本文亮點：1. 本文建立了CO2電熱儲能和液態(tài)儲能系統(tǒng)熱力學模型，分析兩者的系統(tǒng)流程和儲能原理；2. 探究兩者?損分布情況，揭示了能量損失機理。開展敏感性分析，表征關鍵參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律；3. 研究結果為CO2儲能提供參考。
摘 要 二氧化碳電熱儲能與液態(tài)二氧化碳儲能技術具有適用范圍廣、儲能密度大等特點，是目前壓縮氣體儲能技術的研究熱點，然而，上述系統(tǒng)在儲能形式及流程上的差異造成了系統(tǒng)在儲能效率、儲能密度等方面的不同，目前尚無系統(tǒng)性研究?；诖?，本工作闡述了上述系統(tǒng)的能量存儲原理及流程構型特點，建立了熱力學分析模型，在設定工況下比較了兩者性能指標以及不可逆損失分布特性，并進一步探討了關鍵參數(shù)變化對兩種儲能系統(tǒng)的性能影響。結果表明，二氧化碳電熱儲能系統(tǒng)通過將工質的壓力勢能進一步轉化為冷能儲存，從而獲得了更高的儲能密度（7.36 kWh/m3），而液態(tài)二氧化碳儲能系統(tǒng)通過高壓罐將壓力勢能直接儲存，避免了額外的葉輪機械損失，具有更高的循環(huán)效率（63.60%）；此外，通過參數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，提高壓縮機等熵效率和出口壓力對液態(tài)二氧化碳儲能系統(tǒng)的性能提升更加明顯，提高透平等熵效率對二氧化碳電熱儲能系統(tǒng)的提升更加明顯。研究成果將為二氧化碳儲能技術路徑選擇和技術進步提供支撐。
關鍵詞 二氧化碳電熱儲能；液態(tài)二氧化碳儲能；熱力性能分析
隨著“雙碳”目標的提出，我國以新能源為主體的能源供給體系正逐步形成。新能源電力供應具有間歇性、波動性和隨機性，發(fā)展適應電網規(guī)模的儲能技術對新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關重要。壓縮氣體儲能(compressed gas energy storage，CGES)技術具有儲能容量大、初始投資和運行成本低、環(huán)境適應性強以及壽命長等優(yōu)勢，具有較大的發(fā)展?jié)摿?。其中，以CO2為工質的壓縮氣體儲能技術是近年來的研究熱點。從物性上看，CO2具備了以下優(yōu)點：①臨界點(31.3 ℃，7.3 MPa)容易達到，在現(xiàn)有技術下更易實現(xiàn)氣、液和超臨界態(tài)之間的轉換；②密度高，設備更加緊湊；③在超臨界態(tài)下熱力性能極佳，導熱性好，黏度低；④無毒，不易燃，安全與環(huán)境性能良好；⑤熱穩(wěn)定性強。CO2因其良好的物性有望進一步提高儲能循環(huán)效率、減少設備投資、規(guī)避大容量壓縮空氣儲能地理限制，從而提高儲能系統(tǒng)綜合性能。
近年來，多國學者針對CO2儲能系統(tǒng)開展了研究，其中最具代表性的是CO2電熱儲能(electrothermal CO2 energy storage, ET-CES)和液態(tài)二氧化碳儲能(liquid CO2 energy storage, LCES)技術。其中，ET-CES系統(tǒng)是通過熱泵將電能轉化為冷熱能進行儲存，然后通過熱機進行釋放，其主要循環(huán)形式為布雷頓循環(huán)和朗肯循環(huán)?；诓祭最D循環(huán)的ET-CES系統(tǒng)循環(huán)效率較高(60%～80%)，但是系統(tǒng)最高溫度通常大于500 ℃，最高壓力大于CO2的臨界壓力，且依賴于高性能葉輪機械設備，較低的等熵效率會使儲能效率大幅下降，在現(xiàn)有技術下存在設備制造難度大、投資成本高、熱泄漏等問題，制約了其商業(yè)化應用。而基于朗肯循環(huán)的ET-CES系統(tǒng)運行溫度處于-20～200 ℃，且高溫側CO2與水的換熱性能匹配良好，而低溫側可通過相變材料進行蓄冷，上述優(yōu)勢可以拓寬系統(tǒng)中機械/儲罐材料的選擇范圍、降低蓄熱/蓄冷介質成本、減少熱泄漏損失等，現(xiàn)階段下更適用于規(guī)?；l(fā)展。Mercang?z等首先提出了以跨臨界CO2循環(huán)為基礎的電熱儲能系統(tǒng)，在試點和商用規(guī)模下循環(huán)效率分別可達51%和65%。針對該系統(tǒng)，Morandin等利用夾點分析技術建立了一套啟發(fā)性的換熱網絡優(yōu)化程序，并基于供應商報價建立了系統(tǒng)熱經濟性優(yōu)化模型，在最大循環(huán)效率為64%時，系統(tǒng)設備總成本為3000萬美元。Baik等在考慮了工質傳熱和壓降特性下，建立了離散化換熱模型，探究了儲熱罐溫度對于系統(tǒng)循環(huán)效率的影響。Kim等提出了一種等溫ET-CES系統(tǒng)，結果表明，該系統(tǒng)在相同蓄熱蓄冷溫差下，其循環(huán)效率(65%)高于Brayton電熱儲能系統(tǒng)。Salomone-González等建立了包含工質壓力損失和儲罐熱泄漏損失的熱力學模型，結果表明在不同邊界參數(shù)下系統(tǒng)循環(huán)效率可達50%～70%。Liu等建立了小型ET-CES系統(tǒng)的熱力學和經濟性模型，充電過程中采用節(jié)流閥代替膨脹機，其循環(huán)效率和度電成本分別為26.93%、0.39 $/kWh，并提出了一種與建筑供暖耦合的方案，其能量利用效率達到97.66%。
LCES系統(tǒng)作為壓縮空氣儲能的衍生，是通過壓力勢能和熱能的形式對電能進行儲存，而高壓CO2作為儲能工質在常溫下即可實現(xiàn)液化，其密度(＞650 kg/m3)遠遠大于超臨界空氣密度，有利于減少高壓儲氣庫的體積，降低儲罐成本。Wang等首先提出了液態(tài)CO2儲能系統(tǒng)，并與有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle, ORC)結合進一步利用透平出口氣體余熱，系統(tǒng)循環(huán)效率和儲能密度分別為56%、36.12 kWh/m3。Tang等提出了一種采用冰漿蓄冷的液態(tài)CO2儲能系統(tǒng)，并基于能量梯級利用的方法，優(yōu)化了系統(tǒng)換熱網絡布局，?效率達到68.79%。Yan等提出了一種混合有機工質的液體CO2儲能系統(tǒng)用以解決亞臨界CO2的冷凝問題，混合工質與CO2相比臨界溫度更高、臨界壓力更低，當采用CO2/R32(0.85/0.15)為工作流體時系統(tǒng)循環(huán)效率和儲能密度分別為60.12%、14.19 kWh/m3。Zhao等、Liu等分別提出了集成LNG冷能、渦管以及引射器的液態(tài)CO2儲能系統(tǒng)，用以取代龐大、復雜的低壓側相變蓄冷單元，增加系統(tǒng)靈活性。綜上所述，由于LCES系統(tǒng)的雙罐儲存的閉式循環(huán)結構，構建高效的低壓側冷凝系統(tǒng)是目前研究工作的主要方向。
綜上可知，ET-CES和LCES系統(tǒng)具有儲能密度大、地理適應性強以及關鍵設備工程難度和造價相對較低等特點，是現(xiàn)有技術下適合于大規(guī)模應用的兩種儲能方案，且在設備選型和運行參數(shù)上具有高度相似性。然而，目前對于兩者的研究工作主要面向各自系統(tǒng)流程創(chuàng)新、熱力性能優(yōu)化以及經濟性計算等，對在類似邊界條件下兩種儲能系統(tǒng)的熱力學性能本質差異以及關鍵參數(shù)的影響規(guī)律尚未明晰，顯然，這對CO2儲能技術發(fā)展與路徑的選擇不利。基于此，本工作以ET-CES和LCES為研究對象，建立了系統(tǒng)熱力學模型，分析了兩者不可逆損失的分布特征，定量表征了兩者在儲能密度及循環(huán)效率上的優(yōu)劣，研究了不同參數(shù)對兩者性能指標的影響規(guī)律，獲得了針對兩大不同儲能系統(tǒng)提高熱力性能的關鍵因素，最終給出了CO2儲能技術的發(fā)展路徑。
1 系統(tǒng)概述
如圖1(a)所示，ET-CES系統(tǒng)的儲能和釋能過程分別為熱泵循環(huán)和熱機循環(huán)兩個封閉式循環(huán)，二氧化碳在該系統(tǒng)中僅為循環(huán)工質，電能以熱能和冷能的形式分別儲存在熱水罐和蓄冰池中。具體過程如下：用電低谷期，電網多余電能驅動壓縮機將CO2壓縮至高溫高壓的狀態(tài)，隨后通過間冷器冷卻工質，同時將熱量儲存在熱水罐中。冷卻后的低溫高壓CO2進一步驅動膨脹機做功，將自身的壓力能轉化為冷能，并釋放部分電能。最后，液態(tài)CO2通過蒸發(fā)器將冷能儲存在蓄冰池中，進入下一次循環(huán)。用電高峰期，氣態(tài)CO2經冷凝器液化，隨后通過升壓泵提高壓力，轉為高壓液態(tài)CO2后進入再熱器吸收熱量，達到高溫高壓的狀態(tài)后驅動透平做功釋放電能。
圖1 ET-CES和LCES系統(tǒng)流程圖
如圖1(b)所示，LCES系統(tǒng)的儲能和釋能過程共同構成了一個封閉式循環(huán)，二氧化碳在該系統(tǒng)中不僅作為循環(huán)工質，還充當蓄能介質，電能以熱能和壓力能的形式分別儲存在熱水罐和高壓罐中。具體過程如下：用電低谷期，低壓液態(tài)CO2由低壓罐釋放，經節(jié)流閥1絕熱節(jié)流至目標參數(shù)后送入蒸發(fā)器內吸熱蒸發(fā)，同時將冷量儲存在蓄冰池中。蒸發(fā)器出口的氣態(tài)CO2被送入壓縮機內壓縮至高溫高壓狀態(tài)，隨后通過間冷器冷卻，將熱量回收至熱水罐中，冷卻后的高壓CO2送入高壓罐內儲存。用電高峰期，高壓CO2由高壓罐釋放，通過節(jié)流閥2穩(wěn)定壓力，隨后利用熱水罐內儲存的熱量進行加熱升溫，達到高溫高壓狀態(tài)后驅動透平做功釋放電能，透平排氣經過冷凝器液化后進入低壓罐儲存。
由于ET-CES和LCES在電-電轉化過程中的能量儲存形式的不同，兩者在系統(tǒng)設備配置與用途上存在一定的差異性。其中，ET-CES系統(tǒng)需添加額外的液體膨脹機和二氧化碳泵，用于壓力勢能和冷能之間的相互轉化。而LCES系統(tǒng)則需要一組低壓罐和高壓罐，分別用于回收工質和儲存高壓CO2所攜帶的壓力勢能。此外，ET-CES系統(tǒng)中蓄冰池中所儲存的冷能是電-電轉化過程的中間媒介，而LCES系統(tǒng)中蓄冰池中所儲存冷能則是為了實現(xiàn)低壓CO2有效冷凝，實現(xiàn)工質的高密度回收。
2 系統(tǒng)熱力學建模
本節(jié)利用Aspen Hysys軟件搭建了ET-CES和LCES的熱力學模型，系統(tǒng)計算主要采用PENG-ROB物性方法。蓄熱工質選用加壓水，蓄冷工質選用冰漿。為了方便模型的建立，搭建過程中采用了以下基本假設：①忽略管道、換熱器的壓降損失；②充放電時間相同；③忽略熱水罐和蓄冰池的熱泄漏損失。
2.1 葉輪機械熱力學模型
ET-CES和LCES儲能系統(tǒng)中主要包含壓縮機、液體膨脹機、透平以及泵4種葉輪機械設備，本工作采用等熵模型進行計算，定義如下。
壓縮機/水泵的等熵效率和耗功：
液體膨脹機/透平的等熵效率和出功：
式中，mc為工質CO2的質量流量；下標C、E、P和T分別代表壓縮機、液體膨脹機、泵和透平；η代表葉輪機械的等熵效率；hout,s、hout和hin分別代表等熵出口焓值、實際出口焓值以及進口焓值；WC、WP、WE和WT分別代表壓縮機耗功、水泵耗功、液體膨脹機出功和透平出功。
2.2 換熱器熱力學模型
在ET-CES和LCES系統(tǒng)中換熱器為間冷器、再熱器、冷凝器和蒸發(fā)器，其能量平衡方程為：
其中，間冷器、再熱器處于工質的臨界區(qū)域附近，由于CO2在臨界點附近存在大比熱容特性，因此需進行離散化處理，并進行簡單加權計算，將換熱過程分為n等份，每個離散截面的熱量平衡模型定義為：
式中，Q和Qn分別代表換熱器整體截面和換熱器每個離散截面的換熱量；mhot、mcold分別為熱流體和冷流體的質量流量；hcold,n+1、hhot,n+1分別表示第n+1個離散點的冷熱流體焓值；hcold,n、hhot,n分別為第n個離散點的冷熱流體焓值。
2.3 節(jié)流閥熱力學模型
節(jié)流閥作為調節(jié)低壓罐出口工質參數(shù)和維持高壓罐出口壓力穩(wěn)定的部件，其工作過程是等焓降壓的過程：
式中，hin,TV和hout,TV分別為節(jié)流閥進口、出口焓值；pin,TV和pout,TV分別為節(jié)流閥進口、出口壓力；pd,TV為節(jié)流閥壓降。
2.4 ?分析模型
兩大系統(tǒng)中工質焓?和熱量?定義如下：
式中，下標k和0分別代表流股的序號和環(huán)境狀態(tài)；mk代表k流股的質量流量；Q代表輸入系統(tǒng)的熱量。
對于一個給定的系統(tǒng)部件，?平衡方程、?損方程、?效率以及?損占比分別定義為：
式中，EF,j、EP,j和ED,j分別代表部件j的燃料?、產品?和?損；EQ,j為輸入部件j的熱量?；Ein,j和Eout,j分別代表輸入和輸出部件j的焓?；Wj代表部件j的輸出功率。
2.5 性能指標
本工作以系統(tǒng)循環(huán)效率和儲能密度作為性能評價指標。系統(tǒng)循環(huán)效率為釋能過程輸出的電量與儲能過程消耗電量之比，定義如下。
對于ET-CES系統(tǒng)：
對于LCES系統(tǒng)：
儲能密度為釋能過程中單位儲存體積所釋放的電能，定義如下。
對于ET-CES系統(tǒng)：
對于LCES系統(tǒng)：
式中，tchar和tdischar分別為儲能和釋能時間；VHT、VCT、VLPT、VHPT、VIT分別為熱水罐、冷水罐、低壓罐、高壓罐和蓄冰池的體積。
3 系統(tǒng)性能對比分析
3.1 性能參數(shù)選取
本工作在對比分析ET-CES和LCES儲能系統(tǒng)關鍵性能參數(shù)時，環(huán)境溫度和環(huán)境壓力分別設定為25 ℃和0.1 MPa，充放電時間為8 h，充放電工質流量為100 kg/s，其余邊界參數(shù)見表1和表2。
表1 ET-CES系統(tǒng)主要參數(shù)
表2 LCES系統(tǒng)主要參數(shù)
3.2 性能對比分析
表3對比了相同工況下ET-CES和LCES系統(tǒng)的關鍵參數(shù)和性能指標。結果表明：在壓縮機出口壓力與工質流量相同的條件下，LCES的凈輸入功率和凈輸出功率為11922.46 kW和7582.94 kW，分別比ET-CES系統(tǒng)高出2237.13 kW、3018.81 kW。在循環(huán)效率方面，LCES系統(tǒng)的循環(huán)效率為63.60%，比ET-CES系統(tǒng)高出16.48%，這是因為在ET-CES系統(tǒng)中額外增添了膨脹機和泵，雖然膨脹機補償了部分壓縮機消耗電能，但是在放電過程中CO2泵的消耗功率更高，造成了凈輸出功率的大幅降低，故ET-CES系統(tǒng)循環(huán)效率較低。在儲能密度方面，ET-CES系統(tǒng)的儲能密度為7.36 kWh/m3，比LCES系統(tǒng)高出2.08 kWh/m3，這是因為LCES系統(tǒng)增加了高低壓儲氣罐，用以回收CO2工質，且同樣具有蓄冷和蓄熱罐，故LCES系統(tǒng)儲能密度較低。由此可見，在相同工況下，LCES系統(tǒng)有更高的輸入、輸出功率和循環(huán)效率，而ET-CES系統(tǒng)在儲能密度上更具優(yōu)勢。
表3 性能參數(shù)仿真結果對比
為了進一步剖析兩大系統(tǒng)的能量損失機理，其各系統(tǒng)部件的?損、?效率和?損占比分布如圖2、圖3所示。由圖可知，ET-CES系統(tǒng)和LCES系統(tǒng)的最大?損都發(fā)生在葉輪機械設備上。ET-CES系統(tǒng)中葉輪機械包括壓縮機、膨脹機、泵以及透平，其?損占比分別為22.46%、8.29%、11.1%和22.07%，?損總和達到3357.95 kW，占系統(tǒng)總?損的63.92%。LCES系統(tǒng)中葉輪機械包括壓縮機和透平，其?損占比分別為26.63%、24.71%，?損總和達到2274.70 kW，占系統(tǒng)總?損51.34%。由此可見，葉輪機械損失是造成兩大系統(tǒng)循環(huán)效率低下的關鍵因素，而ET-CES系統(tǒng)中膨脹機和泵所產生的額外?損是引起其循環(huán)效率低于LCES系統(tǒng)的直接原因。此外，由于兩大系統(tǒng)中的間冷器和再熱器處于CO2物性突變區(qū)域，其?損占比排在葉輪機械之后。對于LCES系統(tǒng)，?損占比分布在間冷器之后依次是冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥和冷卻器。對于ET-CES系統(tǒng)，?損分布在膨脹機之后依次是蒸發(fā)器、冷凝器和冷卻器。通過?損分布可知，對于ET-CES和LCES系統(tǒng)，攻關高性能葉輪機械設備和優(yōu)化間冷器、再熱器中CO2和加壓水的換熱性能是減少兩種系統(tǒng)?損的關鍵。
圖2 ET-CES系統(tǒng)?損、?效率和?損占比分布圖
圖3 LCES系統(tǒng)?損、?效率和?損占比分布圖
3.3 敏感性分析
兩大系統(tǒng)中都存在壓縮機和透平2個主要的能量轉化單元，且間冷器和再熱器都處于工質物性突變區(qū)域，因此，本工作主要探究了壓縮機等熵效率(ηC)、透平等熵效率(ηT)、壓縮機出口壓力(p2、p4')以及間冷器冷卻溫度(T3、T5')這4個獨立參數(shù)對于兩大系統(tǒng)性能指標的影響。
圖4為壓縮機效率對于ET-CES和LCES系統(tǒng)性能指標的影響，分析可知：當壓縮機等熵效率從80%提升到96%時，ET-CES系統(tǒng)循環(huán)效率從45.45%上升至50.96%，升高了5.51%，而儲能密度從7.58 kWh/m3下降至6.94 kWh/m3，降低了0.64 kWh/m3。LCES系統(tǒng)循環(huán)效率從61.17%上升至68.87%，升高了7.7%，而儲能密度從5.38 kWh/m3下降至5.10 kWh/m3，降低了0.28 kWh/m3。一方面，兩大系統(tǒng)的循環(huán)效率都隨壓縮機等熵效率的增加而增大，這是因為壓縮機等熵效率提高降低了壓縮機不可逆損失；而儲能密度隨壓縮機等熵效率的提高而減小，這是因為壓縮機出口溫度會隨壓縮機等熵效率提高而降低，導致蓄熱溫度的降低，進一步造成了釋能過程中透平入口溫度降低，輸出功減少。另一方面，隨著壓縮機等熵效率的增加，LCES系統(tǒng)循環(huán)效率增長幅度高于ET-CES系統(tǒng)，且儲能密度下降幅度低于ET-CES系統(tǒng)，這是因為隨著壓縮機等熵效率的增加，兩大系統(tǒng)的壓縮機耗功增加量和透平出功減少量相當，而LCES系統(tǒng)的凈輸出功率和儲能體積都遠高于ET-CES系統(tǒng)，因此，LCES系統(tǒng)的循環(huán)效率上升幅度更大，儲能密度下降幅度更小，這表明壓縮機等熵效率提升更加有利于LCES系統(tǒng)性能的提升。
圖4 ET-CES和LCES中壓縮機等熵效率對系統(tǒng)性能影響
圖5為透平等熵效率對ET-CES和LCES系統(tǒng)性能指標的影響，分析可知：當透平等熵效率從80%提升到96%時，ET-CES系統(tǒng)循環(huán)效率從39.73%上升至56.58%，升高了16.85%，儲能密度從6.13 kWh/m3上升至8.93 kWh/m3，升高了2.80 kWh/m3。LCES系統(tǒng)循環(huán)效率從57.82%上升至69.38%，升高了11.56%，而儲能密度從4.78 kWh/m3上升至5.10 kWh/m3，升高了0.32 kWh/m3。從整體上看，兩大系統(tǒng)的循環(huán)效率和儲能密度都隨透平等熵效率的增加而增大，這是因為透平等熵效率的提升降低了透平的不可逆損失，在相同膨脹比和進口溫度下，輸出功率更大，故循環(huán)效率和儲能密度同時增加。從個體上看，隨著透平等熵效率的增加，ET-CES系統(tǒng)循環(huán)效率和儲能密度增長幅度均高于LCES系統(tǒng)，這是因為隨著透平等熵效率增加，兩大系統(tǒng)的透平出功增加量相當，但ET-CES系統(tǒng)的儲存體積和凈輸入功率遠小于LCES系統(tǒng)，因此其循環(huán)效率與儲能密度增長幅度高于LCES系統(tǒng)，這表明透平等熵效率提升更加有利于ET-CES系統(tǒng)性能的提升。
圖5 ET-CES和LCES中透平等熵效率對系統(tǒng)性能影響
圖6為壓縮機出口壓力對ET-CES和LCES系統(tǒng)性能指標的影響，由圖可知：隨著壓縮機出口壓力的提升，ET-CES系統(tǒng)循環(huán)效率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在24 MPa時達到最大值47.13%，變化幅度趨于平緩，這是因為壓縮機出口壓力的提高一方面增大了壓縮機耗功，但同時也增加了透平的入口壓力和溫度，導致單位工質輸出功增加，另一方面，ET-CES存在膨脹機和水泵兩個壓力能與冷能之間的轉換設備，壓縮機出口壓力提高，增大了膨脹機和水泵的不可逆損失。相較于ET-CES，LCES系統(tǒng)中只有壓縮機和透平兩個葉輪機械設備，隨著壓縮機出口壓力增大，單位工質的出功增加量遠大于耗功量，故當壓縮機出口壓力從14 MPa提升至30 MPa時，系統(tǒng)循環(huán)效率提高了11.91%。此外，兩大系統(tǒng)的儲能密度皆隨壓縮機出口壓力的增大而提高，這是由于透平進口壓力提升導致了單位工質的輸出功率增大。當壓縮機出口壓力從14 MPa提升到30 MPa時，ET-CES系統(tǒng)儲能密度從3.77 kWh/m3上升至8.42 kWh/m3，升高了4.65 kWh/m3，LCES系統(tǒng)儲能密度從2.52 kWh/m3上升至6.29 kWh/m3，升高了3.77 kWh/m3。綜上，壓縮機出口壓力的提高能較大地提升LCES系統(tǒng)循環(huán)效率和兩大系統(tǒng)的儲能密度，但對于ET-CES系統(tǒng)的循環(huán)效率影響較小。
圖6 ET-CES和LCES中壓縮機出口壓力對系統(tǒng)性能影響
在ET-CES和LCES系統(tǒng)中間冷器和再熱器的?損較大，僅次于葉輪機械的?損，這是由于間冷器和再熱器換熱過程處在CO2臨界點附近，越靠近臨界區(qū)域定壓比熱容Cp隨溫度的變化越明顯，而間冷器冷卻溫度的變化直接影響到間冷器換熱工質間的熱容匹配性能。圖7為間冷器冷卻溫度對ET-CES和LCES系統(tǒng)性能指標的影響。由圖可見，隨著間冷器熱端出口溫度的提高，ET-CES和LCES系統(tǒng)的循環(huán)效率皆呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，前者在41 ℃時達到最高值50.06%。后者在36 ℃時達到最高值63.99%。這是由于間冷器冷卻溫度處于最佳時，間冷器熱容匹配性能得到改善，進一步提高了透平入口溫度，單位工質輸出功率增大，故系統(tǒng)循環(huán)效率提高。兩大系統(tǒng)的儲能密度在間冷器工質出口溫度達到最佳時達到最大，ET-CES最佳儲能密度為7.99 kWh/m3，LCES為5.32 kWh/m3。
圖7 ET-CES和LCES中間冷器冷卻溫度對系統(tǒng)性能影響
4 結 論
本工作開展了對于ET-CES與LCES系統(tǒng)的性能對比研究，通過建立系統(tǒng)各部件的熱平衡和?分析模型，對比分析了兩者在典型工況下的性能指標，并借助?分析得到了兩大系統(tǒng)各部件的?損分布情況，進一步揭示了兩者在能量損失機理上的差異性。通過敏感性分析探究了壓縮機/透平等熵效率、壓縮機出口壓力以及間冷器冷卻溫度對于兩者性能指標的影響程度。具體結論如下所述。
（1）在相同邊界參數(shù)下，ET-CES系統(tǒng)由于額外增加了膨脹機和泵的不可逆損失，其循環(huán)效率遠低于LCES系統(tǒng)；同時，高低壓儲氣罐的加入大幅增加了LCES系統(tǒng)的儲能體積，進而降低了儲能密度，故LCES系統(tǒng)在儲能密度上處于劣勢。
（2）通過對兩者關鍵參數(shù)的靈敏度分析發(fā)現(xiàn)，壓縮機等熵效率和出口壓力的上升對LCES系統(tǒng)的提升更大，而透平等熵效率的上升對ET-CES系統(tǒng)的提升更大。間冷器冷卻溫度會影響兩大系統(tǒng)間冷器和再熱器的熱容匹配性能，兩者皆存在一個最優(yōu)值，使得系統(tǒng)性能達到最佳。
（3）在技術路徑選擇方面，當追求儲能密度時，應優(yōu)先選擇ET-CES系統(tǒng)，需重點關注透平性能；在追求循環(huán)效率時，應優(yōu)先選擇LCES系統(tǒng)，應適當提高儲氣壓力，攻關高性能CO2壓縮機。此外，本工作所討論的LCES系統(tǒng)受限于冰漿蓄冷下的冷凝溫度，低壓側存儲壓力偏高，在相同壓比下，導致高壓側儲存壓力過高所帶來的儲罐壁厚增加、工程難度較大以及造價高等問題制約了其經濟性能。因此，需重點開發(fā)與LCES系統(tǒng)低壓側CO2(1 MPa下冷凝溫度約-40 ℃)相匹配的相變蓄冷介質，構建分段式潛/顯冷高效換熱技術，降低系統(tǒng)低壓側CO2冷凝壓力，拓寬工質壓力運行范圍，進一步降低系統(tǒng)高壓側儲罐壓力。
