基于气动马达的微型压缩空气储能系统的试验研究.pdf

第 12 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.12 No.6Jun.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology基于气动马达的微型压缩空气储能系统的试验研究许永红，吴玉庭，张红光，杨富斌，王焱（北京工业大学，北京 100124）摘要：压缩空气储能具有寿命长、成本低、环境污染小等优点而备受关注，然而压缩空气储能系统存在能量密度和效率低的问题，本工作提出了气动马达并联工作模式以提高压缩空气储能系统的输出功率、能量转换效率和经济性。通过对比分析了在气动马达并联工作和单独工作时，关键参数变化对气动马达输出功率、经济性和能量转换效率的影响规律。为了将微型压缩空气储能系统的膨胀机和压缩机一体化，本工作研究了气动马达正转和反转的性能。气动马达既作为膨胀机又作为压缩机，可以双模式运行，提高设备的利用率，降低压缩空气储能系统的成本。与可再生能源发电相结合的应用场景中，变工况运行是压缩空气储能系统面临的一个关键问题。以储气罐压力变化和负荷需求波动为代表的多种变工况条件在系统运行过程中常常同时存在，本工作在变工况条件下，通过试验研究了关键因素对压缩空气储能系统性能的影响情况。试验结果表明，采用气动马达并联工作模式可以提高压缩空气储能系统的输出功率、能量转换效率和经济性。当进气压力为10.5 bar(1 bar=100 kPa)时，气动马达和发电机输出功率的最大值约为660 W和380 W。关键词：压缩空气储能系统；气动马达；并联模式；输出功率doi：10.19799/ki.2095-4239.2023.0031 中图分类号：TK 02 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）06-1854-08Experimental study on a micro-compressed air energy storage system based on a pneumatic motorXU Yonghong,WU Yuting,ZHANG Hongguang,YANG Fubin,WANG Yan(Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract:A compressed air energy storage(CAES)system has gained attention due to its advantages of long life,low cost,and low environmental pollution.However,the CAES system is faced with low energy density and efficiency.Herein,the parallel operation mode of pneumatic motors is proposed to improve the power output of the CAES system.The output performance,economic performance,and energy conversion efficiency of CAES with the key parameters are compared and analyzed when the pneumatic motor works in parallel or alone mode.The purpose of studying the forward and reverse performance of the pneumatic motor is to integrate the expander and compressor of the micro CAES system.It was observed that the pneumatic motor could operate in two modes to improve energy utilization efficiency.In the application scenario,combined with renewable energy power generation,the off-design operation is another critical problem faced by the CAES system.The changes in air tank pressure and 储能系统与工程收稿日期：2023-01-17；修改稿日期：2023-02-13。基金项目：北京市自然科学基金面上项目（3222024）。第一作者：许永红（1990），男，博士研究生，研究方向为压缩空气储能及动力电池，E-mail：；通讯作者：张红光，教授，研究方向为压缩空气储能、混合动力电动汽车、余热利用，E-mail：。引用本文：许永红,吴玉庭,张红光,等.基于气动马达的微型压缩空气储能系统的试验研究J.储能科学与技术,2023,12(6):1854-1861.Citation：XU Yonghong,WU Yuting,ZHANG Hongguang,et al.Experimental study on a micro-compressed air energy storage system based on a pneumatic motorJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(6):1854-1861.第 6 期许永红等：基于气动马达的微型压缩空气储能系统的试验研究load demand fluctuation represent various off-design conditions.Herein,the influence of key parameters on the performance of the CAES system is investigated via experiments under off-design conditions and improved by adopting the parallel operation mode of pneumatic motors.When the intake pressure is 10.5 bar,the maximum power output of the pneumatic motor and generator is approximately 660 and 380 W,respectively.Keywords:compressed air energy storage;pneumatic motor;parallel mode;power output压缩空气储能(compressed air energy storage，CAES)具有寿命长、成本低、环境污染小等优点而备受关注1。自1949年由Sta.l Laval提出利用地下洞穴存储压缩空气进行储能的概念以来，压缩空气储能在全球范围内得到了政府、研究机构、电力企业 和 高 科 技 公 司 的 广 泛 关 注2。1971 年 德 国Huntorf建成了全球第一个商业运行的CAES电站，压缩空气被存储在地下600米的废弃矿洞中，压缩空气的压力最高可达10 MPa。1991年，美国阿拉巴马州Mcintosh建成并投入运营了全球第二座商业CAES电站3。近年来经过政府部门、电力企业以及中国科学院工程热物理研究所、清华大学、华北电力大学、山东大学等一批科研院所的不懈努力，我国在压缩空气储能理论研究和工程实践方面也取得了长足进展。刘文毅4较早地进行了压缩空气储能热力特征仿真计算，并分析了其在风电场中应用的经济性问题。张远等5在先进绝热压缩空气储能系统设计计算以及结构优化等方面取得很多成果。薛皓白等6研究了超临界压缩空气储能系统原理并进行了工程示范应用，此外其在压缩空气储能热力学分析建模、压缩空气储能系统释能等方面进行了大量研究。梅生伟等7综述了先进绝热压缩空气储能电站在建模、运行规划、能效提升和市场运行等方面的研究进展和展望。田崇翼等8提出一种由压缩空气储能、动力电池与超级电容组成的新型多元复合储能系统。压缩机/膨胀机是CAES系统的核心设备，其性能对整个系统效率和储能经济性具有重要的影响。膨胀机有两种主要类型：容积型膨胀机(如往复式膨胀机、螺旋式膨胀机和涡旋式膨胀机)和速度型膨胀机(例如径向和轴向涡轮)9。Sun等10研究了入口阻力对微型CAES系统中涡旋膨胀机效率的影响。Jubori等11提出了一种新的集成方法来研究基于径向流入膨胀机的小型CAES系统的性能改进。结果表明，膨胀机的最大效率和CAES系统效率分别为76.70%和12.46%。Rice等12提出了最优轨迹控制方法，以优化功率输出和能量转换效率之间的权衡。Wieberdink等13提出了用于等温CAES的液体活塞压缩机/膨胀机。结果表明，压缩/膨胀效率从13%提高到23%。Sadiq等14开发了Wankel膨胀机模型，并研究了膨胀机功率输出和等熵效率。结果表明，最大等熵效率和功率输出分别可达91%和8.52 kW。Rahbar等15提出了一维建模，并研究了用于小型CAES的径向流入涡轮的三维流体流动特性。结果表明，径向流入涡轮的效率从81.3%提高到84.5%。Chen等16提出了一个由实验数据验证的CAES系统模型。结果表明，试验台的效率在13%25%之间。Venkataramani等17对小容量CAES进行了实验研究。结果表明，膨胀机效率分别为41.79%、54.25%和68.3%；当质量流率分别为0.005 kg/s、0.0075 kg/s 和 0.01 kg/s 时，往返效率分别为13.4%、17.4%和22.02%。Httermann等18研究了热容量对液体空气储能系统中热蓄热器效率的影响。Iglesias等19提出了一种用于储能的创新型等温无油共旋涡旋压缩机/膨胀机。Zhang等20建立了一个小型CAES系统的仿真模型，并通过实验结果进行了验证。结果表明，CAES的系统效率为47.35%。压缩空气储能具有长寿命、低排放和低成本等的特点，其综合效益可以和抽水蓄能媲美，同时又避免抽水蓄能电站建设过程中对环境的破坏。尽管压缩空气储能有着诱人的应用前景，但是目前与其他储能技术相比，压缩空气储能技术所占全球储能装机容量比例不到1%。针对大规模的CAES，一般采用岩穴来存储压缩空气，地理条件依赖过大，缺乏灵活性，无法广泛应用。基于人造压力容器的储气方案具有灵活布置的特性，而且允许更高的储气压力，是不具备地下洞穴储气条件的地区开发CAES的有效解决方案之一。利用人造压力容器的CAES非常适合分布式能源系统。本工作利用压缩18552023 年第 12 卷储能科学与技术空气驱动气动马达系统发电，具有绿色环保、无污染的特点。1 压缩空气储能系统的试验研究由压缩机产生的压缩空气依次经过空气罐、冷干机、调压阀、电磁阀、流量计、温度传感器和压力传感器进入气动马达气缸内膨胀做功后排出。其中冷干机对压缩空气进行过滤和除湿。通过电磁阀的开和关来控制气动马达是否工作，同时改变气动马达进排气的方向，就能实现气动马达输出轴的正转和反转的转换。流量计用来测量进入气动马达压缩空气的流量，温度传感器和压力传感器用来测量进入和排出气动马达压缩空气的温度和压力。气动马达与发电机通过扭矩传感器相连接，扭矩传感器用来测量气动马达和发电机的转速和扭矩。压缩空气进入气动马达中，驱动气动马达旋转，气动马达带动发电机产生电能。发电机产生的交流电通过整流器转换成直流电，通过电流传感器和电压传感器测量发电机产生电能的电流和电压，最后通过电子负载消耗电能。数据采集系统主要用来采集气动马达的进排气温度、气动马达的进排气压力、气动马达的