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泵热储能系统设计参数对系统的影响 摘要：泵热储能技术因其具有大规模化、成本较低且无地理条件限制的优势，在未来电力系统中扮演着十分重要的角色。针对采用固体填料床且基于可逆焦耳-布雷顿循环的泵热储能系统，开展了不同设计参数对系统热-经济性的影响规律研究，结果表明：系统综合效率随着最大充电温度、做功部件多级效率和填料床孔隙率的增加而升高；当选取氦气为工质，磁铁矿为储热介质，且最大充电温度为850 K时，多级效率为92%，填料床孔隙率为46%时，得到最大综合效率72.45%。系统平准化储能成本随着最大充电温度和做功部件多级效率的增加而降低；当选取氦气为工质，磁铁矿为储热介质，且最大充电温度为850 K时，多级效率为92%，填料床孔隙率为40%时，可获得最小平准化储能成本0.211美元/（kW·h）。 0 引言在碳达峰、碳中和背景下，未来可再生能源发电在电力系统的占比将逐年攀升。然而，太阳能、风能发电等的间歇性和波动性势必会对电力系统的安全稳定造成巨大冲击显热储热的快速发展也为泵热储能技术的进步提供了较强的可行性。光热电站中已经耦合了不同的显热储热单元针对储能技术的技术经济性分析，文献文献综述表明，现有针对泵热储能系统的研究，主要集中在基于热力学性能的系统构型的优化，而针对循环工质和储热介质的选择研究相对较少，而且开展泵热储能系统的热-经济性分析的文献还存在不足。为此，本文针对采用固体填料床的泵热储能系统，建立了详细的热力学数学模型和平准化储能成本的评价模型，开展了不同工质、不同储热介质和不同设备设计参数的热-经济性分析，从而为大规模热-机械储能技术的开发和应用奠定坚实的理论基础。1 系统构型与数学分析模型1.1 系统构型介绍基于可逆焦耳-布雷顿循环的泵热储能系统构型如图1所示，对应的温度和比熵的关系示意如图2所示。充电过程，常温常压气体在压缩机中压缩形成高温高压气体，之后在填料床储热单元中将热量传递给固体储热材料，出口的常温高压气体在膨胀机内做功获得低温低压气体，进而在填料床储冷单元中将冷量传递给固体储热材料；放电过程，低温低压的气体在压缩机中首先升温升压，之后进入储热单元中吸收储热介质在充电过程中储存的热量，获得的高温高压气体在膨胀机中做功，对外输出电能，出口的常温常压气体吸收储冷单元在充电过程中储存的冷量，得到低温低压的气体。辅助换热器1(HX1）和换热器2(HX2）是为了保证充放电过程中储热单元的进出口温度一致。回热器的利用是为了在充电过程中提高压缩机入口温度，在放电过程中降低膨胀机出口温度，从而提高该储能系统的效率。基于焦耳-布雷顿循环的泵热储能系统，常用的工质有氩气（Ar）和氮气（N1.2 热力学分析模型基于焦耳-布雷顿循环的泵热储能系统的主要部件包括压缩机、膨胀机、填料床储热单元和换热器，下文将介绍各自的热力学计算模型。对于压缩机和膨胀机，选取多级效率来计算出口参数式中：T假设充放电过程压缩机入口的压力均为p式中：β对于填料床单元，其体积V式中：q填料床内的压损在孔隙率为33%～55%内可按如下公式计算式中：h为填料床的高度，m;d对于换热器，采用换热器效能ε式中：将储能系统充放电作为一个整体的过程，从热力学的角度出发，定义系统综合效率为式中：q1.3 技术经济性分析模型针对泵热储能系统，首先基于热力学分析获得系统的热力参数，之后对每个部件设计得到其几何结构参数，进而采用文献总投资成本（Total Capital Investment,TCI）包括工程采购及施工成本（Engineering Procurement and Construction,EPC）和应急及所有者成本（Contingencies and Owner's Costs,C&OC）。其中EPC具体细分为总直接成本（Total Direct Plant Cost,TDPC）和间接成本（Indirect Cost,IDC）。总投资成本计算模型见表1。LCOS描述为一种储能技术整个生命周期N年内的投资总额除以该储能系统整个生命周期内每年的平均放电总量之和式中：A年度成本包括运行维护成本OPEXOPEX式中：P年度购电成本EC与文献1.4 计算流程本文研究的计算流程如图3所示。首先，输入泵热储能系统的充电功率和放电时间，选取循环工质和储热介质，并给定本文研究的参数取值；进而，根据已知参数，迭代计算充电过程和放电过程的热力参数；之后，判断各相连设备进出口压力的偏差绝对值是否符合要求，如果符合要求则进行下一步计算，如果不符合要求，要进行迭代计算；最后，根据热力参数，计算储能系统各部件的几何参数，获得设备TPC和LCOS。