近十多年來(lái)，我國新能源發(fā)電規模持續快速增長(cháng)，截至2023年底，風(fēng)光發(fā)電裝機容量達到10.5億千瓦，同比增長(cháng)38.6%，占國內發(fā)電總裝機容量的36%。伴隨著(zhù)新能源的快速增長(cháng)，其間歇性、波動(dòng)性特點(diǎn)對電網(wǎng)的安全影響越來(lái)越大，急需新型儲能發(fā)揮穩定調節作用。二氧化碳儲能（carbon dioxide energy storage, CES）是近年來(lái)興起的一項新型大規模長(cháng)時(shí)儲能技術(shù)，因其儲能效率高、使用壽命長(cháng)、不受地理條件限制、安全環(huán)保等優(yōu)勢廣受關(guān)注。
近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程與系統應用研究中心張振濤研究員團隊針對二氧化碳儲能工質(zhì)機理、系統優(yōu)化、裝備開(kāi)發(fā)和實(shí)驗驗證等方面展開(kāi)研究，取得了一系列研究成果。
二氧化碳在儲/釋能過(guò)程中存在氣、液、超臨界等多態(tài)轉換，其熱力學(xué)特性不斷變化，對關(guān)鍵設備運行與系統動(dòng)態(tài)特性都具有明顯影響。而當前研究往往基于單一組分理想氣體假設，對二氧化碳物性變化和以二氧化碳為主體的非理想混合組分體系特性尚不清晰。團隊首次提出了基于m-n Mie勢能函數的SAFT-VR-Mie方程，考慮了相對作用因子對物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)預測的影響，對大跨度多相態(tài)轉變過(guò)程中的工質(zhì)物性參數進(jìn)行了預測，并進(jìn)一步創(chuàng )新性提出了含二氧化碳非理想混合組分體系參數化模型，引入分子體積效應與原子勢能函數進(jìn)行了多元組分體積相平衡計算。與常規計算方法相比，SAFT-VR-Mie方程的預測范圍和精度均有明顯改進(jìn)，達到該領(lǐng)域國際領(lǐng)先水平（Energy, 2024, 294:130838）。
基于二氧化碳存儲狀態(tài)以及不同工質(zhì)儲存模式對系統性能的顯著(zhù)影響，研究團隊進(jìn)一步研究了低壓氣態(tài)-高壓液態(tài)、低壓氣態(tài)-低壓液態(tài)、低壓液態(tài)-高壓液態(tài)、低壓液態(tài)-低壓液態(tài)不同工質(zhì)儲存方式的四種二氧化碳儲能系統，開(kāi)展了詳細的熱力學(xué)和經(jīng)濟學(xué)性能對比分析，并進(jìn)一步對系統關(guān)鍵運行參數進(jìn)行了敏感性分析。結果表明，采用低壓氣態(tài)-高壓液態(tài)模式儲能效率達68%以上，低壓液態(tài)-高壓液態(tài)模式系統綜合性能最優(yōu)，也是未來(lái)的重要發(fā)展方向（Applied Thermal Engineering, 2024, 243:122669）。
團隊針對二氧化碳儲能系統能量動(dòng)態(tài)調度和運行評價(jià)問(wèn)題，構建了一種基于壓縮二氧化碳儲能的熱電聯(lián)供（CCES-CHP）系統及其數學(xué)模型，基于系統多工況運行特點(diǎn)，定義了反映系統儲/釋能功率、質(zhì)量流量和冷卻/放熱功率耦合關(guān)系的無(wú)量綱因數γ1、γ2和比參數α1、α2，并且構建了儲熱、儲氣雙SOC模型，提出了一種針對該系統的運行可行域分析方法，并進(jìn)一步研究了熱電聯(lián)供模式下運行可行域的形狀和特征，分析了熱電分配比調度變化和考慮寬工況運行的運行可行域影響規律，從而為評價(jià)系統運行熱電聯(lián)供能力和響應跟蹤的靈活性提供了一種思路（Energy, 2024, 291:130122）。
此外，團隊還研究了二氧化碳液化（CEC/ICMC 2023）、跨臨界二氧化碳儲能（2022 IEEE ICPRE:1135-1139, 2022）和二氧化碳熱泵儲能（2023 IEEE SPEC: 6-12, 2023）等相關(guān)工作。
在實(shí)驗平臺建設方面，由中國科學(xué)院理化所、博睿鼎能動(dòng)力科技有限公司共同研制的“百千瓦液態(tài)二氧化碳儲能示范驗證系統”在河北廊坊順利發(fā)電運行，團隊研究了油、水雙工質(zhì)雙級高效蓄熱、恒壓進(jìn)氣穩態(tài)壓縮/膨脹和跨臨界二氧化碳相變調控等關(guān)鍵技術(shù)，系統理論儲能效率55%，實(shí)驗熱回饋效率在87%以上。該項目的成功運行打通了二氧化碳儲能系統全流程，為全國產(chǎn)化關(guān)鍵裝備開(kāi)發(fā)和應用提供了重要支撐，也為更大規模級二氧化碳儲能系統開(kāi)發(fā)提供了有效經(jīng)驗。
以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩定支持基礎研究領(lǐng)域青年團隊計劃項目和中央引導地方科技發(fā)展資金支持資助。同時(shí)也感謝博睿鼎能動(dòng)力科技有限公司的合作與支持。
圖1 基團貢獻法與SAFT-VR-Mie方程法對臨界參數預測對比
圖2 不同溫度下相對作用因子對二氧化碳溶解弛豫特性影響
圖3 CO2與潤滑油溶解度以及與實(shí)驗數據的相對偏差
圖4 系統性能隨壓縮機出口壓力的變化
圖5 考慮實(shí)時(shí)調度的運行可行性域變化
圖6 百千瓦液態(tài)二氧化碳儲能示范驗證系統
圖7 科研人員在現場(chǎng)調試測試
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