《上海科技报》低成本高效化解新能源消纳瓶颈 上海电力大学喷射式跨临界CO2热泵双模式储能系统亮相工博会

作者:吴苡婷

可再生能源在能源系统中的渗透率不断提高,多能互补的能源体系是未来发展的重要趋势。自然工质二氧化碳是理想的环保制冷剂之一,对大气没有任何污染。如果可以有效将两者结合,可以打造一个绿色的用能体系。上海电力大学能源与机械工程学院刘方教授在这个领域做了开拓性的尝试,她的团队经过多年攻关,研制了“喷射式跨临界CO2热泵双模式储能系统”。此项目被国际同行专家评价为“在改善CO2热泵循环效率COP和实用性方面取得了重大进展”。该系统在第22届中国国际工业博览会高校展区亮相。

“可调式喷射器”助力提升制冷效率

自然工质二氧化碳(CO2)是理想的环保制冷剂之一。CO2空调热泵系统中通常采用传统节流阀,节流损失大,循环制冷效率较低。

为了提高CO2制冷系统效率,2006年,刘方开始研究可调式喷射器及其在CO2制冷空调系统的应用,经过多年的努力,她所研发的可调式喷射器可以替代传统节流阀,显著提高CO2空调系统效率(COP)。这一研究为CO2空调热泵系统的产业化应用奠定了基础。

2014年回国工作后,刘方又开始研究跨临界CO2热泵双模式储能系统。基于热泵和储能耦合系统利用电网或间歇式光伏/风力发电机产生的电能可以直接驱动热泵的压缩机产生数倍于输入能量的热量,并直接存储利用,且热力储能具有充放能量效率高、成本低和寿命长等特点。科研团队将喷射式跨临界CO2热泵与储热储冷罐耦合、构成结构紧凑,有良好保温,不受环境温度影响的闭合系统,不但解决了热泵空调系统性能效率受运行工况影响的不利因素,在最大化利用能源的基础上,使该系统在极端环境下仍能保持良好性能效率。

不断优化和调试,刘方团队喷射式跨临界CO2热泵储热储冷耦合系统达到了较高储能总效率,储热储冷总能量与输入功率比值COP高达8以上,其中制热COP超过5,与常用的节流式热泵储能系统比较,可显著节省储能过程中的总能耗。

可应用于新能源微电网的运行

在研制跨临界CO2热泵双模式储能系统过程中,刘方老师也同时带领团队开始研究热泵储能对新能源微电网运行调度的影响。

团队迎难而上建立了能反映真实新能源微电网系统动态特性的时空多尺度非线性动态模型,利用热泵储能系统实现了电能和热能的转换和解耦,增加综合能源系统的运行灵活性,实现了荷网源储各子系统的协同优化,建立了评价综合能源系统稳定性和新能源渗透率的新指标,制定了基于动态耦合模型的综合能源系统实时优化调度方法和综合能源系统配置、调度耦合优化方法,形成了基于储能热泵协调的综合能源系统优化配置和实时优化调度技术。

根据测试,团队研究发现该系统完全可应用于上海电力大学校园新能源微电网中建筑楼宇的供热供冷,替代已有的电热水器和空调系统供热供冷系统,并能显著提高综合能源系统中新能源的渗透率、化解新能源消纳瓶颈,降低新能源微电网日运行成本、减少二氧化碳排放量、提高新能源电网的稳定性和运行的灵活性。与此同时,喷射式跨临界CO2热泵储能系统还可以应用于数据中心、工业和建筑楼宇的供热供冷,具有广阔的市场和潜力。

为了将研发成果和关键技术产业化,团队已经开始与中国电力科学院等企业合作进行技术开发,共同推动喷射式跨临界CO2热泵双模式储能系统及关键技术在新能源领域的应用。


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