中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：基于亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)(pumped thermal electricity storage，PTES)通過(guò)熱泵循環(huán)、蓄/釋熱過(guò)程和有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電(organic rankine cycle, ORC)過(guò)程實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)電過(guò)程，該系統(tǒng)運(yùn)行溫區(qū)較低且可利用低溫?zé)嵩刺岣呦到y(tǒng)循環(huán)儲(chǔ)電效率。為進(jìn)一步研究基于亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)充/放電動(dòng)態(tài)性能，本工作搭建了該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了80 ℃和90 ℃熱源工況下的充/放電全周期實(shí)驗(yàn)研究和性能分析。結(jié)果表明：當(dāng)?shù)蜏責(zé)嵩礈囟葟?0 ℃升高到90 ℃時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)儲(chǔ)電效率從21.8%提高到46.1%，提高低溫?zé)嵩礈囟饶茱@著提升循環(huán)儲(chǔ)電效率；由于儲(chǔ)/釋熱過(guò)程的非穩(wěn)態(tài)傳熱特性，系統(tǒng)充/放電周期內(nèi)運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化，在90 ℃熱源工況下，充電過(guò)程的時(shí)間為3120 s，熱泵循環(huán)平均COP為6.27，壓縮機(jī)功率從1.3 kW增長(zhǎng)到3.7 kW；放電時(shí)間為980 s，凈放電功率從5.3 kW降低到1.8 kW，有機(jī)朗肯循環(huán)效率平均為8%；在80 ℃熱源工況下，充電過(guò)程的時(shí)間為6480 s，熱泵循環(huán)平均COP為5.44，壓縮機(jī)功率從1.6 kW增長(zhǎng)到3.6 kW；放電時(shí)間為1080 s，凈放電功率從4.7 kW降低到2.8 kW，有機(jī)朗肯循環(huán)效率平均為7.9%。
儲(chǔ)能技術(shù)可以提高能源供需的平衡性，減少能源消耗峰谷差異帶來(lái)的壓力，因此，發(fā)展儲(chǔ)能將帶來(lái)更加安全穩(wěn)定的能源供應(yīng)，保障國(guó)家和人民的能源安全。目前發(fā)展比較成熟的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)為抽水儲(chǔ)能技術(shù)和壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，但此兩項(xiàng)技術(shù)均受到地理因素的限制。熱泵儲(chǔ)電技術(shù)(pumped thermal electricity storage, PTES)亦稱卡諾電池(Carnot battery)，是正處于前期發(fā)展階段的物理儲(chǔ)能技術(shù)，該技術(shù)不受地理?xiàng)l件的限制且環(huán)境與安全問(wèn)題較少，在可再生能源系統(tǒng)和分布式儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)在儲(chǔ)電領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。
熱泵儲(chǔ)電技術(shù)根據(jù)儲(chǔ)/釋能所采用的熱力學(xué)循環(huán)類型，主要分為基于封閉式布雷頓循環(huán)(Brayton cycle)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)、基于亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)以及基于跨臨界朗肯循環(huán)(transcritical Rankine cycle)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)。其中基于亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)由于采用低沸點(diǎn)有機(jī)物為循環(huán)工質(zhì)，其顯著特點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行溫區(qū)低(小于200 ℃)且可利用低溫?zé)嵩刺岣呦到y(tǒng)效率，溫度在200 ℃以下的熱源可以被定義為低溫?zé)嵩?，常?jiàn)的有太陽(yáng)能、低溫地?zé)崮?、工業(yè)余熱等。在用戶側(cè)的分布式儲(chǔ)電兼供熱具有廣泛的應(yīng)用前景，國(guó)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)該系統(tǒng)開(kāi)展了熱力學(xué)分析和性能預(yù)測(cè)研究。Roskosch等人研究了亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)，結(jié)果表明系統(tǒng)效率隨儲(chǔ)熱溫度的升高而降低，并進(jìn)一步擴(kuò)展考慮了膨脹機(jī)、壓縮機(jī)等熵效率對(duì)循環(huán)效率的影響，隨后預(yù)測(cè)儲(chǔ)熱溫度在300~400 K時(shí)系統(tǒng)循環(huán)效率為56%~37%。Qiao等人建立了一個(gè)基于有機(jī)朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，研究表明在充電模式下的?損失比在放電模式下的?損失多95 kW左右，并且節(jié)流閥的?損失為95.83 kW，占28.32%。王際輝等人研究了儲(chǔ)熱溫度對(duì)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)往返效率的影響，結(jié)論指出，高溫?zé)崦綔囟鹊纳吣軌蛱嵘敌剩蜏責(zé)嵩礈囟鹊南陆祫t先使往返效率增大，隨后導(dǎo)致其減小，系統(tǒng)最高往返效率為61.36%。Steinmann等人分別提出了工質(zhì)為氨水和丁烯的亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)，研究了冷熱源溫度，換熱溫差對(duì)系統(tǒng)的影響。馮軍勝等人構(gòu)建了基于有機(jī)朗肯循環(huán)的卡諾電池?zé)醿?chǔ)能系統(tǒng)的計(jì)算模型，研究不同 ORC 循環(huán)工質(zhì)條件下熱泵冷凝溫度、ORC 蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)熱力性能的影響，研究結(jié)果表明，降低熱泵冷凝溫度和提高 ORC 蒸發(fā)溫度均可以提高系統(tǒng)的制熱系數(shù)和循環(huán)儲(chǔ)電效率。
綜上所述，近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基于亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的循環(huán)性能進(jìn)行了研究分析，但目前未見(jiàn)系統(tǒng)層面的實(shí)驗(yàn)報(bào)道，而且該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性未得到足夠的關(guān)注。本工作搭建了基于亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展不同熱源工況下系統(tǒng)充/放電全周期實(shí)驗(yàn)和性能分析，以期為該類型熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制策略提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理及方法
1.1 系統(tǒng)原理
熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)其基本原理是通過(guò)熱力學(xué)正、逆循環(huán)的分時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放：利用電能驅(qū)動(dòng)壓縮式熱泵，將電能轉(zhuǎn)化為熱能并儲(chǔ)存；需要電力輸出時(shí)，釋放熱能并通過(guò)動(dòng)力循環(huán)將其轉(zhuǎn)換為電能?；趤喤R界有機(jī)朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理及測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖 1，該系統(tǒng)由3個(gè)子系統(tǒng)組成：熱泵循環(huán)子系統(tǒng)、蓄/釋熱過(guò)程(thermal energy storage，TES)以及有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)。其中熱泵循環(huán)和蓄熱過(guò)程構(gòu)成熱泵儲(chǔ)電的充電模式，而釋熱過(guò)程和ORC發(fā)電構(gòu)成熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的放電模式。在充電模式下，有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器吸收低溫?zé)嵩吹臒崃?，通過(guò)壓縮機(jī)提升到高溫高壓狀態(tài)流體進(jìn)入TES子系統(tǒng)，將熱量傳遞給儲(chǔ)熱介質(zhì)后工質(zhì)通過(guò)節(jié)流閥的節(jié)流作用變?yōu)闅庖簝上啵⒅匦铝魅胝舭l(fā)器，完成充電過(guò)程。在放電模式下，工質(zhì)吸收儲(chǔ)能罐中存儲(chǔ)的熱量變?yōu)楦邷馗邏赫羝?，并在膨脹機(jī)中做功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，工質(zhì)流體進(jìn)入冷凝器液化后進(jìn)入工質(zhì)泵加壓并重新進(jìn)入儲(chǔ)能罐，完成放電過(guò)程。
圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法
基于亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖 2所示。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由可控冷熱源、熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)組成。熱源為電加熱熱水箱，冷源為開(kāi)式冷卻塔，通過(guò)熱水泵和冷水泵控制熱源和冷源流量。蓄/釋熱過(guò)程是熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的關(guān)鍵過(guò)程，本工作設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能罐結(jié)構(gòu)圖和參數(shù)測(cè)點(diǎn)如圖 3所示，以水為儲(chǔ)熱介質(zhì)采用顯熱儲(chǔ)能方式。為減少儲(chǔ)能罐中換熱器數(shù)量，熱泵循環(huán)和ORC循環(huán)均采用同一循環(huán)工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)選取R245fa作為系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)裝置的性能參數(shù)如表 1所示。
圖2 熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)
圖3 儲(chǔ)能罐結(jié)構(gòu)圖
表1 主要實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)
設(shè)定熱源溫度為80 ℃和90 ℃等不同熱源工況開(kāi)展熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)充/放電全周期動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。熱源流量為2 t/h，冷源溫度為12 ℃，流量為9.8 t/h。在每組工況下，通過(guò)控制三通閥使系統(tǒng)在充/放電模式之間進(jìn)行切換。熱源、冷源、工質(zhì)環(huán)路各測(cè)點(diǎn)溫度、壓力和流量等數(shù)據(jù)經(jīng)測(cè)量?jī)x表采集后由多通道觸控?cái)?shù)據(jù)記錄儀獲得，能接收直流電流、直流電壓、熱電阻、熱電偶、遠(yuǎn)傳壓力表5類輸入信號(hào)。充電階段各參數(shù)采集周期為120 s，放電階段各參數(shù)采集周期為20 s，采用REFPROP9.1軟件計(jì)算有機(jī)工質(zhì)熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)。
在充電階段，開(kāi)啟熱泵系統(tǒng)，以儲(chǔ)能罐內(nèi)測(cè)溫點(diǎn)4在 80 ℃左右作為充電初始點(diǎn)，隨后通過(guò)調(diào)節(jié)控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及節(jié)流閥開(kāi)度，以保證系統(tǒng)充電階段安全高效運(yùn)行，當(dāng)儲(chǔ)能罐內(nèi)測(cè)溫點(diǎn)4溫度在 130 ℃左右表明系統(tǒng)充電完成；在放電階段，關(guān)閉熱泵系統(tǒng)，開(kāi)啟ORC循環(huán)系統(tǒng)，并通過(guò)控制調(diào)節(jié)工質(zhì)泵頻率使系統(tǒng)能穩(wěn)定放電，放電結(jié)束依據(jù)是測(cè)溫點(diǎn)4溫度降低到80 ℃左右。
1.3 測(cè)量系統(tǒng)及誤差
實(shí)驗(yàn)測(cè)量的參數(shù)包括：①系統(tǒng)充電模式下熱泵循環(huán)管路工質(zhì)體積流量、熱水進(jìn)出口溫度，和熱水質(zhì)量流量，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度、，壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度、，節(jié)流閥進(jìn)口溫度，壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力、，節(jié)流閥進(jìn)口壓力；②儲(chǔ)能罐總高2 m，水位高1.7 m，中間均勻布置了4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，如圖 3所示，用于測(cè)量?jī)?chǔ)能罐中不同高度的水溫。為了增大換熱面積，加快蓄/放熱速率，盤(pán)管采用2組；③系統(tǒng)發(fā)電模式下ORC管路工質(zhì)體積流量，膨脹機(jī)進(jìn)出口溫度、，冷凝器出口溫度和壓力，工質(zhì)泵出口溫度，冷水進(jìn)出口溫度、和冷水質(zhì)量流量。蒸發(fā)溫度測(cè)試范圍為0~90 ℃、冷凝溫度測(cè)試范圍為0~20 ℃、有機(jī)工質(zhì)流量測(cè)試范圍為0~10 m3/h。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中所用測(cè)量?jī)x器型號(hào)及參數(shù)如表2所示，其中測(cè)量不確定度來(lái)自商家。
表2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用測(cè)量?jī)x器型號(hào)及參數(shù)
1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及不確定度分析
本工作以循環(huán)儲(chǔ)電效率作為熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)充/放電性能指標(biāo)，即當(dāng)不考慮輸送能耗和冷卻過(guò)程能耗時(shí)，系統(tǒng)的凈放電量(，kWh)與壓縮機(jī)輸入電量(，kWh)的比值，其表達(dá)式如式(1)：
式中，為充電模式下壓縮機(jī)輸入功率，可由儀器直接測(cè)量獲得，kW；和分別為充電和放電時(shí)間，s；為放電模式下系統(tǒng)凈放電功率，kW，可由式(2)計(jì)算：
式中，為膨脹機(jī)輸出電功率，由式(3)計(jì)算，kW；為工質(zhì)泵輸入電功率，由式(4)計(jì)算，kW；
式中，為有機(jī)朗肯循環(huán)質(zhì)量流量，kg/s；為膨脹機(jī)進(jìn)口焓值、為等熵效率75%的膨脹機(jī)出口焓值，kJ/kg；為發(fā)電機(jī)機(jī)電效率，取0.75；、分別為工質(zhì)泵進(jìn)口和出口焓值，kJ/kg；為工質(zhì)泵效率，取0.5。
充電模式的性能指標(biāo)以熱泵循環(huán)、儲(chǔ)能罐蓄熱速率(kW)作為系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，放電模式的性能指標(biāo)以儲(chǔ)能罐放熱速率(kW)、有機(jī)朗肯循環(huán)效率作為系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，屬于間接測(cè)量參數(shù)，分別由式(5)~(8)[17-18]計(jì)算獲得：
式中，為熱泵循環(huán)質(zhì)量流量，kg/s；、分別為熱泵循環(huán)儲(chǔ)能罐進(jìn)出口焓值，kJ/kg；、分別為有機(jī)朗肯循環(huán)儲(chǔ)能罐進(jìn)出口焓值，kJ/kg。
本工作采用文獻(xiàn)中的二次冪法來(lái)計(jì)算間接測(cè)量參數(shù)的不確定度，求得的不確定度為3.59%，的不確定度為3.32%，的不確定度為4.89%，、的不確定度為3.49%。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 充電過(guò)程性能分析圖
4所示為充電過(guò)程不同熱源工況下熱泵循環(huán)隨充電時(shí)間的變化。熱泵循環(huán)均隨充電時(shí)間降低，降低速率隨時(shí)間減小。由于儲(chǔ)熱介質(zhì)溫度隨充電時(shí)間升高，有機(jī)工質(zhì)與儲(chǔ)能介質(zhì)的換熱效率降低，且壓縮機(jī)的壓縮比提高和耗電功率增大，兩者的綜合作用導(dǎo)致熱泵循環(huán)快速降低。90 ℃熱源工況下最大為13.43，最小為3.06，平均值為6.27，80 ℃熱源工況下最大為12.69，最小為2.94，平均值為5.44。儲(chǔ)能罐進(jìn)口有機(jī)工質(zhì)的溫度隨時(shí)間逐漸增大，90 ℃熱源工況下在開(kāi)始充電時(shí)為102 ℃，結(jié)束充電時(shí)為132 ℃，壓力在開(kāi)始充電時(shí)為1.15 MPa，結(jié)束充電時(shí)為2.41 MPa；80 ℃熱源工況下在開(kāi)始充電時(shí)為94 ℃，結(jié)束充電時(shí)為130 ℃，壓力在開(kāi)始充電時(shí)為1.06 MPa，結(jié)束充電時(shí)為2.27 MPa。兩種熱源工況下最后趨于平穩(wěn)的相差很小，80 ℃熱源工況下充電時(shí)間為6480 s，而90 ℃熱源工況下充電時(shí)間為3120 s，較80 ℃熱源工況充電時(shí)間縮短了52%，表明了提高熱源溫度能快速縮短充電時(shí)間。
圖4 不同熱源工況下系統(tǒng)COP隨充電時(shí)間的變化
圖 5所示為90 ℃熱源工況下儲(chǔ)能罐內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度隨充電時(shí)間的變化。由圖5可知，90 ℃熱源工況下，在充電初始階段(0~500 s)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min，使得有機(jī)工質(zhì)與儲(chǔ)能罐內(nèi)儲(chǔ)能介質(zhì)溫差較小；而后(500~1600 s)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 r/min，儲(chǔ)能罐傳熱過(guò)程熱流密度較高，各點(diǎn)溫度迅速上升；在1600~3120 s充電階段，隨著儲(chǔ)熱介質(zhì)溫度的上升，其和有機(jī)工質(zhì)之間溫差減小導(dǎo)致熱流密度減小，各測(cè)點(diǎn)溫度緩慢上升。測(cè)溫點(diǎn)1和測(cè)溫點(diǎn)2之間溫差變化最大，表明儲(chǔ)能罐內(nèi)儲(chǔ)能介質(zhì)的斜溫層在測(cè)溫點(diǎn)1和測(cè)溫點(diǎn)2之間。充電開(kāi)始時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)各測(cè)點(diǎn)最高溫度為80 ℃，最低溫度為50 ℃，平均溫度為63 ℃；結(jié)束時(shí)儲(chǔ)能罐內(nèi)各測(cè)點(diǎn)最高溫度為129 ℃，最低溫度為84 ℃，平均溫度為116 ℃，壓力為0.31 MPa。整個(gè)充電過(guò)程熱流密度從3.8 kW/m2降低到2.4 kW/m2。
圖5 90 ℃熱源工況下儲(chǔ)能罐內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度隨充電時(shí)間的變化
圖6所示為90 ℃熱源工況下儲(chǔ)能罐蓄熱量和蓄熱速率隨充電時(shí)間變化。由圖 6可知蓄熱量增加趨勢(shì)為先快后慢，這是由蓄熱速率減小引起的。在3120 s的充電時(shí)間內(nèi)蓄熱量可達(dá)13.55 kWh，蓄熱速率從18 kW降低到11.4 kW，平均蓄熱速率為15.6 kW。圖 7所示為90 ℃和80 ℃熱源工況下壓縮機(jī)功率和耗電量隨充電時(shí)間變化。隨著充電過(guò)程的推進(jìn)，儲(chǔ)能罐溫度和熱泵冷凝溫度升高，壓縮機(jī)的運(yùn)行壓力比和功率隨時(shí)間逐漸增大，90 ℃熱源工況下耗電量在充電結(jié)束時(shí)為2.43 kWh，壓縮機(jī)功率從1.3 kW增長(zhǎng)到3.7 kW，平均功率為2.8 kW；80 ℃熱源工況下總耗電量為5.33 kWh，壓縮機(jī)功率從1.6 kW增長(zhǎng)到3.6 kW，平均功率為2.9 kW。
圖6 90 ℃熱源工況下儲(chǔ)能罐蓄熱量和蓄熱速率隨充電時(shí)間的變化
圖7 壓縮機(jī)功率和耗電量隨充電時(shí)間的變化：(a) 90 ℃熱源工況；(b) 80 ℃熱源工況
2.2 放電過(guò)程性能分析
熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)放電過(guò)程性能參數(shù)與儲(chǔ)能罐溫度分布、ORC循環(huán)性能和冷源工況相關(guān)。圖8所示為放電過(guò)程儲(chǔ)能罐內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度隨放電時(shí)間的變化。由圖8可知，在90 ℃熱源工況充電后進(jìn)行放電過(guò)程，放電時(shí)間為980 s，結(jié)合圖4可知，放電時(shí)間較充電時(shí)間縮短了68.6%。熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的充/放電時(shí)間取決于蓄/釋熱過(guò)程儲(chǔ)熱介質(zhì)與有機(jī)介質(zhì)的傳熱速度，而傳熱速度與工質(zhì)質(zhì)量流量相關(guān)。在充電過(guò)程中有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量可以通過(guò)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制，在放電過(guò)程中有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量可以通過(guò)工質(zhì)泵控制。
圖8 儲(chǔ)能罐內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度隨放電時(shí)間的變化
開(kāi)始放電時(shí)儲(chǔ)能罐最高溫度為128 ℃，最低溫度為87 ℃，平均溫度為115 ℃。結(jié)束放電時(shí)最高溫度為80 ℃，最低溫度為53 ℃，平均溫度為68 ℃。測(cè)溫點(diǎn)4溫度下降34 ℃、測(cè)溫點(diǎn)1溫度下降48 ℃。測(cè)溫點(diǎn)2處儲(chǔ)熱介質(zhì)溫度下降幅度最大，為55 ℃，這主要是由于測(cè)溫點(diǎn)2處于斜溫層周圍，與測(cè)溫點(diǎn)1具有較大溫差，在放電時(shí)與有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行換熱的同時(shí)還向測(cè)溫點(diǎn)1處進(jìn)行傳熱導(dǎo)致的。儲(chǔ)能罐進(jìn)口有機(jī)工質(zhì)溫度基本維持在20 ℃左右，在儲(chǔ)能罐出口先由92 ℃增加到110 ℃，然后逐漸減小為72 ℃。儲(chǔ)能罐出口有機(jī)工質(zhì)過(guò)熱度最大為27.65 ℃，最低為0.26 ℃，平均值為14.67 ℃。
圖9所示為有機(jī)朗肯循環(huán)效率和蒸發(fā)壓力隨放電時(shí)間的變化。由圖9可知，隨著儲(chǔ)能罐溫度的降低，ORC循環(huán)蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力不斷下降，導(dǎo)致有機(jī)朗肯循環(huán)效率下降。在90 ℃熱源工況充電后進(jìn)行放電過(guò)程，有機(jī)朗肯循環(huán)效率最大為10.7%，最小為7.3%，下降幅度為3.4%，平均效率為8%。為保證儲(chǔ)能罐出口工質(zhì)過(guò)熱度滿足要求，0~480 s工質(zhì)泵頻率為50 Hz，在480 s和580 s分別調(diào)節(jié)工質(zhì)泵頻率為40 Hz和30 Hz，使有機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量降低，導(dǎo)致蒸發(fā)壓力發(fā)生突降。在80 ℃熱源工況充電后進(jìn)行放電過(guò)程，有機(jī)朗肯循環(huán)效率最大為8.4%，最小為6.6%，下降幅度為1.8%，平均效率為7.9% ，在620 s將工質(zhì)泵頻率從40 Hz調(diào)節(jié)為30 Hz。有機(jī)朗肯循環(huán)效率無(wú)明顯變化，說(shuō)明與熱源溫度無(wú)關(guān)。
圖9 有機(jī)朗肯循環(huán)效率η和蒸發(fā)壓力隨放電時(shí)間的變化：(a) 90 ℃熱源工況；(b) 80 ℃熱源工況
圖10所示為儲(chǔ)能罐放熱量和放熱速率隨時(shí)間的變化。由圖10可知，由于儲(chǔ)能罐內(nèi)儲(chǔ)能介質(zhì)與有機(jī)工質(zhì)的溫差大，熱流密度大，導(dǎo)致放熱量在0~580 s快速增加；在580~980 s放熱量增加速率逐漸減小，這是由于儲(chǔ)能罐內(nèi)儲(chǔ)能介質(zhì)與有機(jī)工質(zhì)的溫差減小，并且工質(zhì)泵頻率減小的共同作用，使放熱速率減小引起的。在980 s的放電時(shí)間里，放熱量為12.99 kWh，放熱速率最大為61.7 kW，最小為21.6 kW，平均放熱速率為47.7 kW。圖11所示為熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)放電過(guò)程凈放電功率與凈放電量隨時(shí)間的變化。由圖11可知，在90 ℃熱源工況充電后進(jìn)行放電過(guò)程，凈放電量為1.12 kWh，凈放電功率隨時(shí)間逐漸降低，最大為5.7 kW，最小為1.6 kW，平均功率為4.1 kW，結(jié)束時(shí)為1.8 kW。在80 ℃熱源工況充電后進(jìn)行放電過(guò)程，凈放電量為1.15 kWh，凈放電功率隨時(shí)間逐漸降低，最大為4.7 kW，最小為2.8 kW，平均功率為3.8 kW，結(jié)束時(shí)為2.8 kW。凈放電量無(wú)明顯變化，說(shuō)明與熱源溫度無(wú)關(guān)，只與儲(chǔ)能罐蓄熱量有關(guān)。
圖10 儲(chǔ)能罐放熱量和放熱速率隨時(shí)間的變化
圖11 系統(tǒng)凈放電功率和凈放電量隨時(shí)間的變化：(a) 90 ℃熱源工況；(b) 80 ℃熱源工況
2.3 儲(chǔ)電性能參數(shù)分析
表 3為兩種熱源工況下熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)儲(chǔ)電性能參數(shù)。隨著熱源溫度的升高，充電過(guò)程的輸入電能下降。輸出電能只與儲(chǔ)能罐蓄熱量有關(guān)，而熱源溫度為80 ℃或90 ℃，最終儲(chǔ)能罐蓄熱量基本相同，所以輸出電能無(wú)明顯變化，這導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)儲(chǔ)電效率升高，系統(tǒng)儲(chǔ)電性能得到提升。提高熱源溫度有利于提升熱泵循環(huán)性能，儲(chǔ)能罐蓄熱過(guò)程壓縮機(jī)耗電量下降。在90 ℃熱源工況下，系統(tǒng)的循環(huán)儲(chǔ)電效率為46.1%，與目前成熟的電化學(xué)儲(chǔ)能與抽水儲(chǔ)能相比，該P(yáng)TES實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在效率指標(biāo)方面仍有較大差距。
表3 各熱源工況下儲(chǔ)電性能參數(shù)
3 結(jié) 論
本工作為研究基于亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)充/放電動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性，搭建了完整系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)以水為儲(chǔ)能介質(zhì)，以R245fa為循環(huán)工質(zhì)，進(jìn)行了80 ℃和90 ℃熱源工況下的充/放電全周期實(shí)驗(yàn)研究和性能分析。本工作從儲(chǔ)電性能參數(shù)、充電過(guò)程和放電過(guò)程分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：
（1）充電階段，熱泵系統(tǒng)隨時(shí)間逐漸降低；儲(chǔ)能罐內(nèi)測(cè)溫點(diǎn)1和測(cè)溫點(diǎn)2之間溫差變化最大，表明儲(chǔ)能罐內(nèi)儲(chǔ)能介質(zhì)的斜溫層在測(cè)溫點(diǎn)1和測(cè)溫點(diǎn)2之間；90 ℃熱源工況下，熱泵系統(tǒng)充電時(shí)間為3120 s左右，整個(gè)充電過(guò)程中熱泵系統(tǒng)平均為6.27，蓄熱量為13.55 kWh，壓縮機(jī)耗電量為2.43 kWh；80 ℃熱源工況下，熱泵系統(tǒng)充電時(shí)間為6480 s左右，整個(gè)充電過(guò)程中熱泵系統(tǒng)平均為5.44，蓄熱量為13.9 kWh，壓縮機(jī)耗電量為5.33 kWh。
（2）放電階段，在90 ℃熱源工況充電后進(jìn)行放電過(guò)程，ORC系統(tǒng)放電時(shí)間為980 s，相比充電時(shí)間縮短了68.6%；ORC循環(huán)效率最高可達(dá)10.7%，平均為8%；整個(gè)放電過(guò)程放熱量為12.99 kWh，凈放電量為1.12 kWh；在80 ℃熱源工況充電后進(jìn)行放電過(guò)程，ORC系統(tǒng)放電時(shí)間為1080 s，與在90 ℃熱源工況充電后進(jìn)行放電過(guò)程所需時(shí)間無(wú)明顯變化；ORC循環(huán)效率最高可達(dá)8.4%，平均為7.9%；整個(gè)放電過(guò)程放熱量為13.9 kWh，凈放電量為1.16 kWh。
（3）80 ℃熱源工況系統(tǒng)循環(huán)儲(chǔ)電效率為21.8%，90 ℃熱源工況為46.1%，提高熱源溫度即提高熱泵蒸發(fā)溫度可以降低充電過(guò)程的輸入電能，而輸出電能只與蓄熱量有關(guān)，兩種熱源工況下蓄熱量無(wú)明顯變化，提高熱源溫度能有效提高系統(tǒng)循環(huán)儲(chǔ)電效率。
