Китайская команда оптимизировала стратегию закачки воздуха для хранения энергии в сжатом воздухе: эффективность хранения энергии выросла до 87,5%

Репортаж от Wedoany，28 сентября исследовательская группа Хунаньского технологического университета провела исследование процесса закачки воздуха в системе хранения энергии в сжатом воздухе на основе подземных пещер. Путём построения связанной численной модели «скважина — пещера-хранилище» было выполнено моделирование изменений температуры, давления и тепловых потерь при различных расходах закачки, диаметрах скважины и теплопроводности окружающих пород. Результаты исследования показали, что при одинаковой общей массе закачиваемого воздуха и одинаковом времени закачки 8 часов применение стратегии линейно возрастающей закачки позволяет повысить эффективность хранения энергии в пещере с 85,5% при закачке с постоянным расходом до 87,5%. Соответствующие результаты опубликованы в журнале «Case Studies in Thermal Engineering».

Модель исследования одновременно учитывает перенос воздуха в скважине, реальные теплофизические свойства воздуха, турбулентность, сопряжённый теплообмен между газом и твёрдым телом, а также процесс теплопроводности в окружающих породах; она была проверена с использованием эксплуатационных данных немецкой электростанции хранения энергии в сжатом воздухе Huntorf. В модели пещера-хранилище Huntorf была упрощена до цилиндра радиусом 20 метров и высотой 112,2 метра. По сравнению с измеренными данными результаты моделирования показали максимальное отклонение температуры 2,66 K и максимальное отклонение давления 0,30 МПа.

В последующем параметрическом моделировании исследовательская группа задала сферическую пещеру-хранилище радиусом 40 метров и объёмом 268 тыс. кубических метров, соединённую со скважиной длиной 30 метров. Были сопоставлены четыре режима закачки воздуха, включая линейное увеличение расхода с 10 кг/с до 150 кг/с, ступенчатую закачку со 110 кг/с в первые 5 часов и 30 кг/с в последующие 3 часа, пошаговое увеличение расхода с паузами, а также закачку с постоянным расходом 80 кг/с. Во всех четырёх режимах общая масса воздуха, закачанного за 8 часов, оставалась одинаковой.

Результаты моделирования показали, что по сравнению с режимом постоянного расхода линейно возрастающая закачка повышает среднюю температуру воздуха в пещере примерно на 1 K, среднее давление — на 0,13 МПа, работа, получаемая сжатым воздухом, увеличивается примерно на 12,7%, а количество тепла, передаваемого от стенки пещеры к окружающим породам, возрастает примерно на 11%. В указанных условиях итоговая эффективность хранения энергии повышается на 2 процентных пункта. Также были испытаны четыре диаметра скважины: 0,5 м, 1 м, 1,5 м и 2 м. При увеличении диаметра скважины с 0,5 м до 2 м тепловые потери через стенку скважины снизились с 8,5×10^8 Дж до 2,5×10^8 Дж, а средняя температура воздуха, поступающего в пещеру, повысилась примерно на 1 K.

Теплофизические свойства окружающих пород также вошли в область моделирования. Команда выполнила расчёты с использованием теплопроводности базальта 2,17 Вт/(м·K), гранита 2,90 Вт/(м·K) и кварцита 5,53 Вт/(м·K). При замене окружающих пород с базальта на кварцит потери на теплопроводность увеличились примерно на 7%. Исследование также показало, что если упростить стенку пещеры до адиабатических условий, то к моменту окончания закачки средняя температура и давление будут завышены на 1,7 K и 0,05 МПа соответственно; к моменту окончания выпуска воздуха соответствующие завышенные значения возрастают до 2,2 K и 0,06 МПа.

Данное исследование посвящено характеристикам аккумулирования энергии на этапе закачки воздуха в подземную пещеру-хранилище; результаты исследования получены на основе численного моделирования и не учитывают КПД наземного оборудования, такого как компрессоры и расширительные машины, в указанных показателях эффективности хранения энергии 85,5% и 87,5%. В этот раз исследовательская группа сосредоточилась на сравнении трёх групп параметров: режима закачки воздуха, размеров скважины и теплопроводности окружающих пород, а также проверила результаты расчёта температуры и давления модели с использованием фактических эксплуатационных данных Huntorf.