提高泵送热能存储效率：闪蒸技术与喷射-过冷器技术的对比研究

《Renewable Energy》：Enhancing Pumped Thermal Energy Storage Efficiency: A Comparative Study of Flash Vapor and Ejector-Subcooler Techniques

本文对比了闪蒸蒸汽压缩（F-VIC）与喷射器-预冷蒸汽压缩（ES-VIC）两种压缩技术，基于能量、熵效率和经济学评估，结合地热场与定制 transcritical CO2 循环系统，发现ES-VIC在系统效率（65.28% vs 64.04%）和净功率输出（421.80 kW vs 347.80 kW）上表现更优，同时缩短了投资回收期。

　　

作者：何娜|荆鹏飞|董龙龙|刘晓辉

兰州城市大学石油工程学院，中国兰州730070

摘要

抽水热能存储技术是一种有效的能量存储方式。本研究通过能量、焓值和能源经济性的评估，比较了闪蒸蒸汽注入压缩与喷射器-过冷器蒸汽注入压缩两种技术。这两种系统与地热场和定制的超临界二氧化碳循环相结合，用于发电和制冷。研究结果表明，提高冷凝温度会增加蒸汽压缩的能耗，而提高蒸发温度则会降低能耗。与闪蒸配置相比，喷射器-过冷器配置在往返效率和能源效率方面表现更优，分别为65.28%对64.04%和34.77%对37.79%。在喷射器-过冷器配置下，超临界二氧化碳循环产生的净功率更高，为421.80千瓦，而闪蒸配置为347.80千瓦。尽管闪蒸配置的固定资产投资较低（119万美元对比175万美元），产品成本也较低（35.97美元/小时对比74.68美元/小时），但其回收期较短（4.78年对比5.68年），收入也更高（175万美元对比133万美元）。在最佳条件下，喷射器-过冷器的存储平准化成本和性能系数分别为0.18美元/千瓦时和7.31。

引言

能源和环境危机是现代生活面临的主要挑战[1]。技术进步增加了对电力的依赖，从而推高了能源需求[2]。这种需求主要由化石燃料满足[3]，引发了人们对排放和资源有限性的担忧[4]。可再生能源由于零二氧化碳排放和丰富的可用性，有助于解决这些问题[5]。然而，其大规模应用仍存在不确定性[6]。能量存储技术对于稳定系统性能和管理网络负荷至关重要[7]。在各种技术中，压缩空气能量存储（CAES）、抽水蓄能（PHES）和流动电池是最成熟的技术[8]。CAES和PHES因其高效率和低运营成本而适用于大规模存储[9]。然而，PHES需要特定的地形和两个大型水库[10]，而CAES则依赖于大型地下洞穴，需要特定的地质条件[11]。流动电池具有可扩展性，但成本较高、充电时间较长且放电时间较短[12]。 抽水热能存储（PTES）是一种新兴的替代方案。它在充电时利用热泵将电能存储为热能，在放电时将其转换回电能[13]。PTES具有高能量密度、低运营成本和灵活的运行温度[14]。Antunez等人[16]将PTES与液态空气能量存储结合使用，其中PTES作为热沉。虽然效率与独立系统相同，但能量密度显著提高。Eppinger等人[17]探讨了PTES与有机朗肯循环（ORC）的集成，测试了环戊烷和Novec649等流体，发现显热存储与流体无关，而潜热存储性能随流体不同而变化。Frate等人[18]提出了两种带有和不带再生单元的PTES-ORC配置，发现再生提高了存储密度，从16.87千瓦时/立方米提高到17.28千瓦时/立方米。Tian和Xi[19]比较了不同ORC和有机闪蒸循环（OFC）配置下的PTES集成效果，最简单的ORC-PTES系统实现了最高的性能，焓效率为23.4%，存储平准化成本为0.44美元/千瓦时。Bahzad等人[20]研究了PTES与开放式燃气轮机和化学循环的集成，两者均实现了77%的往返效率，其中燃气轮机配置的运营成本更低。Chen等人[21]开发了一种热集成PTES与光伏-热系统，提供电力、冷却和供暖服务，热效率达到51.06%，存储平准化成本为0.533美元/千瓦时。Zhang等人[22]通过从热流和冷流中回收能量并使用开放式布雷顿循环改进了PTES，使其性能系数提高了1.4%，达到63.5%。 结构和操作优化可以进一步提高PTES的性能。Hu等人[23]发现，将功率效率从50%提高到120%会使成本增加47%，同时降低容量。较高的能源源温度和流量可以提高能量和焓值效率。Wang等人[24]提出了一种基于二氧化碳的PTES，与布雷顿循环和ORC循环相结合。ORC的焓效率在60.16%到69.28%之间，优于布雷顿循环。Sun等人[25]使用超临界二氧化碳和再压缩技术，提高了效率14.11%。中等规模的存储系统减少了焓值损失。Liu等人[26]使用超临界二氧化碳，实现了26.93%的往返效率，存储成本为0.38美元/千瓦时。Okten和Kursun[27]将PTES与ORC和吸收式制冷循环结合，提高了功率输出和焓值效率，同时降低了存储成本，尽管投资较高。Wang等人[28]开发了一种太阳能驱动的PTES，带有再生ORC，评估了R1233zd(E)和R1336mzz(Z)等流体，后者具有最低的成本和环境影响。Migliari等人[29]研究了PTES与光伏的集成，实现了28.2%的往返效率，存储成本为0.72美元/千瓦时。Petrollese等人[30]分析了PTES与聚光太阳能的集成，用于5兆瓦的发电，发现最佳压力比为5.2时效率最高。Zhang等人[31]在超临界二氧化碳PTES中利用了海水。更深的放电深度和更长的充电时间提高了效率，并降低了资本成本。Xue等人[32]使用燃煤布雷顿循环的废热为PTES充电，并与ORC集成以实现峰值削减。将能源源温度提高到110°C提高了效率，最佳运行条件为87.1°C和3.6兆帕压力。

尽管在优化PTES结构方面取得了显著进展，但缺乏涉及先进配置（包括闪蒸蒸汽注入压缩（F-VIC）和喷射器-过冷器蒸汽注入压缩（ES-VIC）的全面比较评估。此外，现有研究主要集中在提高能量和焓值效率上，但未充分探讨经济影响或在可变条件下优化配置。回顾的文献的主要目标是实现更高的性能。为此，实施了多种设置和修改。考虑的修改主要集中在两个方面：一是修改PTES本身，这是大部分工作；二是提出一种高效的子系统来利用存储的热能。由于PTES以热能形式存储能量，因此有巨大的机会采用创新配置来利用这些热能。因此，这方面的评估在文献中相对较少。 本文通过研究两种改进的PTES配置F-VIC和ES-VIC，解决了已识别的研究空白，重点在于提高PTES及其子系统的性能。这些框架与地热储层热耦合，并建议使用定制的超临界二氧化碳循环（T-CO2）同时进行发电和制冷。从能量、焓值和能源经济性的角度比较了这些设置的性能，采用了三目标优化方法。此外，研究还通过不同的运行条件评估了这些设置，以提供全面的调查和流体选择，以最大化性能。

系统描述

系统描述

所提出的配置示意图如图1所示。这些配置包括PTES、TES和T-CO2，用于发电和制冷。TES和T-CO2在两种配置中的操作方式一致；然而，PTES在每种设置中都有所不同。

此外，子系统描述和热力学图（温度-熵和压力-焓）的详细信息位于补充文件中（第S.1节）

建模

本节介绍了设置的建模过程，包括能量、焓值、能源经济性和优化方面的内容。能量、焓值和能源经济性方面的内容由EES代码开发，而优化过程由MATLAB代码完成。在建模过程中考虑了以下假设：

•

在充电和放电期间，所有组件均处于稳态情况[33]。

•

组件和

结果与讨论

本节展示了从分析角度得出的两种设置的结果。为了评估设置的基本模式性能，使用了补充文件中的表S.7中的数据。此外，本节还涵盖了工作流体选择、基本模式性能、参数分析和最优状态评估等内容。

结论

在本研究中，从热力学和能源经济性的角度评估了两种改进的抽水热能存储配置：闪蒸蒸汽注入压缩和喷射器-过冷器蒸汽注入压缩。这两种配置都与低温地热场和定制的超临界二氧化碳单元热耦合，用于制冷和发电。评估表明，喷射器-过冷器蒸汽注入压缩配置

CRediT作者贡献声明

董龙龙：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，资源，研究。刘晓辉：撰写 – 审稿与编辑，可视化，资源，项目管理，研究，数据整理。何娜：撰写 – 原稿，监督，方法论，数据整理，概念化。荆鹏飞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资金获取，正式分析，数据整理

数据可用性声明

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利益冲突声明

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致谢

本项工作得到了兰州城市大学博士研究基金（LZCU-BS2023-19）的支持。