基于能量和熵分析的离子液体压缩机缓冲参数优化，用于氢储存

《Renewable Energy》：Energy and exergy analysis-based optimization of buffer parameters in ionic liquid compressor for hydrogen storage

本文构建了离子液体压缩机数值仿真模型，考虑缓冲结构主要参数，通过实验验证模型有效性。研究结果表明活塞直径等四个缓冲结构参数对系统性能影响显著，其中一级缓冲活塞直径贡献率达80.65%，最优参数组合下Exergy效率达57.55%，泄漏损失占输入Exergy的19.27%。

　　离子液体压缩机是一种用于高压氢气储存的混合系统，它结合了两相加压子系统和液压驱动子系统。在该系统中，自由活塞的运动特性受到内部缓冲结构的影响。活塞的运动对系统的能量转换效率具有显著影响，进而影响氢气压缩的成本。本文开发了一个离子压缩系统的数值模拟模型，该模型考虑了缓冲结构的主要参数。该模型通过设计的实验平台获得的实验数据进行了验证。基于验证后的模型，研究了缓冲结构设计因素对系统整体能耗和火用效率的影响。研究结果表明，第一级缓冲阶段的柱塞直径是影响能耗和火用效率的主要因素，分别贡献了80.65%和79.82%。识别出的主要结构参数最优值使得最大火用效率可以达到57.55%。研究还表明，溢流损失是主要的能量损失来源，占据了总火用输入的19.27%，这是提高混合压缩系统性能的主要优化方向。

随着对传统化石燃料的过度依赖，导致了严重的能源短缺和环境退化，因此向替代性的可再生能源转型变得至关重要。氢气作为可再生能源转型中的关键元素，因其在难以减排的行业中的潜力而受到关注，如交通运输、供暖和工业过程。此外，氢气具备储能能力，能够应对可再生能源波动性，使其在电力系统中发挥重要作用。因此，氢气被视为一种可行的跨行业解决方案，有助于提升可再生能源的整合水平。氢气产业链包括生产、储存、运输和使用氢气等环节。氢气储存确保了绿色氢气作为能源的实用性，因为它可以在需求最高时进行运输和利用。同时，它也是连接上下游行业的重要纽带，对推动氢能产业的发展规模具有重要作用。

目前，氢气主要通过压缩气体钢瓶或液态氢条件进行运输，这种方式需要大量的资本投入，并且具有较高的能耗。作为主要的储存方式之一，高压储存是一种有效的手段，用于抵消可再生能源的间歇性。高压氢气储存涉及在常温下将其压缩到较高的压力，通常在35至70兆帕之间。氢气压缩技术已经相对成熟，能够实现高效且快速的氢气填充和释放。此外，氢气的释放过程不需要额外的能量输入。然而，气体压缩机是推动氢能源资本支出的主要因素。幸运的是，氢压缩机技术的创新有望提高效率、降低成本并增强安全性，从而促进氢能价值链的扩展并实现成本削减。

目前，主要的机械型氢气压缩机包括隔膜压缩机、线性压缩机和液压驱动的活塞压缩机。隔膜压缩机内部采用金属隔膜，能够有效地将氢气与液压油隔离，从而产生高纯度的压缩氢气。然而，隔膜由于持续的变形和冲击，成为压缩机中最容易损坏的部件。因此，研究重点逐渐转向专门为氢气压缩设计的线性压缩机，该压缩机通过三阶段压缩过程可以达到87.5兆帕的压力。这种压缩机采用线性电机来精确控制活塞的运动，从而避免了曲轴机构的使用。因此，它具有简化的设计，并且能够生成高纯度的氢气。然而，目前关于线性压缩机在加氢站中的实际应用的信息仍然有限。这种缺失可能是由于线性压缩机固有的局限性，如其相对较低的力电流效率和长度限制。

近年来，液压驱动的活塞压缩机因其显著的优势而成为极具前景的压缩设备。这些优势包括紧凑的设计、较低的噪音、较少的易磨损部件以及简单的维护需求。液压驱动的活塞压缩机属于往复式压缩机，其基本原理依赖于活塞在气缸内的往复运动以完成气体压缩。这类压缩机可以分为两类：液压驱动的活塞压缩机和离子液体压缩机。这两类压缩机的共同特点是它们都采用液压驱动技术，活塞与其他部件之间没有刚性连接。这种特性使得这两类压缩机都具备自由活塞的特点，意味着在设计和调整活塞运动轨迹方面有更多的选择。这两类压缩机之间的区别在于压缩腔内是否存在液体材料。在液压驱动的活塞压缩机中，由于高纯度的要求，压缩过程是干式压缩。而在离子液体压缩机中，压缩腔内存在液体活塞，因此采用湿式压缩。双缸自由活塞机制在液压驱动的活塞压缩机中面临挑战，包括活塞控制的复杂性以及活塞环泄漏的问题。因此，其效率相对较低，相较于离子液体压缩机。

干式压缩的缺点可以在离子液体压缩机中得到解决，因为存在离子液体活塞。离子液体压缩机的创新在于在压缩腔内创造性地应用离子液体活塞，该活塞直接接触氢气。离子液体由于其优异的热化学耐受性、低可压缩性和在高压下的良好润滑性能，显著提升了压缩机的性能。同时，离子液体还作为密封和润滑材料，有助于提高压缩效率并降低成本。目前，大多数关于离子液体压缩机的研究集中在分析压缩过程中的多相流动和热力学行为。学者们通过模拟研究了操作频率和阀门运动对压缩腔内流体流动和热传递行为的影响。此外，研究人员还进行了阀门弹簧设计、阀门通道数量、进气和排气管道布置、液体活塞高度和液体量等设计优化，以改善离子液体压缩机中的液体晃动和液体交接现象。Huynh和Kim通过数值建模研究了压缩循环中的膨胀效率，得出结论认为在壁温为308.15K时，最大膨胀效率达到59.4%，而在液体活塞速度为0.04米/秒时，最低值为57.4%。这表明活塞速度将有效影响压缩机效率，尽管仅研究了膨胀效率。文献中提到的研究仅关注压缩区域中的流体行为，但这只是整个离子液体压缩系统的一部分，没有考虑液压子系统。

除了多相流动，活塞的运动轨迹也是研究的重要内容之一。研究人员通过数值模拟研究了操作参数、液压回路设计和液体活塞流动对活塞速度的影响。已发表的文献表明，活塞速度可以显著受到液压系统设计和操作参数的影响。尽管在一些文章中考虑了缓冲结构对离子液体压缩机的影响，但这些研究基于特定的结构设计，没有考虑自由活塞的缓冲结构参数设计。然而，在液压驱动系统中，缓冲结构对于影响和调整活塞运动至关重要，这进一步影响整个系统的能量效率。如果没有对缓冲结构进行优化设计，活塞碰撞将发生，导致能耗增加、故障频繁以及压缩机使用寿命缩短。液压系统表现出显著的时间变化非线性，这对数学建模和实现高精度提出了挑战。基于物理建模的模拟方法是理解液压系统动态行为的关键手段。因此，缓冲结构需要在系统分析中予以考虑。

自由活塞运动控制是发电机/发动机应用中的重要研究领域。Goto等人提出了一种控制逻辑，利用自由活塞的位置和速度作为反馈参数，使线性发电机能够实现高效发电。Zhang等人通过调整膨胀行程中的电流来控制活塞运动，以提高发电机效率。Liu等人通过模拟和实验对活塞轨迹进行了优化，以提升微型自由活塞发动机的综合系统性能。Cheng等人采用滑模控制器来跟踪参考活塞轨迹，实现了精确的跟踪性能和系统效率。Zhang等人研究了不同活塞轨迹对自由活塞发动机热效率的影响，通过考虑活塞轨迹合成机制，识别出了最优的活塞轨迹。Dunne提出了一种新的数值方法，用于建立最优活塞运动路径并定义关键的气缸规格，从而实现自由活塞发动机的最高整体发电机效率。Jia等人引入了一种新的级联控制方法，用于控制活塞运动，旨在实现自由活塞发动机的稳态功能并提升整体系统效能。Chen等人通过对多孔缓冲的数学建模研究了不同结构方案对能量耗散率的影响。研究结果表明，多孔缓冲内部的流动孔参数配置对固体活塞的动态行为产生了显著影响，最终提升了能量效率。与自由活塞运动控制相关的研究揭示了活塞轨迹在基于自由活塞的能源系统中的重要性。

鉴于上述讨论，在离子液体压缩机中，缓冲结构的配置对活塞运动特性具有显著影响，进而影响离子液体压缩机系统的热力学性能。然而，离子液体压缩系统仍存在研究空白，即如何优化缓冲结构参数，以提升整体混合压缩系统的功能。因此，本文的主要贡献在于：i）开发一个考虑重要缓冲结构参数的离子液体压缩系统数值模拟模型；ii）通过实验数据验证该模型；iii）研究缓冲结构的四个关键设计因素对活塞在死点时的运动特性、系统的特定能耗和火用效率的影响；iv）识别出缓冲结构的最优参数。

本文的其余部分结构如下：第2节详细描述了离子液体压缩系统，包括其系统架构和运行机制。第3节介绍了系统建模方法，重点在于将缓冲结构纳入模型。第4节概述了数值模型的实验验证过程。第5节展示了模拟结果，并进行了深入的讨论。最后，第6节总结了本文的主要发现和结论。