论文标题：Performance analysis of a novel medium temperature compressed air energy storage system based on inverter-driven compressor pressure regulation

期刊：Frontiers in Energy

作者：Yanghai Li, Wanbing Xu, Ming Zhang, Chunlin Zhang, Tao Yang, Hongyu Ding, Lei Zhang

发表时间：26 Oct 2023

DOI：10.1007/s11708-024-0921-0

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文章亮点

本文为恒容储气压缩空气储能系统提供了一种系统优化的新思路，在不增加系统主要设备的前提下能够有效提高系统往返效率，研究发现：

1)提高最大储气压力能够提高空气的做功能力，但导致总放电功率降低。

2)变频压缩机的出口压力对系统工质整体的做功能力和压缩机本身的功耗产生了相反的影响，最终确定了的94 bar的变频压缩机出口最优压力。

3)储热温度对往返效率有显著影响。虽然提高储热温度可能导致更高的压缩功率消耗，但温度的升高也提高了空气的工作能力。

4)系统的往返效率受变频压气机等熵效率和最大储气压力的影响最小。即使在相对较低的变频压缩机等熵效率时，所提出的系统也能保持其优于参考系统的效率优势。

研究背景及意义

在当前全球化石燃料稀缺和全球变暖的背景下，可再生能源得到迅速发展，但其间歇性和电网集成的限制导致了大量风能和太阳能的浪费，因此能量存储技术对于平衡能源供需至关重要。在大容量长时储能技术中，压缩空气储能展示出巨大的应用潜力，但效率成为了制约其发展的关键因素。在诸多系统效率提升方式中，降低系统节流损失是一种有效途径。目前学者从系统优化角度开展了大量研究工作，诸如等压存储、引射器压力调节、阀门系统拓扑结构动态调整等方式被提出。本课题组在之前的研究中提出利用附加变频压缩机进行储气装置稳压的系统优化方案，在此基础上，本文提出通过压缩过程末级变频压缩机进行放电过程压力调节的系统优化新方案，希望能够在不增加系统主要设备的前提想，以较小的系统改造优化成本提升系统效率，实现降本增效。

主要研究内容及结论

本文提出了一种基于变频驱动压缩机进行放电过程压力调节的新型压缩空气储能系统并进行了性能分析研究。该系统通过将压缩过程末级变频压缩机取代节流阀进行放电压力调节来提高效率。研究通过热力学特性分析、动态特性分析等评估了该系统性能。结果显示，相对于传统系统，该系统的往复效率有所提高，表明该系统能够在不显著增加复杂性的情况下提高效率。该系统提供了优化压缩空气储能系统的可行解决方案。

本研究提出的新型变频动压缩空气储能系统相较于典型压缩空气储能系统往复效率提高了3.64%。通过特性分析来量化系统组件的损失和效率，提供了详细的模拟结果和系统参数。研究还分析了系统中不可逆损失的位置，发现电-功率转换设备（压缩机和空气透平）的效率对于提高系统效率至关重要。研究了关键参数如变频压缩机等熵效率、储气装置出口压力、最大压力和高温储存温度对系统效率和运行时间的影响。

原文信息

Performance analysis of a novel medium temperature compressed air energy storage system based on inverter-driven compressor pressure regulation

Yanghai Li¹, Wanbing Xu¹, Ming Zhang¹, Chunlin² Zhang, Tao Yang³, Hongyu Ding³, Lei Zhang^4*

Author information：

1. State Grid Hubei Electric Power Testing Research Institute, Wuhan 330077, China

2. China Energy Digital Technology Group Co., Ltd., Beijing 100044, China

3. School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

4. National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy, Beijing 102211, China

Abstract：

In compressed air energy storage systems, throttle valves that are used to stabilize the air storage equipment pressure can cause significant exergy losses, which can be effectively improved by adopting inverter-driven technology. In this paper, a novel scheme for a compressed air energy storage system is proposed to realize pressure regulation by adopting an inverter-driven compressor. The system proposed and a reference system are evaluated through exergy analysis, dynamic characteristics analysis, and various other assessments. A comprehensive performance analysis is conducted based on key parameters such as thermal storage temperature, component isentropic efficiency, and designated discharge pressure. The results show that the novel system achieves a relative improvement of 3.64% in round-trip efficiency, demonstrating its capability to enhance efficiency without significantly increasing system complexity. Therefore, the system proposed offers a viable solution for optimizing compressed air energy storage systems.

Keywords：

adiabatic compressed air energy storage, throttle valve exergy loss, performance analysis, inverter-driven compressor

Cite this article

Yanghai Li, Wanbing Xu, Ming Zhang, Chunlin Zhang, Tao Yang, Hongyu Ding, Lei Zhang. Performance analysis of a novel medium temperature compressed air energy storage system based on inverter-driven compressor pressure regulation. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-024-0921-0

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通讯作者简介

张磊，博士，北京低碳清洁能源研究院主管工程师，主要研究方向为热力系统智能仿真与优化，火力发电储能改造研究。

Frontiers in Energy （SCI），能源领域综合性英文学术期刊，于2007年创刊，现为中国工程院院刊之一 (Transactions of CAE)。翁史烈院士和倪维斗院士任名誉主编。中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍任主编，加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊、美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric、法国普瓦捷大学教授Nicolas Alonso-Vante和上海交通大学教授巨永林任副主编。

出版能源领域原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。选文注重“前沿性、创新性和交叉性”，涉及领域包括：能源转化与利用，可再生能源，储能技术，氢能与燃料电池，二氧化碳捕集、利用与封存，动力电池与电动汽车，先进核能技术，智能电网和微电网，新型能源系统，能源与环境，能源经济和政策。

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