減少膨脹機(jī)?損失，將熱泵與壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)耦合，提升膨脹機(jī)入口溫度，提高膨脹機(jī)做功品質(zhì)，如圖23所示。研究深入分析了熱泵與跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)耦合優(yōu)化匹配方案，結(jié)果表明，系統(tǒng)采用蓄熱介質(zhì)為水，熱泵工質(zhì)為R21時(shí)，系統(tǒng)儲(chǔ)熱效率72.17%，儲(chǔ)能效率高達(dá)80.32%，儲(chǔ)能效率提升了5.74%，儲(chǔ)熱效率提升了2.87%。
圖23 耦合熱泵的跨臨界二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖
陶飛躍等利用西北太陽能資源豐富且夜間氣溫低的環(huán)境特點(diǎn)，提出一種利用夜間環(huán)境再冷的二氧化碳儲(chǔ)能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，如圖24所示，利用太陽能與熱泵聯(lián)合供熱消除太陽能補(bǔ)熱的不穩(wěn)定性，同時(shí)利用相變材料吸收環(huán)境冷量冷卻二氧化碳。系統(tǒng)分為三種熱量輸入模式：太陽能單獨(dú)供熱、太陽能和熱泵聯(lián)合供熱以及熱泵單獨(dú)供熱。計(jì)算得出了太陽能單獨(dú)供熱時(shí)系統(tǒng)性能最佳，儲(chǔ)能效率、?效率、循環(huán)效率分別為71.4%、57.4%和87.1%，儲(chǔ)能密度17.2 kWh/m3。此系統(tǒng)雖然受環(huán)境影響較大，但其系統(tǒng)性能在目前的二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)中較為突出。
圖24 利用環(huán)境再冷的二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖
將熱泵引入二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用少量電能輸入將低品位熱源轉(zhuǎn)化為高品位，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的進(jìn)一步提升，該想法雖然在理論上成立，但在實(shí)際系統(tǒng)生產(chǎn)建設(shè)中，對(duì)于熱泵系統(tǒng)而言高溫側(cè)和低溫側(cè)溫差過大，制冷劑的選定存在較大難度，其次，為和儲(chǔ)能系統(tǒng)的用熱溫度相匹配，熱泵壓縮過程需要采用多級(jí)壓縮和多級(jí)節(jié)流，節(jié)流過程壓降較高，導(dǎo)致系統(tǒng)能量損失較大。綜上，該方法對(duì)于二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中系統(tǒng)性能提高的指導(dǎo)有限。
4.3 壓縮二氧化碳儲(chǔ)能＋太陽能
考慮到壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄熱系統(tǒng)與太陽能熱發(fā)電的相似原理，且太陽能發(fā)電系統(tǒng)的蓄熱系統(tǒng)更為完善和成熟，有學(xué)者討論了將CCES系統(tǒng)與太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)耦合，即太陽能發(fā)電系統(tǒng)為壓縮機(jī)提供電能，太陽能蓄熱系統(tǒng)為CCES中的蓄熱系統(tǒng)補(bǔ)充熱能，CCES系統(tǒng)則可以改善太陽能發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性。這樣的互補(bǔ)耦合系統(tǒng)既彌補(bǔ)了可再生能源發(fā)電的固有缺陷，也提高了CCES的運(yùn)行參數(shù)和效率，從而達(dá)到了互相改善并提升效率的目的。
Fu等為了提高CCES的儲(chǔ)能效率，提出了一種太陽能蓄熱CCES系統(tǒng)。建立了槽式太陽能蓄熱跨臨界CCES系統(tǒng)和超臨界CCES系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的熱力學(xué)分析。結(jié)果表明，兩種體系的循環(huán)效率分別為77.75%和67.72%，分別比常規(guī)跨臨界CCES系統(tǒng)和超臨界CCES系統(tǒng)高出30.18%和25.87%。此外，除儲(chǔ)能密度外，太陽能蓄熱跨臨界CCES系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率、太陽能利用率以及?效率均優(yōu)于太陽能蓄熱超臨界CCES系統(tǒng)。
在朗肯循環(huán)的基礎(chǔ)上，Xu等提出了一種新的LCES系統(tǒng)，以太陽能為熱源，以風(fēng)能為泵提供動(dòng)力，如圖25所示，大大提高了儲(chǔ)能效率和?效率，其儲(chǔ)能效率和?效率分別達(dá)到了45.35%和67.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相同條件下LCES的37.83%和45.48%。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)太陽能的不穩(wěn)定特性影響著供熱總量。但由于蓄熱系統(tǒng)的存在，它對(duì)熱源溫度的影響很小。因此，在光照充足的條件下，太陽能補(bǔ)熱可作為一種良好的補(bǔ)熱方式。
圖25 利用太陽能補(bǔ)熱的LCES系統(tǒng)原理圖
太陽能作為一種充足的自然資源，利用太陽能為儲(chǔ)能系統(tǒng)提供熱量，不會(huì)增加系統(tǒng)額外的能量消耗。并且研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)儲(chǔ)能效率和?效率隨太陽能補(bǔ)熱溫度增加均呈現(xiàn)線性增加，甚至儲(chǔ)能效率可超過100%，即釋能過程的膨脹功要多于儲(chǔ)能過程的壓縮功。但由于釋能過程膨脹機(jī)輸出功率主要由膨脹機(jī)進(jìn)口壓力和溫度決定，當(dāng)太陽能補(bǔ)熱溫度對(duì)膨脹機(jī)做功的影響大于壓縮二氧化碳對(duì)膨脹機(jī)做功影響時(shí)，太陽能的利用效率將會(huì)受到影響。同時(shí)，補(bǔ)熱溫度的設(shè)定需要考慮儲(chǔ)熱介質(zhì)的物性，為保證換熱效率，補(bǔ)熱溫度需保證不超過系統(tǒng)儲(chǔ)熱介質(zhì)的臨界相變溫度。
5 結(jié)論
壓縮二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)作為一種新型的大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，由于其具有高效、安全和清潔等突出特點(diǎn)，一經(jīng)推出就受到了儲(chǔ)能行業(yè)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。本文從壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)分類的角度，詳細(xì)闡述了各類壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)原理、優(yōu)勢(shì)及運(yùn)用場(chǎng)景，著重分析和梳理了現(xiàn)階段各位學(xué)者對(duì)壓縮二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)的研究角度和研究成果，探明了壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)優(yōu)化配置方案和未來研究重點(diǎn)。
目前，壓縮二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)尚處于起步階段，針對(duì)壓縮二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)的研究目前仍停留在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、?分析、熱力學(xué)分析以及系統(tǒng)優(yōu)化方面，對(duì)于系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建和測(cè)試尚未有介紹。壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)是壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的創(chuàng)新和拓展?，F(xiàn)階段我國壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)已基本成熟，在系統(tǒng)的建設(shè)以及關(guān)鍵部件的研究上都有重大突破。但對(duì)于壓縮二氧化碳儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)階段研究仍受制于壓縮空氣儲(chǔ)能的框架，缺乏創(chuàng)新和突破。
與壓縮空氣儲(chǔ)能相比，壓縮二氧化碳系統(tǒng)在系統(tǒng)關(guān)鍵部件的開發(fā)上還有著一定距離，超臨界二氧化碳的高壓對(duì)系統(tǒng)的承壓能力在安全性和成本上都有很大的考驗(yàn)，相較于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，二氧化碳?jí)嚎s機(jī)和膨脹機(jī)以及增壓泵的絕熱效率在設(shè)計(jì)上都相對(duì)較小。在液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄冷過程的熱量平衡也是有待解決的問題。但不可否認(rèn)的是，在理論模擬中，壓縮二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)具有更高的儲(chǔ)能效率和儲(chǔ)能密度，并且在實(shí)際建設(shè)實(shí)施中，其也具有更小的占地面積和更低的建設(shè)成本，與我國目前碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)契合。由于二氧化碳儲(chǔ)能系統(tǒng)中有著密切的熱電轉(zhuǎn)換關(guān)系，在耦合其他外部能源、回收余熱廢熱、實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)以及冷熱電三聯(lián)供方面都有很好的發(fā)展?jié)摿ΓF(xiàn)階段二氧化碳儲(chǔ)能還僅在理論層面，在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題需要更加深入研究。隨著國內(nèi)外學(xué)者的不斷研究與創(chuàng)新，二氧化碳儲(chǔ)能必將朝著高性能、低成本、規(guī)模化、多應(yīng)用場(chǎng)景的方向發(fā)展，從而為未來以可再生能源為主的能源體系和多能源協(xié)同互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)提供重要解決方案。
