中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 “雙碳”目標(biāo)下，包括太陽(yáng)能和風(fēng)能在內(nèi)的可再生能源發(fā)電穩(wěn)步增長(zhǎng)?，F(xiàn)有技術(shù)難以支撐消納逐年增加的可再生能源亟需大規(guī)模儲(chǔ)能裝置保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行的現(xiàn)狀。熱泵儲(chǔ)電技術(shù)作為新興儲(chǔ)能技術(shù)手段，具有高效率、高儲(chǔ)能密度、靈活的按需構(gòu)建優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于正在發(fā)展中的幾種儲(chǔ)能技術(shù)，熱泵儲(chǔ)電技術(shù)具有較好的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。本文首先介紹了熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的工作原理，梳理歸納了當(dāng)前熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的主要分類(lèi)包括基于布雷頓循環(huán)的(三種類(lèi)型)儲(chǔ)電系統(tǒng)以及基于朗肯循環(huán)的儲(chǔ)電系統(tǒng)，對(duì)比總結(jié)了兩種儲(chǔ)電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)核心部件的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。綜合分析表明，迄今為止熱泵儲(chǔ)電技術(shù)的研究主要集中在儲(chǔ)電系統(tǒng)本身的流程設(shè)計(jì)和熱力學(xué)優(yōu)化分析。近年來(lái)部分研究人員搭建了實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的熱泵儲(chǔ)電示范系統(tǒng)，加快熱泵儲(chǔ)電技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)不僅在儲(chǔ)電領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，在余熱回收以及冷熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域同樣具有一定的應(yīng)用潛力，構(gòu)建利用低品位余熱及面向生產(chǎn)生活場(chǎng)景下的多能互補(bǔ)系統(tǒng)，能夠使熱泵儲(chǔ)電技術(shù)成為能源系統(tǒng)中更高效的電、熱、冷調(diào)節(jié)管理技術(shù)手段，有望快速推動(dòng)我國(guó)能源系統(tǒng)向綠色低碳化轉(zhuǎn)型。
關(guān)鍵詞 可再生能源；儲(chǔ)能技術(shù)；熱泵儲(chǔ)電
為實(shí)現(xiàn)習(xí)總書(shū)記提出的“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，我國(guó)太陽(yáng)能、風(fēng)能以及核能等可再生能源技術(shù)發(fā)展迅速。截至2022年我國(guó)非化石能源消費(fèi)量在一次能源消費(fèi)總量中占比為17.5%，預(yù)計(jì)非化石能源消費(fèi)到2030年將達(dá)到25% 。隨著新能源技術(shù)快速發(fā)展，以風(fēng)電、光電為代表的可再生能源裝機(jī)規(guī)模和利用率顯著提高，可再生能源生產(chǎn)的電力迅速增加加快了我國(guó)能源結(jié)構(gòu)向低碳化轉(zhuǎn)型。與此同時(shí)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性等技術(shù)缺陷越發(fā)凸顯，產(chǎn)生了電力消納難和外送難等客觀問(wèn)題。若將這些發(fā)電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用到電網(wǎng)中不僅會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性以及安全性造成顯著影響，還會(huì)對(duì)提升電網(wǎng)中低碳電力占比造成阻礙。因此部署大規(guī)模高效快速儲(chǔ)能裝置以消納可再生能源電力的必要性日益突出。
目前國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能技術(shù)主要有抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能及超導(dǎo)儲(chǔ)能等方式。化學(xué)儲(chǔ)能中的氫儲(chǔ)能技術(shù)是我國(guó)目前大力發(fā)展的儲(chǔ)能技術(shù)之一，具有高能量密度、長(zhǎng)周期、跨季節(jié)儲(chǔ)存及運(yùn)輸便利等優(yōu)勢(shì)。氫儲(chǔ)能作為新興的儲(chǔ)能形式目前技術(shù)尚未成熟，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用存在諸多需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。
抽水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)較為成熟。抽水儲(chǔ)能是目前全球裝機(jī)容量最大的成熟儲(chǔ)能技術(shù)，其占比達(dá)到儲(chǔ)能容量的94%。2022年全球新增抽水蓄能裝機(jī)容量為1030萬(wàn)kW，其中我國(guó)新增抽水蓄能裝機(jī)容量高達(dá)880萬(wàn)kW，其占比超過(guò)了85%。但抽水蓄能系統(tǒng)極度依賴(lài)地勢(shì)條件的缺點(diǎn)較為明顯，其建造初投資成本較高。壓縮空氣儲(chǔ)能具有容量大、成本較低、工作周期長(zhǎng)、安全系數(shù)高、高效率以及經(jīng)濟(jì)性能較好的優(yōu)勢(shì)。但是大規(guī)模的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)也同樣存在需要大量?jī)?chǔ)氣洞穴以及對(duì)地理?xiàng)l件要求高的問(wèn)題。
熱泵儲(chǔ)電技術(shù)作為目前新型大規(guī)模儲(chǔ)電技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛的關(guān)注。熱泵儲(chǔ)電與壓縮空氣儲(chǔ)能有著相似的系統(tǒng)部件，最大區(qū)別在于壓縮空氣儲(chǔ)能以高壓氣體的形式儲(chǔ)存電能，而熱泵儲(chǔ)電則是將富余電能轉(zhuǎn)換為冷熱能的形式儲(chǔ)存。將抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能與熱泵儲(chǔ)電技術(shù)對(duì)比如表1所示。結(jié)果顯示熱泵儲(chǔ)電技術(shù)是有較大研究潛力和應(yīng)用前景的新型儲(chǔ)能技術(shù)。相比于抽水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，熱泵儲(chǔ)電的優(yōu)勢(shì)在于有著更高的能量密度，應(yīng)用靈活不依賴(lài)地理位置建造，可以依靠大型風(fēng)力發(fā)電廠、光伏光熱發(fā)電廠以及傳統(tǒng)熱力發(fā)電廠等場(chǎng)景建設(shè)，因而更具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。目前我國(guó)對(duì)于熱泵儲(chǔ)電技術(shù)的研究尚處于基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)階段。本文對(duì)比分析了熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)研究進(jìn)行展望。
表1 熱泵儲(chǔ)電技術(shù)和其他儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比
1 熱泵儲(chǔ)電技術(shù)原理
熱泵儲(chǔ)電技術(shù)是由動(dòng)力循環(huán)技術(shù)和熱能存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合的一種電能儲(chǔ)存技術(shù)。利用熱泵進(jìn)行電能儲(chǔ)存最早由德國(guó)學(xué)者M(jìn)arguerre提出。熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)由熱機(jī)循環(huán)、熱泵循環(huán)以及儲(chǔ)罐三部分組成，系統(tǒng)原理如圖1所示。熱泵循環(huán)用于儲(chǔ)能階段，用電低谷期或電能富余期通過(guò)消耗電能產(chǎn)生熱能和冷能，儲(chǔ)存于高溫和低溫儲(chǔ)罐中，通過(guò)將電能轉(zhuǎn)換為熱能的方式儲(chǔ)存達(dá)到緩解電網(wǎng)壓力的目的；熱機(jī)循環(huán)用于釋能階段，系統(tǒng)于電力匱乏期通過(guò)熱機(jī)循環(huán)以?xún)?chǔ)罐作為熱源，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。通過(guò)儲(chǔ)能循環(huán)與釋能循環(huán)對(duì)電能的儲(chǔ)存與釋放，實(shí)現(xiàn)了更高效地利用可再生能源，達(dá)到電力系統(tǒng)削峰填谷的目的，并且實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)的平衡和穩(wěn)定。
圖1 典型熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)示意圖
熱泵儲(chǔ)電技術(shù)以正/逆向卡諾循環(huán)為支撐，熱泵循環(huán)效率與熱機(jī)循環(huán)效率之積定義為儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)效率。在理想狀態(tài)下，卡諾循環(huán)的電-熱轉(zhuǎn)換效率η1與熱-電轉(zhuǎn)換效率η2的乘積為1，即系統(tǒng)儲(chǔ)存的電能能夠完全釋放。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的循環(huán)效率可達(dá)40%～70%。
2 熱泵儲(chǔ)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)外熱泵儲(chǔ)電技術(shù)主要分為兩類(lèi)系統(tǒng)。一種是基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)，另一種是基于朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)。早期對(duì)于熱泵儲(chǔ)電技術(shù)的研究更多地集中在基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)，此類(lèi)型的系統(tǒng)使用氦氣、氬氣、CO2或者空氣等作為循環(huán)工質(zhì)。基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)有較高的儲(chǔ)熱溫度，通常超過(guò)800 K，甚至接近1300 K。過(guò)高的儲(chǔ)熱溫度一方面增加了儲(chǔ)熱部件的熱損失與壓力損失，另一方面還對(duì)高溫高壓的壓縮部件制造提出了更高的挑戰(zhàn)。普遍認(rèn)為上述情況是影響基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的重要因素。該類(lèi)型系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中工作介質(zhì)有著較大的溫度變化區(qū)間，固態(tài)填充床式的儲(chǔ)能部件更為適用，儲(chǔ)熱介質(zhì)通常由固體材料如沙礫、混凝土、Al2O3或其他材料構(gòu)成。常見(jiàn)的基于朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)是跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)。該類(lèi)型系統(tǒng)能夠有效解決基于布雷頓循環(huán)的系統(tǒng)中儲(chǔ)熱溫度過(guò)高的問(wèn)題，儲(chǔ)熱溫度通常低于450 K。但是系統(tǒng)中存在明顯的高壓?jiǎn)栴}，系統(tǒng)運(yùn)行壓力一般在140～200 bar(1 bar=0.1 MPa)之間，這對(duì)系統(tǒng)的承壓性能以及密封性能都提出了更高的要求。除了跨臨界朗肯循環(huán)，蒸汽朗肯循環(huán)和有機(jī)朗肯循環(huán)同樣可應(yīng)用于熱泵儲(chǔ)電技術(shù)中，因此基于朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為靈活，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景及需求可以選擇出最合適的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。基于朗肯循環(huán)方式的系統(tǒng)通常采用潛熱的方式儲(chǔ)存熱量，因此其具有更高的能量密度。以下分別對(duì)比分析兩類(lèi)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究成果。
2.1 基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)
在兩類(lèi)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的研究中基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的研究較為廣泛。研究熱點(diǎn)主要集中在設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化、控制策略制定、結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化等方面。Desrues等人較早以布雷頓循環(huán)為基礎(chǔ)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[22]搭建的模型系統(tǒng)如圖2所示，由高壓儲(chǔ)罐、低壓儲(chǔ)罐、壓縮機(jī)/膨脹機(jī)以及熱交換器組成，以氬氣作為工作流體。儲(chǔ)熱罐中填充耐熱材料以顯熱的方式儲(chǔ)存能量。模擬計(jì)算其最高儲(chǔ)熱溫度為1000 ℃，最低儲(chǔ)冷溫度為-70 ℃，系統(tǒng)循環(huán)效率為66.7%，當(dāng)儲(chǔ)罐的體積設(shè)置為21622 m3時(shí)系統(tǒng)的儲(chǔ)存容量為602.6 MWh。Howes等人搭建了類(lèi)似熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)，區(qū)別在于系統(tǒng)中采用的是往復(fù)式壓縮機(jī)與膨脹機(jī)，并將熱交換器集成到往復(fù)式壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的活塞中，計(jì)算得到72%的循環(huán)效率。在熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)中循環(huán)效率是儲(chǔ)能溫度的函數(shù)，對(duì)于布雷頓的系統(tǒng)而言高儲(chǔ)存溫度有益于實(shí)現(xiàn)高往返效率和高儲(chǔ)存密度。但是在系統(tǒng)中高的溫度比通過(guò)高的壓力比實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而不僅提高了對(duì)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的性能要求，同時(shí)增加了儲(chǔ)罐的建造成本。
圖2 系統(tǒng)示意圖
基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)主要分為三種類(lèi)型，包括Isentropic(簡(jiǎn)稱(chēng)Is型)、Saipem(簡(jiǎn)稱(chēng)Sa型)和Malta類(lèi)型(簡(jiǎn)稱(chēng)Ma型)，均以專(zhuān)利所有的公司命名。Is型儲(chǔ)電系統(tǒng)循環(huán)壓比高、系統(tǒng)運(yùn)行溫度范圍低，該系統(tǒng)的熱罐和冷罐在儲(chǔ)能過(guò)程中初始溫度均為常溫(環(huán)境溫度)；而Sa型儲(chǔ)電系統(tǒng)的特點(diǎn)則是循環(huán)壓比低和運(yùn)行溫度范圍大，該類(lèi)型系統(tǒng)的熱罐在儲(chǔ)能過(guò)程中初始溫度為常溫(環(huán)境溫度)，冷罐在儲(chǔ)能過(guò)程中初始溫度較高。兩種系統(tǒng)對(duì)比如圖3所示。張涵等人在相同的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況下比較了Sa和Is兩種類(lèi)型系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)Sa型系統(tǒng)有著更高的循環(huán)效率(64.28%)，而Is型系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性更好；當(dāng)系統(tǒng)儲(chǔ)熱溫度較低時(shí)Is型系統(tǒng)的性能表現(xiàn)更優(yōu)。
圖3 兩種布雷頓循環(huán)系統(tǒng)示意圖：(a) Isentropic型，(b) Saipem型
Ma型熱泵儲(chǔ)電系使用液態(tài)的儲(chǔ)能介質(zhì)和換熱器代替直接接觸換熱的固體材料填充床，其系統(tǒng)如圖4所示。Zhang等人建立了Ma型與Is型熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)模型并對(duì)其性能進(jìn)行比較分析。對(duì)比顯示Ma型系統(tǒng)的循環(huán)效率相較于Is型系統(tǒng)低5.87%~12.73%。在對(duì)Ma型系統(tǒng)的?分析中發(fā)現(xiàn)熱交換器的性能優(yōu)化能更好地提高系統(tǒng)整體?效率。
圖4 Malta型布雷頓循環(huán)系統(tǒng)示意圖
楊鶴等對(duì)Ma型熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)分析與運(yùn)行性能優(yōu)化，得到了往返效率、儲(chǔ)能密度與功率密度的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式。同時(shí)基于采用遺傳算法對(duì)該系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，得到往返效率、儲(chǔ)能密度和功率密度之間的變化趨勢(shì)。通過(guò)LINMAP決策方法獲得了帕累托前沿解集中最優(yōu)解決方案，得到最大往返效率以及最大儲(chǔ)能密度3個(gè)工況下的優(yōu)化結(jié)果。該研究為熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇以及研究提供了部分理論依據(jù)。
三種類(lèi)型的儲(chǔ)電系統(tǒng)中Sa型系統(tǒng)的循環(huán)效率最高，但電能輸出穩(wěn)定性較差于Is型系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)的區(qū)別在于Is型系統(tǒng)的高儲(chǔ)熱溫度由高壓比實(shí)現(xiàn)，而Sa型系統(tǒng)在運(yùn)行前由電加熱器對(duì)儲(chǔ)冷罐進(jìn)行預(yù)加熱，可以通過(guò)較低的壓比實(shí)現(xiàn)較高的儲(chǔ)熱溫度。Ma型系統(tǒng)的循環(huán)效率在三種系統(tǒng)中最低，其原因在于引入的兩個(gè)氣液換熱器造成了額外的能量損失。Ma型系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于投資成本更低，比其余兩種系統(tǒng)有更短的投資回報(bào)期，電能儲(chǔ)存持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)到24 h和48 h的時(shí)候，Ma型系統(tǒng)能夠節(jié)省30%和40%投資成本。儲(chǔ)罐不與工作回路直接連通，通過(guò)換熱器連接避免了高壓儲(chǔ)熱罐復(fù)雜性的問(wèn)題，能夠使系統(tǒng)運(yùn)行壓力提高到更高的水平，進(jìn)而提高系統(tǒng)循環(huán)效率和功率密度。Ma型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還避免了儲(chǔ)熱介質(zhì)碎屑隨氣體工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)和膨脹機(jī)造成損害的可能性，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。
值得注意的一點(diǎn)是Is和Ma型兩種系統(tǒng)均存在高溫高壓的問(wèn)題，Is型通過(guò)高壓實(shí)現(xiàn)高儲(chǔ)熱，Ma型通過(guò)提高系統(tǒng)循環(huán)壓力提高循環(huán)效率以彌補(bǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上造成的效率損失。預(yù)計(jì)維持高溫高壓的工作回路造成的額外材料成本會(huì)造成額外的成本支出，但是目前的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析中并未考慮到承受高溫高壓回路的成本因素。
往返效率作為儲(chǔ)電系統(tǒng)的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，部分研究關(guān)注到其對(duì)各類(lèi)損失及參數(shù)設(shè)置的敏感性。在研究中發(fā)現(xiàn)與外部損失相比內(nèi)部損失對(duì)系統(tǒng)往返效率的影響更明顯，在內(nèi)部損失中壓縮機(jī)和膨脹機(jī)是決定性因素。并且通過(guò)?分析發(fā)現(xiàn)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)主要?損失發(fā)生在壓縮機(jī)，可以通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)與膨脹機(jī)的優(yōu)化改進(jìn)提高系統(tǒng)的循環(huán)效率。
王際輝等人對(duì)基于閉式布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)中儲(chǔ)熱溫度和壓降對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示往返效率隨高溫?zé)崦綔囟鹊纳叨龃?，隨低溫?zé)崦綔囟鹊南陆党氏仍龃蠛鬁p小的趨勢(shì)，如圖5所示。出現(xiàn)拐點(diǎn)的原因在于系統(tǒng)發(fā)電功率隨低溫?zé)崦綔囟鹊淖兓厔?shì)呈二次函數(shù)曲線(xiàn)；而儲(chǔ)電功率與低溫?zé)崦綔囟冉茷榫€(xiàn)性關(guān)系。系統(tǒng)壓降通過(guò)影響壓比改變透平和壓縮機(jī)的進(jìn)出口溫度，當(dāng)壓降升高時(shí)系統(tǒng)循環(huán)效率會(huì)有所下降。
圖5 系統(tǒng)往返效率隨高低溫?zé)崦阶兓厔?shì)
通常熱泵儲(chǔ)電可以分為儲(chǔ)能、儲(chǔ)存和釋能三個(gè)部分，Wang等人分別對(duì)三個(gè)單獨(dú)的過(guò)程基于?分析的方法進(jìn)行優(yōu)化分析研究。研究結(jié)果如圖6所示，發(fā)現(xiàn)提高系統(tǒng)工作溫度上限是提高循環(huán)效率和能量密度的關(guān)鍵。并且儲(chǔ)能過(guò)程壓比的提高在增加系統(tǒng)儲(chǔ)能密度的同時(shí)降低了循環(huán)效率，因此存在最佳壓比平衡儲(chǔ)能密度與循環(huán)效率之間的關(guān)系。
圖6 循環(huán)效率和儲(chǔ)能密度隨壓比變化趨勢(shì)
目前基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)大都在穩(wěn)態(tài)條件下，缺乏對(duì)其動(dòng)態(tài)特性研究，從而導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中難以預(yù)測(cè)、調(diào)節(jié)和優(yōu)化系統(tǒng)的性能。部分研究對(duì)布雷頓循環(huán)系統(tǒng)建立了動(dòng)態(tài)仿真模型并進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究分析，通過(guò)研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性可以更好地理解和優(yōu)化系統(tǒng)的性能，為將來(lái)的實(shí)際應(yīng)用提供參考。
針對(duì)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)真實(shí)儲(chǔ)能過(guò)程的瞬態(tài)特性得不到體現(xiàn)的問(wèn)題，張謹(jǐn)奕等人基于Simulink平臺(tái)和模塊化建模方法對(duì)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)建立了動(dòng)態(tài)仿真模型，研究熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)在功率變化條件下的動(dòng)態(tài)性能，以及各工作特性參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)對(duì)工質(zhì)流量調(diào)節(jié)的方法調(diào)節(jié)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)功率、儲(chǔ)熱/儲(chǔ)冷系統(tǒng)的傳熱量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)效率的調(diào)節(jié)和控制。除此之外壓比和等熵效率的提高能很好改善系統(tǒng)電能輸出的穩(wěn)定性，并且對(duì)于儲(chǔ)罐而言存在最佳輸送壓縮比、材料顆粒尺寸、儲(chǔ)罐的長(zhǎng)徑比和充放電持續(xù)時(shí)間，使得系統(tǒng)循環(huán)效率達(dá)到最大且輸出穩(wěn)定性最高。隨著充放電時(shí)間的增加，儲(chǔ)冷罐的最佳長(zhǎng)徑比逐漸增大儲(chǔ)熱罐的最佳長(zhǎng)徑比先增大后減小，并且當(dāng)充放電時(shí)間比為2∶1時(shí)系統(tǒng)的最大循環(huán)效率為70.97%、平準(zhǔn)化成本(LCOS)最低為(0.190±0.043) USD/kWh。
由于可再生能源發(fā)電存在波動(dòng)性和間歇性導(dǎo)致熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)需要在必要的時(shí)候快速啟動(dòng)來(lái)維持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過(guò)程研究尤為關(guān)鍵。路唱等人對(duì)系統(tǒng)從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程的控制策略和動(dòng)態(tài)性能展開(kāi)研究，研究表明轉(zhuǎn)速升速率不影響系統(tǒng)在儲(chǔ)能過(guò)程的啟動(dòng)時(shí)間；但在釋能過(guò)程中，轉(zhuǎn)速升速率不僅影響系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，而且不合理的轉(zhuǎn)速升速率設(shè)置會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生較大的波動(dòng)和超調(diào)量。同時(shí)以1.5 MW的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)為例，給出了轉(zhuǎn)速升速率設(shè)置為100 r/min，儲(chǔ)能過(guò)程和釋能過(guò)程的壓力分別設(shè)置為4.45 MPa和5 MPa的結(jié)論。
熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)不僅要對(duì)發(fā)電側(cè)的變化做出及時(shí)響應(yīng)，同時(shí)還要對(duì)用戶(hù)側(cè)負(fù)載擾動(dòng)做出及時(shí)調(diào)整。由于熱慣性存在熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)輸出效率和用戶(hù)側(cè)負(fù)載之間存在時(shí)滯留性，因此需要一個(gè)控制策略適應(yīng)用戶(hù)側(cè)負(fù)載快速變化以保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。針對(duì)此問(wèn)題，Yang等人對(duì)用戶(hù)側(cè)負(fù)載擾動(dòng)對(duì)熱機(jī)循環(huán)的影響進(jìn)行了仿真并提出了一種工作流體的儲(chǔ)存控制策略。如圖7和圖8所示，在用戶(hù)側(cè)負(fù)荷變化的過(guò)程中系統(tǒng)在該策略的控制下各狀態(tài)點(diǎn)的溫度穩(wěn)定，凈輸出功率能夠在132s以?xún)?nèi)跟隨用戶(hù)側(cè)負(fù)荷的變化趨勢(shì)內(nèi)波動(dòng)控制在2.6%以?xún)?nèi)。
圖7 各狀態(tài)點(diǎn)隨負(fù)載擾動(dòng)變化
圖8 凈輸出功隨負(fù)載擾動(dòng)變化
對(duì)布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)除了基于穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的性能分析與參數(shù)優(yōu)化外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)流程進(jìn)行研究探索，對(duì)基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)流程進(jìn)行了改進(jìn)探索以獲得系統(tǒng)達(dá)到更高的循環(huán)效率、能量利用率以及經(jīng)濟(jì)性。
在對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的整理研究中發(fā)現(xiàn)，熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)中存在顯著的不可逆損失。一方面在于釋能過(guò)程中膨脹機(jī)出口處仍有明顯高于環(huán)境溫度的排氣溫度，對(duì)于該部分排氣余熱常規(guī)系統(tǒng)采用冷卻水降溫處理；另一方面在于隨著釋能過(guò)程的推進(jìn)，熱儲(chǔ)罐的輸出溫度逐漸降低，直至溫度無(wú)法滿(mǎn)足膨脹機(jī)工作需求釋能過(guò)程結(jié)束，但此時(shí)仍有部分冷熱能存儲(chǔ)于儲(chǔ)罐中。冷卻散失以及積累于儲(chǔ)罐中的能量若考慮應(yīng)用于區(qū)域供熱和制冷，有效提高熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的能量利用效率以及經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)此Zhang等人提出一種基于布雷頓循環(huán)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并且建立非穩(wěn)態(tài)模型開(kāi)展研究，系統(tǒng)如圖9所示。文章提出儲(chǔ)電、熱電聯(lián)產(chǎn)以及冷熱電聯(lián)產(chǎn)三種運(yùn)行模式，結(jié)果表明僅在儲(chǔ)電模式下運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)效率為63.5%；在熱電聯(lián)產(chǎn)模式下運(yùn)行時(shí)，最大COP可以達(dá)到137.9%；在冷熱電聯(lián)產(chǎn)模式下運(yùn)行時(shí)，獲得了188.1%的最大COP且最大?效率為63.9%，相比于儲(chǔ)電模式提高了1.4%，有效挽回系統(tǒng)不可逆損失。孫鵬將熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)應(yīng)用于某工業(yè)園區(qū)，系統(tǒng)同時(shí)為園區(qū)供應(yīng)電能及蒸汽。系統(tǒng)部署后節(jié)省了16.49%的電網(wǎng)購(gòu)電支出，并且供給了園區(qū)82%的蒸汽需求。
圖9 基于布雷頓循環(huán)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)原理圖
Farres-Antunez等人提出一種基于液態(tài)空氣儲(chǔ)能和熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖10所示。熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)作為頂部循環(huán)，液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)作為底部循環(huán)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是以熱交換器替代兩個(gè)系統(tǒng)中的冷能儲(chǔ)罐。研究發(fā)現(xiàn)耦合系統(tǒng)的往返效率與單獨(dú)的兩種系統(tǒng)的往返效率相近，但耦合系統(tǒng)有著更高的儲(chǔ)能密度。
圖10 液態(tài)空氣-熱泵儲(chǔ)能耦合系統(tǒng)示意圖
Farres-Antunez等人提出了將太陽(yáng)能熱發(fā)電與熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)聯(lián)用，并對(duì)其進(jìn)行可行性研究。Petrollese等人基于上述思路提出了光伏發(fā)電與熱泵儲(chǔ)電耦合的創(chuàng)新型系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖11所示。該系統(tǒng)的循環(huán)效率最大可達(dá)60%，光伏部分可單獨(dú)運(yùn)行，并且熱泵儲(chǔ)電部分不受光伏部分的影響。
圖11 創(chuàng)新耦合系統(tǒng)
除了流程性能參數(shù)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，學(xué)者們還關(guān)注到熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[47-49]對(duì)熱泵電系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，包括?經(jīng)濟(jì)分析、平準(zhǔn)化存儲(chǔ)成本分析以及多指標(biāo)經(jīng)濟(jì)分析。分析結(jié)果均表示熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)相較于成熟的大型儲(chǔ)能系統(tǒng)有著很大的成本競(jìng)爭(zhēng)力。不論是作為短期能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)還是作為大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)均具有較大應(yīng)用潛力。
目前基于布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)仍處于理論模擬階段，尚未有實(shí)際工程運(yùn)行參數(shù)分析成果。直至2023年Ameen等人對(duì)布雷頓儲(chǔ)電系統(tǒng)建立了瞬態(tài)的數(shù)學(xué)模型，并且搭建世界上第一臺(tái)電網(wǎng)規(guī)模的熱泵儲(chǔ)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論模擬的熱力學(xué)往返效率。
2.2 基于朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)
基于朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)最早由ABB公司提出并進(jìn)行研究分析。由于使用布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)需要搭配大型高壓存儲(chǔ)罐，進(jìn)而造成了系統(tǒng)成本較高。對(duì)此問(wèn)題，ABB公司提出了基于跨臨界CO2朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)解決方案，系統(tǒng)原理如圖12所示。該系統(tǒng)的最高儲(chǔ)熱溫度為123℃，且系統(tǒng)循環(huán)效率達(dá)到53%。在上述的研究基礎(chǔ)上構(gòu)造了含有熱水及冷水儲(chǔ)存的跨臨界CO2系統(tǒng)。在儲(chǔ)能階段，熱泵循環(huán)用于對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的水進(jìn)行加熱，進(jìn)而加熱后的水將在釋能階段為熱機(jī)循環(huán)提供動(dòng)力。在冷側(cè)潛熱通過(guò)低溫冰鹽水儲(chǔ)存，最終實(shí)現(xiàn)60%的往返效率和177 ℃的儲(chǔ)熱溫度。
圖12 基于朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)示意圖
基于朗肯循環(huán)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的研究更多地關(guān)注到系統(tǒng)構(gòu)型的優(yōu)化改進(jìn)。Frate等人在常規(guī)系統(tǒng)中增加了兩個(gè)回?zé)崞?，系統(tǒng)如圖13所示。回?zé)崞鞯募尤胧沟孟到y(tǒng)的性能有所提升。從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)以導(dǎo)熱油為儲(chǔ)熱介質(zhì)的帶回?zé)岬南到y(tǒng)構(gòu)型是較佳方案。
圖13 帶回?zé)岬臒崮?有機(jī)朗肯循環(huán)儲(chǔ)電系統(tǒng)
為提高熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度，Chen等人提出了一種帶補(bǔ)熱型的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)，并且在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上耦合有機(jī)朗肯系統(tǒng)。采用瞬態(tài)分析的方法對(duì)傳統(tǒng)熱泵儲(chǔ)電、補(bǔ)熱型的熱泵儲(chǔ)電、傳統(tǒng)熱泵儲(chǔ)電+有機(jī)朗肯、補(bǔ)熱型的熱泵儲(chǔ)電+有機(jī)朗肯、補(bǔ)熱型的熱泵儲(chǔ)電+并聯(lián)式有機(jī)朗肯五種系統(tǒng)進(jìn)行仿真比較分析。如圖14所示，該系統(tǒng)循環(huán)效率為47.67%，比補(bǔ)熱型的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)高出5.68%。
圖14 帶補(bǔ)熱型熱泵儲(chǔ)電+并聯(lián)型有機(jī)朗肯系統(tǒng)示意圖
不受地理環(huán)境限制，能夠根據(jù)需求靈活改進(jìn)建造是熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)相較于其他大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的突出優(yōu)勢(shì)，故而熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)可以對(duì)現(xiàn)有的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合改進(jìn)，或根據(jù)不同地域特點(diǎn)的需求進(jìn)行綜合性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；诶士涎h(huán)的系統(tǒng)儲(chǔ)能溫度較低且系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，因此基于朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的另一熱點(diǎn)研究方向是使用具有熱集成的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)。與常規(guī)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)相比，具有集成效應(yīng)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)更具有應(yīng)用前景，不僅可以利用各種形式的低品位熱能實(shí)現(xiàn)高效儲(chǔ)能，還可以在智慧能源系統(tǒng)中連接區(qū)域電網(wǎng)和供熱網(wǎng)絡(luò)。目前常見(jiàn)的熱集成有工業(yè)余熱、集中供熱網(wǎng)絡(luò)、太陽(yáng)能集熱以及地?zé)峄刈Ⅺ}水。
Jockenh?fer等人介紹了一種以丁烯為工質(zhì)的全熱集成亞臨界熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)，如圖15所示。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱源溫度為100 ℃和環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)，該系統(tǒng)可以達(dá)到1.25的凈功率比。并且若在釋電過(guò)程中同時(shí)提供熱能和電能，最大?效率為0.59；在僅提供電能的情況下，最大?效率為0.52。
圖15 全熱集成亞臨界熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)示意圖
Hu等人構(gòu)建了熱泵+有機(jī)朗肯循環(huán)的熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)分析模型，將具有各種熱集成的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)和當(dāng)前主要儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，如圖16所示。設(shè)計(jì)場(chǎng)景下的LCOS為0.18 USD/kWh，地?zé)峋刈Ⅺ}水的方案與理想場(chǎng)景有著相近的LCOS，但受地理?xiàng)l件的限制較高，應(yīng)用較為困難。利用工業(yè)余熱是其中最為經(jīng)濟(jì)可行的方案，其LCOS為0.23 USD/kWh。并且較高余熱溫度和較低環(huán)境溫度更有益于系統(tǒng)整體性能的提升。
圖16 主要儲(chǔ)能技術(shù)與五種熱源場(chǎng)景下熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)比較
Eppinger等人考慮到工作流體對(duì)于系統(tǒng)性能的影響，搭建了基于顯熱和潛熱兩種儲(chǔ)存方式的儲(chǔ)電系統(tǒng)，遴選基于有機(jī)朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的最佳工作流體。以潛熱存儲(chǔ)方式的系統(tǒng)受工作流體的影響較大，當(dāng)環(huán)戊烷作為工作流體時(shí)系統(tǒng)表現(xiàn)出了最佳運(yùn)行性能，但在安全性方面有些許欠缺；工作流體對(duì)采用顯熱儲(chǔ)存方式的系統(tǒng)中影響不顯著，出于效率、環(huán)境友好性和安全性方面推薦R1233zd(E)(用于有機(jī)朗肯循環(huán)的新型HFO類(lèi)循環(huán)工質(zhì))。
2.3 冷/熱能儲(chǔ)存部件
冷/熱儲(chǔ)罐是熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，儲(chǔ)罐對(duì)于系統(tǒng)的循環(huán)效率、能量?jī)?chǔ)存密度、能量存儲(chǔ)周期以及能量輸出穩(wěn)定性的影響較為關(guān)鍵。深入研究?jī)?chǔ)罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能是目前熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者主要對(duì)儲(chǔ)罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)能材料以及布置方式等進(jìn)行研究。
熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)中消耗的電能以顯熱或者潛熱的形式儲(chǔ)存在兩個(gè)儲(chǔ)罐中。顯熱形式在儲(chǔ)熱技術(shù)中的成熟度最高、價(jià)格低廉，已經(jīng)形成大規(guī)模應(yīng)用。因此熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的模擬研究大多使用顯熱儲(chǔ)存的儲(chǔ)罐，對(duì)于顯熱儲(chǔ)存而言填充床是較為合適的儲(chǔ)存單元。Ameen等人研究了一種具有更高程度的熱分層的新型填充床。該新型填充床在基于溫度控制的方案中性能表現(xiàn)優(yōu)異，僅在3次循環(huán)后便達(dá)到了平衡，不僅減少了64%的壓力損失且具有較窄的溫躍層。Benato等人指出石灰石或砌體材料制成的填充床更適用于需要每日進(jìn)行充放電循環(huán)的系統(tǒng)，而對(duì)于每周或更長(zhǎng)時(shí)間才進(jìn)行充放電循環(huán)的系統(tǒng)，氧化鋁則為較佳介質(zhì)。在顯熱材料與不同類(lèi)型熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的搭配中，以熱敏醇VP-1為儲(chǔ)存材料的回?zé)崾娇缗R界朗肯系統(tǒng)的往返效率最高(68%)。
對(duì)于潛熱儲(chǔ)存更多的涉及到相變材料。圣力等人利用相變材料作為儲(chǔ)能介質(zhì)建立了10 MW/5h的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的瞬態(tài)數(shù)值模型，模擬結(jié)果顯示該系統(tǒng)的往返效率和功率密度分別達(dá)到了63.1%和175.8 kW/m3，并且儲(chǔ)能密度達(dá)到了182.5 kWh/m3，提升了118.5%；單位能量?jī)?chǔ)存成本為768元/kWh，節(jié)省了12%的投資成本。使用相變材料能夠大幅提高熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度，并且最大限度地延長(zhǎng)高功率區(qū)的持續(xù)時(shí)間和減小功率前沿的寬度以延長(zhǎng)系統(tǒng)的充電時(shí)間。
顯熱儲(chǔ)存中通常選擇廉價(jià)、無(wú)毒、導(dǎo)熱性能好的儲(chǔ)存介質(zhì)，如巖石、耐火磚、砂礫、金屬等。選擇相變溫度與熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)工作溫度相匹配的相變材料能夠大幅提升系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度，降低系統(tǒng)的換熱過(guò)程的不可逆損失。水、具有共晶成分的水鹽溶液、PCMs等。表2展示了熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)中常用的儲(chǔ)能材料。
表2 熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)常見(jiàn)儲(chǔ)能材料
不論是基于顯熱儲(chǔ)存還是潛熱儲(chǔ)存，常規(guī)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)都必須配備兩個(gè)儲(chǔ)罐對(duì)冷熱能進(jìn)行存儲(chǔ)。Steinmann提出了一種熱泵儲(chǔ)電技術(shù)的衍生技術(shù)，稱(chēng)為熱泵-熱機(jī)雙向循環(huán)技術(shù)。該類(lèi)型的系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)儲(chǔ)熱裝置，通常不配備儲(chǔ)冷罐，系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)通過(guò)換熱器與環(huán)境和余熱源進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的蒸發(fā)和冷卻。
由于大容量熱泵儲(chǔ)電技術(shù)需求，儲(chǔ)熱量的增加迫使儲(chǔ)罐的體積不斷增大，大容量?jī)?chǔ)罐構(gòu)建方式尤為重要。Wang等人將陣列式儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)應(yīng)用于熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)，對(duì)儲(chǔ)罐串聯(lián)、并聯(lián)和順序陣列三種方式下的循環(huán)瞬態(tài)行為展開(kāi)了研究。在串、并聯(lián)和順序三種儲(chǔ)罐陣列方式中，儲(chǔ)罐串聯(lián)陣列的系統(tǒng)表現(xiàn)出最佳的性能，其往返效率達(dá)到64.9%和能量輸送波動(dòng)為43.1%。該研究基于并聯(lián)和順序的模式提出的創(chuàng)新的溫度互補(bǔ)模式，模擬對(duì)比如圖17所示。溫度互補(bǔ)模式雖然往返效率(64.2%)略低于串聯(lián)方式，但能有效抑制儲(chǔ)罐陣列的溫度退化，其功率輸出的波動(dòng)為13.2%，大幅度優(yōu)化系統(tǒng)不穩(wěn)定性。
圖17 溫度互補(bǔ)模式與串聯(lián)系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬對(duì)比
對(duì)于儲(chǔ)罐布置方式最大區(qū)別在于前文提到的耦合方式(Is和Sa型系統(tǒng))和解耦方式(Ma型系統(tǒng))。耦合方式的儲(chǔ)罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，絕大多數(shù)研究為減小系統(tǒng)計(jì)算的復(fù)雜程度將儲(chǔ)罐模型設(shè)置為一維模型進(jìn)行模擬分析。忽略工質(zhì)在儲(chǔ)罐中的流動(dòng)及傳熱行為等影響因素必然會(huì)對(duì)系統(tǒng)的效率計(jì)算產(chǎn)生一定誤差。同時(shí)系統(tǒng)的高溫和高壓對(duì)儲(chǔ)罐提出了較為嚴(yán)苛的要求，市場(chǎng)常規(guī)儲(chǔ)罐難以滿(mǎn)足需求。為解決這一問(wèn)題提出了儲(chǔ)罐解耦的方式，解耦方式如前文所說(shuō)以部分循環(huán)效率為代價(jià)避免儲(chǔ)罐內(nèi)部復(fù)雜性及計(jì)算困難問(wèn)題，儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單有更靈活多變的設(shè)計(jì)空間。
3 總結(jié)與展望
隨著可再生能源的高速發(fā)展，新型儲(chǔ)能技術(shù)將是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要研究方向之一。本文對(duì)熱泵儲(chǔ)電的系統(tǒng)原理及國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)行分類(lèi)對(duì)比分析，目前熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)主要分為基于布雷頓循環(huán)和朗肯循環(huán)兩種類(lèi)型。其中對(duì)于布雷頓循環(huán)的系統(tǒng)研究較為廣泛，基于國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，布雷頓循環(huán)的研究主要聚焦在以下兩個(gè)方面：一是研究系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置對(duì)系統(tǒng)循環(huán)效率和儲(chǔ)能密度等性能指標(biāo)影響并進(jìn)行優(yōu)化；二是探究系統(tǒng)運(yùn)行策略和系統(tǒng)改進(jìn)方案，通過(guò)運(yùn)行策略?xún)?yōu)化和儲(chǔ)電系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。對(duì)于朗肯循環(huán)的系統(tǒng)研究則相對(duì)較少，但該類(lèi)型的系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)研究表明在儲(chǔ)能密度和循環(huán)效率上和布雷頓循環(huán)的系統(tǒng)有著相近的表現(xiàn)。基于朗肯循環(huán)的系統(tǒng)研究更多在于循環(huán)工質(zhì)的選擇優(yōu)化以及探究不同熱集成場(chǎng)景下系統(tǒng)的性能表現(xiàn)及經(jīng)濟(jì)效益。相比較之下基于布雷頓循環(huán)的系統(tǒng)更接近實(shí)際工程應(yīng)用，適用于大規(guī)模的儲(chǔ)能應(yīng)用。
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外熱泵儲(chǔ)電技術(shù)的研究進(jìn)展綜述，對(duì)該研究方向有幾點(diǎn)展望：
（1）目前熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)研究大都基于穩(wěn)態(tài)條件，需要更多關(guān)注非穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)的運(yùn)行表現(xiàn)，建立非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的模型以探究更為接近實(shí)際應(yīng)用的運(yùn)行情況；
（2）對(duì)于熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的研究基本在于理論研究，還需搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)理論研究的性能和效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析以確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)一步推動(dòng)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用；
（3）壓縮機(jī)和膨脹機(jī)是系統(tǒng)中主要不可逆損失產(chǎn)生的部件，未來(lái)工作在于更高效的渦輪機(jī)械的設(shè)計(jì)研究，使儲(chǔ)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的循環(huán)效率；
（4）儲(chǔ)罐的儲(chǔ)熱性能對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能密度和存儲(chǔ)時(shí)間有顯著影響。大多研究為簡(jiǎn)化模型，對(duì)于儲(chǔ)罐的研究使用一維的模型，進(jìn)一步的工作應(yīng)考慮進(jìn)行多維數(shù)值研究以得到更精準(zhǔn)的模擬結(jié)果；
（5）對(duì)于系統(tǒng)的流程改進(jìn)優(yōu)化上探索新的循環(huán)或更多的熱集成方式來(lái)提高系統(tǒng)整體的能量利用效率。
（6）通過(guò)靈活搭建方式開(kāi)拓?zé)岜脙?chǔ)電技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景。例如應(yīng)用于家庭領(lǐng)域在供電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)供冷供熱以提供舒適低碳化的生活環(huán)境等。
綜上所述，熱泵儲(chǔ)電是一種新型高效低碳化的能源儲(chǔ)存方式，可以有效提高能源利用率和降低碳排放，在能源利用低碳化領(lǐng)域具有較高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。
