中國儲能網(wǎng)訊：隨著快速工業(yè)化對能源的需求不斷增加，使用化石燃料作為主要能源也引起了一系列環(huán)境問題，人們逐步轉(zhuǎn)向?qū)稍偕茉吹难芯俊５奖臼兰o(jì)中葉，全球?qū)⑼ㄟ^各種途徑向脫碳能源系統(tǒng)進(jìn)行過渡，其中可再生能源將深度滲透工業(yè)生產(chǎn)的方方面面。
可再生能源具有間歇性、波動性以及不穩(wěn)定性的特點，因此儲存可再生能源對于應(yīng)對供需不匹配至關(guān)重要。合適的儲能途徑可以實現(xiàn)能源的平滑波動發(fā)電和能源套利，減輕可再生能源的浪費。在過去的20年里，儲能技術(shù)的研究和發(fā)展都取得了極大的進(jìn)展。
目前，各種各樣的儲能技術(shù)處于不同的發(fā)展階段，一些主要的大規(guī)模儲能技術(shù)如抽水蓄能(PHES)、壓縮空氣儲能(CHES)、液化空氣儲能(LAES)、氧化還原液流電池儲能以及與燃料電池共同配合的氫能存儲系統(tǒng)等都取得了相應(yīng)的進(jìn)展。在這些技術(shù)中，PHES和CAES被認(rèn)為是大規(guī)模和中長期存儲應(yīng)用的成熟技術(shù)，并且已經(jīng)以相對較低的成本進(jìn)行了商業(yè)部署。
當(dāng)前全球大約90%的全球能源儲存都來自抽水蓄能裝置。但這類技術(shù)的能量密度低，易受到地形和地質(zhì)條件的限制;氧化還原液流電池儲能主要用于中小規(guī)模、大功率、快速響應(yīng)及移動的應(yīng)用場景，但具有造價成本高的缺陷；LAES是基于PHES和CAES提出的技術(shù)替代方案，具有幾個關(guān)鍵優(yōu)勢，如高可擴展性、不受地理條件限制、成本效益高等。
因此，近年來越來越多的學(xué)者開始對LAES技術(shù)進(jìn)行研究。
液化空氣儲能技術(shù)(LASE)的提出可以追溯到1977年。史密斯在紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)提出了將液化空氣運用于智能電網(wǎng)調(diào)峰，鑒于該系統(tǒng)對設(shè)備材料要求過高，在一段時間內(nèi)沒有太大的研究進(jìn)展；之后Ameel等人針對液化過程進(jìn)行了分析。
Morgan等提出可以將克勞德循環(huán)應(yīng)用在液化過程中，這對LAES系統(tǒng)循環(huán)過程進(jìn)一步明確，基于此項研究，液化空氣儲能系統(tǒng)的研究逐漸發(fā)展起來。Morgan等還對LAES設(shè)計和測試進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示LAES的效率和成本符合電網(wǎng)的大規(guī)模、高間歇性的儲能要求，為未來低碳電力網(wǎng)絡(luò)平衡提供了有吸引力的解決方案。
曹廣亮等對LAES技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)行了分析，表明LAES系統(tǒng)可以存儲電網(wǎng)富余的電能和可再生能源不穩(wěn)定的電能，其儲存容量大，并且具有不受地域的限制等優(yōu)勢。
鄧章等對聯(lián)合LAES的有機朗肯循環(huán)進(jìn)行了研究，將LAES系統(tǒng)與有機朗肯循環(huán)進(jìn)行了結(jié)合，降低了其有機朗肯循環(huán)的冷凝溫度。
何青等對深冷LAES系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)建模和分析；Li等建立了利用LNG冷能的LAES系統(tǒng)。
總體來看，液化空氣儲能的工業(yè)化仍處于初級階段，工藝設(shè)計還未趨于成熟。因此掌握LAES的工作原理，認(rèn)識該系統(tǒng)工作的具體工作組件以及建立相關(guān)模型對液化空氣儲能系統(tǒng)進(jìn)行模擬對該技術(shù)的發(fā)展是很有必要的。文章對LAES的工作原理、工作組件和建模方法，以及系統(tǒng)集成進(jìn)行了相應(yīng)介紹。
1 工作原理與工作組件
本章涵蓋LAES的工作原理和具體組件的研究，對工作原理及組件的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)與整理。
1.1 LAES的工作原理
獨立的LAES通常有兩個關(guān)鍵子系統(tǒng)，即用于儲能的空氣液化單元(LFU)和用于釋能的功率回收單元(PＲU)，如圖1所示?，F(xiàn)對其不同單元分別進(jìn)行介紹。
圖1 液化空氣儲能原理
1.1.1空氣液化單元
LAES的空氣液化模塊由三個存儲單元組成:一個存儲液態(tài)空氣(主存儲庫)，一個存儲壓縮熱和一個存儲高級冷能。
LAES儲能過程LFU利用非峰值(低成本)電力或可再生能源將凈化后的空氣通過多級壓縮機，壓縮到高壓狀態(tài)，然后通過再循環(huán)在換熱器(“冷箱”)中逐級冷卻。最后，液體空氣由低溫膨脹機或節(jié)流閥釋放，最終儲存在液態(tài)空氣儲罐中。同時，壓縮熱被回收并儲存在相應(yīng)的熱罐中。
1.1.2功率回收單元
LAES的功率回收單元(PＲU)工作時，儲存的液態(tài)空氣首先被泵送到更高放氣壓力下，將儲存的冷能在空氣液化單元中重復(fù)利用，以達(dá)到提高液氣產(chǎn)量和能源效率的目的。高壓空氣首先被環(huán)境熱加熱，然后被儲存的壓縮熱過熱，最后膨脹以發(fā)電釋放能量。顯然，高效的液化和降壓過程可以顯著提高整個系統(tǒng)的工作性能。
1.2 LAES組件
1.2.1儲能過程組件
1.2.1.1空氣壓縮機
在文獻(xiàn)中很少發(fā)現(xiàn)專門用于LAES的空氣壓縮機。
實際上CAES系統(tǒng)中使用的空氣壓縮技術(shù)與LAES系統(tǒng)中使用的空氣壓縮技術(shù)基本相同，因此，本節(jié)討論涵蓋CAES系統(tǒng)中空氣壓縮機的工作。由于壓縮時的損大、負(fù)荷波動大、環(huán)境因素和系統(tǒng)性能特點，LAES的空壓機需要具有較高的等熵效率、較大的壓比、良好的級間熱回收效率和在非設(shè)計常規(guī)條件下的寬運行范圍。常用的壓縮機有離心式、軸向式、往復(fù)式和渦旋式。
Liang等研究表明，如果將空壓機等熵效率從80%提高到95%，系統(tǒng)的循環(huán)效率可提高15.7%。Tafone等強調(diào)了在非設(shè)計條件下渦輪機械等熵效率低對系統(tǒng)循環(huán)效率的負(fù)面影響，而不適當(dāng)?shù)脑鰤簤毫赡軙糯筮@種影響。Zhou等提出了協(xié)同分析的概念，提高了空氣壓縮機的性能。顯然，需要做更多的研究來制定空壓機的控制策略，以應(yīng)對不斷變化的可再生能源供應(yīng)和終端使用需求。
1.2.1.2低溫膨脹機
在LAES系統(tǒng)中經(jīng)常使用低溫液體膨脹機代替節(jié)流閥，此舉可以提高液化率和循環(huán)效率。常用的低溫膨脹機有往復(fù)式、徑向流渦輪機以及混流膨脹機等。然而，關(guān)于這一領(lǐng)域的研究并不多。
Wang等對閉環(huán)液氮系統(tǒng)中低溫膨脹機的性能進(jìn)行了實驗測量，發(fā)現(xiàn)其峰值等熵效率為78.8%。Li等介紹了SC－CAES系統(tǒng)液體渦輪的設(shè)計模型，結(jié)果顯示，在額定條件下，最高效率為75.16%。Kaupert等發(fā)現(xiàn)，將膨脹機的類型從徑向流入離心式改為軸向沖擊式，可以改善液體膨脹機的性能、侵蝕和振動。
1.2.1.3多流股換熱器
多流股換熱器是LAES系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，用于在釋能過程中回收冷能和在儲能過程中液化空氣。已經(jīng)有大量研究對適用于LAES的換熱器進(jìn)行實驗建模。
Wang等開發(fā)了一種低溫傳熱模型和模擬工具。Skaugen等提出了換熱器分布式參數(shù)模型來預(yù)測其性能，其準(zhǔn)確性可與Aspen HYSYS軟件包相媲美。Peng等開發(fā)了一種基于對數(shù)平均溫差模型的粒子群優(yōu)化算法，用于確定換熱器尺寸，旨在最大限度地減輕自重、降低年成本和解決進(jìn)口流量分布不均的問題。
1.2.2釋能過程組件
1.2.2.1膨脹機
釋能階段的膨脹機與儲能階段的空氣壓縮機類似，同樣也對LAES系統(tǒng)的效率有重要影響。Li等研究了變工況下渦輪整體內(nèi)部流動特性。Liang等研究表明，當(dāng)渦輪效率由80%提高到95%時，LAES的ＲTE可顯著提高19.7%。
1.2.2.2低溫泵
低溫泵用于在釋放液態(tài)空氣過程中提升液體空氣壓力，應(yīng)可承受在極冷環(huán)境下運行。低溫泵用于LAES的研究很少，這可能是其對LAES系統(tǒng)循環(huán)效率的影響較小的緣故。
Guo等發(fā)現(xiàn)低溫泵效率增加4%，LAES系統(tǒng)循環(huán)效率僅增加1%。Liang等研究表明，當(dāng)泵效率從70%提高到85%時，循環(huán)效率僅增加1.4%。整體來說，低溫泵對液化空氣儲能系統(tǒng)的影響較小。
2 LAES系統(tǒng)模型與分析指標(biāo)
本章詳細(xì)介紹了LAES系統(tǒng)建模和該系統(tǒng)性能分析指標(biāo)的研究現(xiàn)狀。
2.1 系統(tǒng)模型
2.1.1靜態(tài)模型
LAES系統(tǒng)的靜態(tài)建模主要包括能量分析和分析。能量分析是基于熱力學(xué)第一定律來最大化熱效率。分析使用熱力學(xué)第二定律來減少不可逆性。建模的目的是研究循環(huán)參數(shù)(如操作溫度和壓力)如何影響性能，并通過參數(shù)化和優(yōu)化研究來確定最佳參數(shù)。
2.1.2動態(tài)模型
盡管一個完整的LAES流程涉及復(fù)雜的液化與換熱過程，但目前大多數(shù)研究都集中在靜態(tài)模擬和分析上，但這類假設(shè)往往偏離實際情況。動態(tài)模擬對于確保正確的設(shè)計、分析、預(yù)測系統(tǒng)性能并保證現(xiàn)實LAES系統(tǒng)的安全和平穩(wěn)運行至關(guān)重要。
Guo等建立了LAES的動態(tài)模型，考慮了體積效應(yīng)和熱慣性來理解瞬態(tài)性能和控制方法。Sciacovelli等針對LAES系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)建模，該模型可以模擬各部分與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。Cui等建立了LAES釋能單元的模塊化動態(tài)仿真模型，該模型考慮了關(guān)鍵部件的特性和熱力學(xué)參數(shù)的動態(tài)變化。
2.2 性能分析指標(biāo)
對LAES系統(tǒng)的性能研究大多集中在系統(tǒng)能量利用效率和?效率的分析上，也有一些集中在經(jīng)濟分析上。
2.2.1能源分析
Guizzi等人發(fā)現(xiàn)，獨立的LAES可以達(dá)到50%的循環(huán)效率。Liu等開發(fā)了一種優(yōu)化方案和算法來優(yōu)化運行參數(shù)，包括充放電壓力、溫度和系統(tǒng)配置。他們發(fā)現(xiàn)最佳效率高達(dá)60%～63%。
2.2.2?分析
Guizzi等發(fā)現(xiàn)?損失主要來自壓縮和膨脹過程。Vecchi等分析了系統(tǒng)在設(shè)計工況和非設(shè)計工況下運行時LAES在組件和系統(tǒng)兩級的分布。Hamdy等對LAES進(jìn)行了全面的分析，發(fā)現(xiàn)液化過程的不可逆性占比高達(dá)75%。
2.2.3經(jīng)濟分析
Xie等人評估了參與英國電力服務(wù)市場時LAES系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。結(jié)果表明，采用高品位廢熱(150℃)的大型LAES是有利可圖的。Lin等人模擬出在不引入外部廢熱的情況下，LAES系統(tǒng)通過25.7～39.4年將達(dá)到投資回收期。
Wang等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)峰谷電價比為3.3∶1時，獨立LAES系統(tǒng)的投資回收期在9.6～31.7年。
顯然，將壓縮熱的利用率最大化或?qū)⑼獠繌U熱引入獨立的LAES系統(tǒng)將縮短投資回收期，提高經(jīng)濟效益。
3 LAES系統(tǒng)與其他系統(tǒng)集成
3.1 LAES系統(tǒng)與外部冷源集成
LAES系統(tǒng)在充電過程中需要冷能來液化空氣，但在放電過程中回收的冷能往往不足以支撐整個系統(tǒng)運作。因此，使用外部高級冷源可以提高系統(tǒng)循環(huán)效率。
液化天然氣(LNG)的再氣化是最常見的例子，LAES－LNG一體化可分為直接利用、通過冷庫間接利用和混合利用三大類，下面將對此進(jìn)行討論。
直接利用在LAES的換熱器釋放高等級冷能用于冷卻液化空氣。但直接利用缺乏靈活性，需要液化天然氣再氣化和空氣液化的同步運行。此外，LNG釋放的廢冷能取決于天然氣供應(yīng)，天然氣的供應(yīng)往往是波動的，這增加了LAES－LNG集成系統(tǒng)的運行難度。
間接利用使用電化學(xué)儲能(CES)單元來捕獲和存儲LNG再氣化釋放的冷能量。在LAES充電期間，液化天然氣再氣化所儲存的冷能量可用于空氣液化，從而增加了集成系統(tǒng)的靈活性?；旌侠檬侵苯永煤烷g接利用的混合。LNG的冷能可以直接在LAES的換熱器中回收，也可以通過CES單元回收，具體取決于一天當(dāng)中的時間分布(高峰時間和非高峰時間)。
3.2 LAES與外部熱源集成
雖然壓縮熱在某些情況下可能無法有效利用，但使用外部熱源從經(jīng)濟和系統(tǒng)效率方面或兩者都有優(yōu)勢。
Chino等提出了一種與傳統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠相結(jié)合的空氣液化裝置。Briola等提出了一種燃?xì)廨啓C循環(huán)LAES系統(tǒng)。Hanak等提出將低溫儲氧與全氧燃煤電廠相結(jié)合，以提高整體效率和經(jīng)濟性。Colbertaldo等提出并分析了將儲存的液態(tài)空氣用于燃?xì)廨啓C燃燒室，其循環(huán)效率可達(dá)到70%。Lee等研究了與核電站相結(jié)合的LAES系統(tǒng)，研究結(jié)果表明，LAES的ＲTE可以達(dá)到70%，綜合系統(tǒng)的峰值功率可以達(dá)到額定核電站的2.7倍。
3.3 LAES與可再生能源集成
近年來，針對太陽能熱源、太陽能光伏、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹拈g歇性和時變問題，開展了大量LAES與可再生能源發(fā)電直接集成的研究。Li等提出了LAES與基于拋物線槽的聚光太陽能(CSP)系統(tǒng)的集成，研究發(fā)現(xiàn)，集成系統(tǒng)可提供比CSP和LAES單獨提供的功率總和多30%的功率。Ji等提出利用LAES儲存太陽能和風(fēng)能，并通過建模表明，ＲTE和效率分別約為45.7%和44.2%。Cetin等開發(fā)了LAES與地?zé)岚l(fā)電廠相結(jié)合的系統(tǒng)，以地?zé)崴鳛長AES膨脹過程的外部熱源整體系統(tǒng)效率為24.4%。
4 結(jié)論
本文對LAES進(jìn)行了全面的綜述。它與近年來發(fā)表的文獻(xiàn)有所不同，特別是在LAES工作原理、LAES關(guān)鍵組件、LAES集成應(yīng)用等方面。
作為一種新型的儲能技術(shù)，LAES雖仍處于起步階段，但其化學(xué)污染小，相對儲能成本較低，經(jīng)濟效益高，在低碳能源占據(jù)主要市場的未來會扮演重要角色，具有很好的發(fā)展前景。
