工程熱物理所壓縮空氣儲能系統有限時間熱力學研究獲進展

　　近日，中國科學院工程熱物理研究所儲能研發中心采用有限時間熱力學方法，首次建立了壓縮空氣儲能系統的有限時間熱力學模型。該模型充分考慮熱力過程中有限時間和有限尺寸對系統性能的影響，實現了時間項和尺寸項的解耦，在解析模型中可以清晰地看到壓縮空氣儲能系統儲/釋能時間、關鍵設備尺寸和其他部件性能參數對系統效率的影響規律。基于該模型，研究首次揭示了有限時間和有限尺寸在壓縮空氣儲能系統中的最佳匹配關系。該研究為壓縮空氣儲能系統的總體優化設計提供了理論支撐。相關研究成果發表在Renewable and Sustainable Energy Reviews（2021, 138: 110656）上。

　　有限時間熱力學起源于1957年，Curzon和Ahlborn于1970年提出了外部不可逆循環概念并得到更貼近實際的熱機效率后，有限時間熱力學得到發展，目前已廣泛應用于熱機、制冷和熱泵等傳統熱力學系統分析優化中。相對于經典熱力學以可逆過程作為研究對象，使研究結果與實際存在較大偏差，有限時間熱力學作為經典熱力學的延伸，考慮有限時間和有限尺寸下的熱力學行為，將熱力學、流體力學和傳熱學等統一考慮，建立更貼近實際的熱力學模型，并利用優化策略，揭示更貼近實際的熱力學規律并獲得熱力系統/過程最佳設計/運行方式。

　　對于壓縮空氣儲能系統，儲能過程和釋放過程分時運行，且儲能過程和釋能過程存在總空氣質量守恒和蓄熱能量守恒的約束，因而壓縮空氣儲能系統與時間存在強相關關系；壓縮空氣處于變工況及非穩態運行，且各部件參數強烈耦合，使系統各部件及系統整體性能也與時間強烈相關。壓縮空氣儲能系統存在較多容積和換熱設備，其性能同樣與系統部件的有限尺寸強烈相關。因此，有限時間熱力學可作為高精度分析和優化壓縮空氣儲能系統熱力學性能的有效手段，而目前未見該方面研究報道。

　　工程熱物理所開展了壓縮空氣儲能系統的有限時間熱力學研究，以目前發展潛力較大的先進壓縮空氣儲能系統（圖1）為研究對象，建立了單級和多級壓縮空氣儲能系統的有限時間熱力學模型，得到了系統效率的解析表達式。基于該模型，研究揭示了有限時間和有限尺寸對壓縮空氣儲能系統熱力學性能的影響機理，得到了壓縮空氣儲能系統的有限時間熱力學邊界（圖2），其明顯低于傳統的熱力學邊界。通過定義敏感性參數，揭示了有限時間和有限尺寸在一定工程約束下的最佳匹配關系。研究發現有限時間和有限尺寸存在強作用區域，而在其他區域影響較小（圖3）。在有限時間熱力學模型中引入的多級壓縮/膨脹過程的不平衡度參數，通過不平衡度分析發現：隨著各級壓比和膨脹比不平衡度的增加，系統效率明顯降低。壓力損失系數的平衡，而非壓力損失絕對值的平衡，可以使系統達到更高的效率。壓比/膨脹比與壓縮機效率/膨脹機效率的正相關匹配可以使系統效率較高。

　　研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金青年項目、中科院前沿科學重點研究項目和中科院戰略性先導科技專項等的支持。

先進壓縮空氣儲能系統流程圖

傳統熱力學與有限時間熱力學下的先進壓縮空氣儲能系統效率邊界

壓縮空氣儲能系統有限時間熱力學效率解析式各項隨時間的變化規律