高温聚光太阳能与压缩空气储能创新集成系统的建模与性能优化研究

推荐：本研究针对可再生能源间歇性问题，创新性地将高温聚光太阳能(CSP)与压缩空气储能(CAES)系统耦合，开发了兼具电网惯性和零排放特性的储能方案。通过建立系统级模型模拟24小时运行，优化了压缩/膨胀机组、换热器和堆积床储热系统(TES)设计，结合有机朗肯循环(ORC)和工业余热利用，实现43.1%的往返效率(RTE)和107.8%的电能产消比(eRTE)，为大规模清洁储能提供了新范式。

　　

随着全球能源结构向可再生能源转型，太阳能和风能的间歇性成为制约电网稳定的关键瓶颈。传统压缩空气储能(CAES)技术虽具潜力，但存在依赖化石燃料补燃(如Huntorf电站)或效率受限(如A-CAES理论效率仅70%)等问题。与此同时，聚光太阳能(CSP)在高温储热方面展现优势，但单独应用时难以实现全天候供电。如何通过系统集成突破技术天花板，成为清洁能源领域的重大挑战。

研究人员提出了一种革命性的解决方案：将空气介质的高温CSP(>800°C)与CAES深度耦合。该设计巧妙利用太阳能塔技术的高聚光比特性，通过开放式容积空气接收器将热量存储于低成本玄武岩堆积床TES，同时采用多级压缩/膨胀机组实现能量高效转换。系统创新点在于：1)用太阳能完全替代传统CAES的燃气补燃环节；2)通过类似余热锅炉(HRSG)结构的高温气-气换热器(HHEX)实现不同压力流体的热交换；3)整合ORC底循环和工业流程热(IPH)回收，形成多能联供体系。

关键技术方法包括：1)基于Modelica语言的动态系统建模，结合DASSL求解器处理微分-代数方程；2)采用Doosan ?koda Power专用软件设计带部分进汽控制的高压涡轮(HPT)；3)应用AxSTREAM?平台优化低压涡轮(LPT)流道；4)基于Schumann方程改进的堆积床TES非平衡模型；5)通过ChemCAD设计壳管式换热器性能矩阵。

研究结果方面：

1. 压缩机组性能：四级离心压缩机在6小时充电过程中保持压力比<3.5，设计点等熵效率达84%，非工况时最低效率72%，验证了商用设备的适用性。

2. 膨胀机组优化：高压涡轮(HPT)在恒定40bar入口压力下等熵效率达90.3%，而滑动压力模式虽提升6%能量利用率，但增加控制复杂度。低压涡轮(LPT)在6bar入口压力时实现87.2%效率，与ORC协同后贡献总发电量的10.9%。

3. 换热系统创新：高温气-气换热器(HHEX)采用TP347H/T91合金管材，总传热面积8720m²，压降仅1.44kPa；压缩级间冷却器(LHEX)采用Trufin?翅片管，单台最大传热系数达31.5W/m²K。

4. 储热系统设计：5mm玄武岩颗粒堆积床TES实现97%热循环效率，配合23,500m²镜场使太阳能热效率达60.8%，接收器在800°C工况下效率稳定在80.8%。

5. 整体性能指标：系统往返效率(RTE)达43.1%，电能产消比(eRTE)107.8%，显著优于传统A-CAES。通过120-140°C蒸汽供应，每日可提供55MWh工业流程热，辅助功耗占比仅6.1%。

该研究通过多学科交叉创新，首次完整论证了CSP-CAES混合系统的技术可行性。其核心价值在于：1)突破传统CAES对地质储气洞穴的依赖，采用150bar级人工储罐实现地理适应性；2)通过太阳能完全替代化石能源输入，使系统兼具PHES的规模效益和电池储能的快速响应特性；3)开创性地将ORC底循环与工业供热整合，实现能源梯级利用。这些发现为构建零碳电网提供了关键技术路径，尤其适合在西班牙等高DNI地区推广应用。未来研究需重点突破HHEX与压缩冷却器的功能集成，并通过经济性分析验证商业化潜力。