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Reporter : 許耕綸 2013/10/31

Thermodynamic Efficiency of Pumped Heat Electricity Storage André Thess Phys. Rev. Lett .  111 , 110602 (2013) Published September 13, 2013. Reporter : 許耕綸 2013/10/31. 大綱. 前言 傳統非化學儲能技術 Pumped Heat Electricity Storage(PHES) 和 Pumped Cryogenic Electricity Storage(PCES) 介紹 模型建立與假設 效率計算

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Reporter : 許耕綸 2013/10/31

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  1. Thermodynamic Efficiency of Pumped Heat Electricity StorageAndré ThessPhys. Rev. Lett. 111, 110602 (2013)Published September 13, 2013 Reporter:許耕綸 2013/10/31

  2. 大綱 • 前言 • 傳統非化學儲能技術 • Pumped Heat Electricity Storage(PHES)和Pumped Cryogenic Electricity Storage(PCES)介紹 • 模型建立與假設 • 效率計算 • 預測、分析、修正 • 總結

  3. 前言 • 為了解決間歇性再生能源電力儲存的問題，最近發展出PHES系統，比起傳統非化學儲能技術Pumped Hydro Stroage(PHS)和Compressed Air Energy Storage(CAES)所需的限制少且可建造於任何地方。然而大型PHES系統還不存在，理論預測也不多，系統的效率是未知的，於是作者制定出簡單的熱力學模型來預測PHES的效率。

  4. 傳統非化學儲能技術PHS

  5. 傳統非化學儲能技術CAES

  6. PHES和PCES介紹 • 概念：電能經由Heat Pump轉換為熱能儲存，熱能經由Heat Engine轉換回電能。 • 優點：不受地形、位置影響。 • 目的：解決GWh量級規模儲能問題。

  7. PHES和PCES運作 PHES PCES

  8. The Thermodynamic Efficiency • 熱力學效率(又稱round-trip efficiency)

  9. 理想PHES (Carnot heat pump with efficiency) (Carnot power cycle with efficiency)

  10. 建立分析模型 • The simplest nontrivial thermodynamic model • 尋找可以通用在普遍PHES的最小可變參數 Otto cycle Rankine cycle Gas turbine cycle Two-vessel storage systems One-vessel storage systems

  11. 模型假設 • 充、放電循環都是卡諾循環 • 卡諾循環與環境、儲存物溫度互相作用 • 唯一不可逆來源： 環境與卡諾循環的溫度差熱轉移 * ：特定一小段(有限)時間內的溫度差 • 每個溫度差都與線性熱轉移相關連

  12. 熱交換器充放電時的熱轉移系數相等 交互作用的時間為有限時間熱力學且充放電循環皆相等 放電作用於最大功率熱機 PCES PHES

  13. Carnot Cycle *1-2,3-4：等溫過程，2-3,4-1：絕熱過程。

  14. Heat Pump Cycle效率 • Heat pump cycle效率：

  15. Power Cycle效率 • 最大功率Power cycle(假設(7)) • Curzon-Ahlborn engine Theory: • Power cycle效率:

  16. Round-Trip Efficiency • 最大往返效率：

  17. T1/T0<0.205？

  18. 不同PHES和PCES系統性能預測 TABLE I. Predicted performance of PHES and PCES systems. *(l)潛熱-物質在相變化過程中，溫度沒有變化的情況下，吸收或釋放的能量;(s)顯熱. Granite花崗岩. Refractory耐熱材料

  19. 分析 • 其中PHES利用熱水儲能雖然效率不及PHS(70-80%)，但是儲能密度比PHS高出20倍以上。 • 液態高溫鋁儲能PHES，當 時往返效率超過CAES(50%)，當 仍然高於先進絕熱技術CAES。

  20. 損耗能量修正

  21. 結論 • 作者制定了簡單的PHES模型，找到往返效率和溫度的關係，並預測其性能縮放比例。PHES模型雖然缺乏具體測試，但式(2)(3)的預測經的起時間的考驗。

  22. 參考資料 • PHS & CAES- http://www.creighton.edu/green/energytutorials/formsofenergy/storingenergy/index.php • Carnot Cycle- http://willyyanto.wordpress.com/2009/10/17/a-brief-view-upon-carnot-cycle-and-gas-power-cycles/ • Curzon-Ahlborn engine Theory -http://large.stanford.edu/courses/2010/ph240/askarov2/

  23. The End

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