工程熱物理所熱泵儲電技術(shù)研究取得新進展

熱泵儲電是一種新型的大規(guī)模物理儲電技術(shù)，具有成本低、儲能密度高和不受地理條件限制等優(yōu)點，具有廣闊的研究價值和應(yīng)用前景。熱泵儲電系統(tǒng)通常由壓縮機、膨脹機、儲熱器和儲冷器組成，如圖1所示。其工作原理為，在儲能時通過逆向布雷頓循環(huán)(熱泵循環(huán))將熱能從儲冷器內(nèi)部“抽出”至儲熱器，并存儲冷能與熱能;當需要電能的時候，通過正向布雷頓循環(huán)(動力循環(huán))將存儲的熱能和冷能轉(zhuǎn)化為電能。

近年來該技術(shù)受到歐美的重點關(guān)注和支持，被歐洲儲能協(xié)會(EASE)和美國儲能協(xié)會(ESA)列為重要儲能技術(shù)之一。中國科學(xué)院工程熱物理研究所儲能研發(fā)中心自2015年起開始對基于正/逆布雷頓循環(huán)的熱泵儲電技術(shù)進行研究與探索，通過熱力學(xué)建模方法全面分析了循環(huán)工質(zhì)物性和系統(tǒng)壓比等參數(shù)對熱泵儲電系統(tǒng)性能的影響，相關(guān)成果已發(fā)表在《中國電機工程學(xué)報》等期刊上。

近期，工程熱物理所儲能研發(fā)中心在熱泵儲電技術(shù)研究方面取得了新進展。首先，研究揭示了熱泵儲電系統(tǒng)中的填充床儲熱儲冷設(shè)備的質(zhì)量流不均衡的現(xiàn)象，通過理論分析提出了斜溫層推移和質(zhì)量平衡數(shù)學(xué)模型，并通過了實驗驗證，進而提出了質(zhì)量流量不平衡度修正的系統(tǒng)效率表達式。提出了基于二元直徑混合填充床的質(zhì)量流量自平衡型熱泵儲電系統(tǒng)。結(jié)果表明，通過提高儲熱材料的熱容和降低孔隙率，可以有效解決質(zhì)量流量的不平衡，從而獲得更高的充放效率和儲能密度。研究結(jié)果發(fā)表在能源領(lǐng)域期刊Energy Conversion and Management上(Wang Liang et al. Energy Conversion and Management, 2019, 185: 593-602)。另一方面，通過耦合求解動力學(xué)、熱力學(xué)和傳儲熱過程，開展了基于有限熱力學(xué)方法的熱泵儲電系統(tǒng)連續(xù)循環(huán)非穩(wěn)態(tài)分析。研究了10MW/40MWh熱泵儲電系統(tǒng)的連續(xù)循環(huán)過程非穩(wěn)態(tài)特性，全面分析了系統(tǒng)壓比、壓縮/膨脹機效率、儲能介質(zhì)尺度、儲能裝備結(jié)構(gòu)以及運行控制等因素對熱泵儲電系統(tǒng)的影響，并揭示其內(nèi)在關(guān)聯(lián)影響機制。研究結(jié)果發(fā)表在能源領(lǐng)域期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews上(Wang Liang et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2019, 111: 523-534)。

相關(guān)成果已申請中國發(fā)明專利5項和實用新型專利5項，受到中科院青促會項目和所長基金(基金評優(yōu)獎勵)項目等的支持。