北京大学：热电储能技术及二氧化碳在其中的应用

　　热电储能是一种不受地理条件限制、不消耗燃料的储能技术，将多余的电能以热能的形式存储，在需要时通过Brayton循环、Rankine循环等动力循环利用存储的热能做功发电。这种利用热能储电、热机释能的电能存储原理早在1978年就已经正式提出，经过长时间的发展，多种循环工质在该技术中的应用被广泛研究。近年来，以二氧化碳为工质的热泵和热机技术发展迅速，而二氧化碳作为热电储能的循环工质也成为热电储能的研发热点。相比于压缩空气储能，热电储能在我国存在较大的研究空白。

　　对热电储能技术的基本原理和不同循环工质的应用情况进行系统性的介绍，重点分析以二氧化碳作为循环工质的热电储能系统，包括系统设计、系统性能及优化、系统实现，最后指出热电储能技术的发展前景。

　　热电储能的基本原理。在用电需求较低时，电网中的剩余电能驱动电机，带动压缩机，循环工质从储冷介质（低温热源）吸热，并向储热介质（高温热源）放热，从而将电能以热能的形式存储在储热介质中。在用电高峰时，循环工质经泵或压缩机压缩后，从储热介质（高温热源）吸热，在膨胀机中膨胀做功，驱动发电机产生电能，膨胀后的循环工质被储冷介质（低温热源）冷却。

　　储能和释能两个过程共用储热装置和储冷装置，该装置主要是隔热（有时要求耐压、耐高温）储罐，储热、储冷介质不是循环工质时还包括换热器，可设有多个储罐及换热器。储能过程的主要部件还包括压缩机、电动机、膨胀机（有时用节流阀）。释能过程的主要部件还包括泵或压缩机、膨胀机、发电机。整个系统还配有控制装置、机械传动装置、管路及其它配件。此外，一些优化后的系统还包括回热用的换热器、中间冷却/再热用的换热器、风冷装置或辅助制冷系统等部件或附属系统。

　　循环工质与储热、储冷介质间的温差直接影响循环效率，泵、压缩机、膨胀机等部件的等熵效率也会影响系统中的不可逆性，从而影响循环效率。循环工质与储热介质都以显热或潜热的形式进行热交换可以使两者间的温差更均匀，从而避免温差过大造成较多的能量损失。

　　以二氧化碳为循环工质，热水作为储热介质，冰浆作为储冷介质。采用跨临界热泵循环及Rankine循环：高温端的换热过程在两相区以上，二氧化碳与水的热交换均以显热的形式进行；低温端的换热过程大部分在两相区内，二氧化碳与冰浆的热交换均以潜热的形式进行。因此，二氧化碳作为循环工质与储热介质水和储冷介质冰浆具有较好的热匹配性。此外，二氧化碳动力黏度低、密度大，流动和换热性能好，无毒且不可燃，安全性级别为A1，是最有应用前景的天然工质。

　　可以通过优化系统结构设计、调节系统运行参数减小系统中的不可逆性，提高系统的循环效率，一些参数选取准则被提出：

　　①在低温端，应降低热机压力、增大热泵压力，以减少循环工质与储冷介质的换热温差；

　　②使热泵气体冷却器的出口温度降至接近水的凝固点，以使其放出的低于环境温度的热量能通过单独储热而在释能过程中被回收；

　　③热机膨胀机入口温度应维持在接近压力储罐中水的沸点的最大值；

　　④维持热泵压缩机入口最大过热度；

　　⑤在高温端，维持循环压力在换热器压力极限以下，热泵循环压力应低于热机循环压力，以减小换热温差。

　　经过优化，储能容量50 MW的系统循环效率可达到64%，而相应的投资成本仅684美元/kW。还可利用“液体活塞”的等温压缩和膨胀技术、使用二氧化碳与烃类形成的非共沸混合物作为循环工质进一步提高系统性能。此外，该系统可与地层储热结合。

　　结论

　　介绍了热电储能技术的基本原理及系统中的循环工质，重点分析了以二氧化碳作为循环工质的热电储能系统，包括系统设计、系统性能及优化、系统实现，最后分析了热电储能技术的发展前景，得出如下结论。

　　（1）热电储能将多余的电能转化为热能储存，在需要时，利用存储的热能发电。系统的循环效率受循环工质与储热、储冷介质间的热匹配性及涡轮机械的等熵效率影响。

　　（2）热电储能的循环工质可以使用水、空气、氩、氨、二氧化碳等，储热介质则包括热水、砂砾（岩石）、导热油等，储冷介质一般选用冰浆。

　　（3）热电储能既不需要燃烧化石燃料，也不依赖于地理条件，同时也具有储能规模大、工作时间长、投资成本低、循环效率高等与压缩空气储能类似的优点，但高循环效率是以高投资成本为代价的，实际应用中可与废热利用结合。

　　（4）二氧化碳作为热电储能系统的一种循环工质是研究热点，系统性能较高而投资成本较低，具有广阔的发展前景。

　　引用本文

　　王冠邦，张信荣. 热电储能技术及二氧化碳在其中的应用[J]. 储能科学与技术, 2017, 6(6): 1239-1249. 

　　WANG Guanbang, ZHANG Xinrong. Thermoelectric energy storage system and applications using CO2 cycles. Energy Storage Science and Technology, 2017, 6(6): 1239-1249.

　　团队介绍：北京大学工学院张信荣教授课题组对利用超临界CO₂等流体工质实现高效利用太阳能、环境低品质热能源等来发电、制冷、制热的能源转换系统进行了系统的研究，并取得丰硕的成果。目前，已研制出了低品质热能超临界CO₂发电、制冷/制热系统以及高效商用CO₂制冷热泵等，并进行了大量的实验测试和示范工程建设。此外，课题组多年来一直从事复杂流体或系统中的流动与传热的基础数值和实验研究工作，特别是近年来，在超/近临界CO₂流体动力学、微纳米粒子升华流体与传热、纳米磁性流体湍动传热、电磁流变类流体复杂的流动与传热以及发展MD、LBM方法用于求解微纳米流动、传热问题方面，进行了一系列的数值与实验研究，其成果陆续发表在ASME J. Heat Transfer, Int. J. Heat Mass Transfer等传热传质领域国际著名学术期刊上。