帶儲冷的超臨界CO2循環(huán)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

鄭開云

(上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司,上海 閔行200240)

0 引言

太陽能和風力發(fā)電具有隨機性、間歇性和波動性的特點,對電網的安全穩(wěn)定運行有影響,需要通過儲能手段來平抑功率波動[1]。由于大規(guī)模儲能還有待發(fā)展,棄風、棄光的問題仍然比較突出,所以研發(fā)新型的儲能方法迫在眉睫[2-3]。儲能的方式有多種,除了可以儲電、儲熱以外,還可以儲冷。如果多種新能源發(fā)電能夠一體化發(fā)展,將電網無法消納的新能源電力進行制冷并儲冷,冷量用于太陽能熱發(fā)電廠的冷端冷卻,則可以提高熱力循環(huán)的效率,在相同輸入熱量下產生更多電力。對于上述設想,不考慮各種非技術因素,從單純的技術角度,需要有合適的熱力循環(huán)系統(tǒng),并要求冷端降溫可以帶來足夠的循環(huán)效率的提升。相關研究表明,超臨界CO2循環(huán)是可選的動力循環(huán)系統(tǒng),其效率隨著冷端溫度降低而顯著升高[4],并且CO2工質沸點溫度足夠低,冷端降溫的空間很大。此外,超臨界CO2循環(huán)還是下一代聚光太陽能熱發(fā)電動力循環(huán)的候選技術路線之一[5]。本文提出帶儲冷的超臨界CO2循環(huán)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的概念,通過制冷來間接地儲存電力,冷量用于提高太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率,增加發(fā)電量,相當于向電網返回儲存的電力。

1 儲能效率分析

通過電制冷方法將電力轉變?yōu)槔淞窟M行儲存相當于充電,將冷量用于動力循環(huán)冷端冷卻增加發(fā)電量相當于放電。制冷可采用常規(guī)的壓縮制冷技術,配以簡便、廉價的水儲冷方式,制取7℃的冷水,制冷機的制冷系數(shù)(coefficient of performance,COP)可達5以上[6]。超臨界CO2循環(huán)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),降低冷端溫度可提高超臨界CO2循環(huán)效率。為了進一步說明上述壓縮制冷和超臨界CO2循環(huán)發(fā)電集成系統(tǒng)的儲能效率,分別按照當前和下一代的太陽能熱發(fā)電廠的溫度水平[7-8],即550℃和700℃,基于Ebsilon熱力循環(huán)系統(tǒng)分析軟件,構建分流再壓縮再熱模式的超臨界CO2循環(huán)(見圖1),并對循環(huán)效率和儲能效率進行計算分析。

表1列出了超臨界CO2循環(huán)的相關參數(shù),主參數(shù)分2套(系統(tǒng)Ⅰ:550℃/20 MPa;系統(tǒng)Ⅱ:700℃/30 MPa);主要設備性能指標參照相關文獻[9-11]。對比分析不制冷和制冷兩種工況:不制冷工況,預冷器出口工質為35℃,采用常規(guī)的冷卻條件;制冷工況,預冷器出口工質為17℃,其中工質溫度從35℃到17℃的冷卻通過制冷冷量實現(xiàn),35℃以上溫度工質的冷卻采用常規(guī)的冷卻條件。通過優(yōu)化參數(shù)使循環(huán)在熱力學平衡時的熱效率達到最高。為簡化計算,管道壓損、散熱、設備漏氣及其它可能的微量損失和輔助設備用電均忽略不計。

表1 超臨界CO2循環(huán)參數(shù)Table 1 Parameters for supercritical CO2 cycle

超臨界CO2循環(huán)的發(fā)電效率(ηe)定義為凈輸出電功率與輸入熱量之比,即:

圖1 超臨界CO2分流再壓縮循環(huán)系統(tǒng)Fig.1 Layout of supercritical CO2 recompression cycle

式中:Wt為透平軸功率;Wmc為主壓縮機軸功率;Wrc為再壓縮機軸功率;Q為熱源輸入熱功率;ηgen為發(fā)電機效率。超臨界CO2循環(huán)的制冷工況的制冷電耗相當于充電量(Ec),制冷工況比不制冷工況的凈輸出電力的增量相當于放電量(Ed)。儲能效率(ξ)為:

超臨界CO2循環(huán)熱力學分析結果列于表2—3。根據(jù)表2,550℃/20 MPa超臨界CO2循環(huán)的制冷工況每小時消耗冷量為46.5 MW·h,制冷工況比不制冷工況每小時凈輸出電力的增量為4.7 MW·h,約為總的凈輸出電力的10%,對應于制冷機COP值為5～7,制冷電耗為9.3～6.6 MW·h,儲能效率為50.5%～70.7%,見圖2。根據(jù)表3,700℃/30 MPa超臨界CO2循環(huán)的制冷工況每小時消耗冷量37.8 MW·h,制冷工況比不制冷工況每小時凈輸出電力的增量為4.4 MW·h,約為總的凈輸出電力的8%,對應于制冷機COP值為5～7,制冷電耗為7.6～5.4 MW·h,儲能效率為58.2%～81.4%,見圖3。

表2 550℃/20 MPa超臨界CO2循環(huán)熱力學分析結果Table 2 Thermodynamic analysis results of supercritical CO2 cycle at 550℃/20 MPa

表3 700℃/30 MPa超臨界CO2循環(huán)熱力學分析結果Table 3 Thermodynamic analysis results of supercritical CO2 cycle at 700℃/30 MPa

2 經濟性分析

經濟性分析的假設場景是將帶儲冷的超臨界CO2循環(huán)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)用于收集多余的新能源電力,并在用電高峰時釋放,釋放電力的總價與收集電力的總價之差即為儲能收益[12]。

圖2 550℃/20 MPa 超臨界CO2循環(huán)儲能效率與COP值的關系曲線Fig.2 Relationship curve of energy storage efficiency and COP for supercritical CO2 cycle at 550℃/20 MPa

圖3 700℃/30 MPa 超臨界CO2循環(huán)儲能效率與COP值的關系曲線Fig.3 Relationship curve of energy storage efficiency and COP for supercritical CO2 cycle at 700℃/30 MPa

對于上述熱功率100 MW的550℃/20 MPa參數(shù)太陽能熱發(fā)電廠,按1年發(fā)電小時數(shù)4 000 h計算,釋放電力為1.9×107k W·h/a,對應于圖2的儲能效率(對應于COP值為5～7),收集的電力為3.7×107～2.6×107k W·h/a。對于回收棄風棄光電力,認為其電價很低,收集電價取為0.1元/(k W·h),釋放電價取為1.0元/(k W·h),則儲能收益約為1.5×107～1.6×107元。假設棄電收集用于制冷過程的時長與發(fā)電釋放電力的時長比為1∶12,則需要配置的制冷機的容量為111.7～79.8 MW,按照600元/k W[13],制冷機設備價格6.7×107～4.8×107元。不計水儲冷設施造價,收回制冷設備投資需要4.5～3.0年。

同樣地,對于上述熱功率100 MW的700℃/30 MPa參數(shù)太陽能熱發(fā)電廠,釋放電力為1.8×107kW·h/a,對應于圖3的儲能效率(對應于COP值為5～7),收集的電力為3.0×107～2.2×107k W·h/a。儲能收益約為1.4×107～1.5×107元。需要配置的制冷機的容量為90.8～64.8 MW,制冷機設備價格5.4×107～3.9×107元。收回制冷設備投資需要3.9～2.6年。

3 結論

(1)利用儲冷裝置為超臨界CO2循環(huán)冷端降溫,從而提高其發(fā)電效率,在相同輸入熱量下,產生更多的發(fā)電量,制冷耗電與增量發(fā)電分別相當于儲能和釋能。

(2)帶儲冷的超臨界CO2循環(huán)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的儲能量可達發(fā)電量的10%,當制冷機COP值大于6時,儲能效率可達60%以上,并隨COP值遞增,用于棄風充光電力回收時,儲能設備投資回收期約為3～5年,具有較好的經濟性。

(3)太陽能熱發(fā)電正處于發(fā)展初期,超臨界CO2循環(huán)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)固有的儲能屬性有助于其與光伏、風電等其他新能源的互補發(fā)展。