熱泵儲(chǔ)電是一種新型的大規(guī)模物理儲(chǔ)電技術(shù)，具有成本低、儲(chǔ)能密度高和不受地理?xiàng)l件限制等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)通常由壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、儲(chǔ)熱器和儲(chǔ)冷器組成，如圖1所示。其工作原理為，在儲(chǔ)能時(shí)通過(guò)逆向布雷頓循環(huán)(熱泵循環(huán))將熱能從儲(chǔ)冷器內(nèi)部“抽出”至儲(chǔ)熱器，并存儲(chǔ)冷能與熱能;當(dāng)需要電能的時(shí)候，通過(guò)正向布雷頓循環(huán)(動(dòng)力循環(huán))將存儲(chǔ)的熱能和冷能轉(zhuǎn)化為電能。

近年來(lái)該技術(shù)受到歐美的重點(diǎn)關(guān)注和支持，被歐洲儲(chǔ)能協(xié)會(huì)(EASE)和美國(guó)儲(chǔ)能協(xié)會(huì)(ESA)列為重要儲(chǔ)能技術(shù)之一。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所儲(chǔ)能研發(fā)中心自2015年起開(kāi)始對(duì)基于正/逆布雷頓循環(huán)的熱泵儲(chǔ)電技術(shù)進(jìn)行研究與探索，通過(guò)熱力學(xué)建模方法全面分析了循環(huán)工質(zhì)物性和系統(tǒng)壓比等參數(shù)對(duì)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)性能的影響，相關(guān)成果已發(fā)表在《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》等期刊上。

近期，工程熱物理所儲(chǔ)能研發(fā)中心在熱泵儲(chǔ)電技術(shù)研究方面取得了新進(jìn)展。首先，研究揭示了熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)中的填充床儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷設(shè)備的質(zhì)量流不均衡的現(xiàn)象，通過(guò)理論分析提出了斜溫層推移和質(zhì)量平衡數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)而提出了質(zhì)量流量不平衡度修正的系統(tǒng)效率表達(dá)式。提出了基于二元直徑混合填充床的質(zhì)量流量自平衡型熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)。結(jié)果表明，通過(guò)提高儲(chǔ)熱材料的熱容和降低孔隙率，可以有效解決質(zhì)量流量的不平衡，從而獲得更高的充放效率和儲(chǔ)能密度。研究結(jié)果發(fā)表在能源領(lǐng)域期刊Energy Conversion and Management上(Wang Liang et al. Energy Conversion and Management, 2019, 185: 593-602)。另一方面，通過(guò)耦合求解動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和傳儲(chǔ)熱過(guò)程，開(kāi)展了基于有限熱力學(xué)方法的熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)連續(xù)循環(huán)非穩(wěn)態(tài)分析。研究了10MW/40MWh熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的連續(xù)循環(huán)過(guò)程非穩(wěn)態(tài)特性，全面分析了系統(tǒng)壓比、壓縮/膨脹機(jī)效率、儲(chǔ)能介質(zhì)尺度、儲(chǔ)能裝備結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行控制等因素對(duì)熱泵儲(chǔ)電系統(tǒng)的影響，并揭示其內(nèi)在關(guān)聯(lián)影響機(jī)制。研究結(jié)果發(fā)表在能源領(lǐng)域期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews上(Wang Liang et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2019, 111: 523-534)。

相關(guān)成果已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利5項(xiàng)和實(shí)用新型專利5項(xiàng)，受到中科院青促會(huì)項(xiàng)目和所長(zhǎng)基金(基金評(píng)優(yōu)獎(jiǎng)勵(lì))項(xiàng)目等的支持。