基于熱能和電化學混合儲能技術的托卡馬克聚變電站能量輸出平衡方案研究
《Journal of Energy Storage》:Research on energy output equilibrium scheme based on thermal and electrochemical hybrid energy storage for tokamak fusion power plant
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時間:2026年02月25日
來源:Journal of Energy Storage 9.8
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可控核聚變能源因巨大功率、零碳排放和無限燃料成為重要解決方案,但托卡馬克裝置脈沖運行導致蒸汽輪機加速老化及電網不穩定。本文提出熱-電化學混合儲能系統,結合改進多目標灰色狼優化算法優化儲能容量,并以CFETR為案例,驗證該系統降低建設成本2045萬美元,提升效率9.54%,有效解決間歇性供電問題。
蘇航|李華|宋志全|劉正光|徐萌|梁展鵬
中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所,中國安徽省合肥市,230088
摘要
核聚變能源以其無與倫比的巨大能量、零碳排放和無限的燃料儲備而成為一種關鍵的可持續能源解決方案。托卡馬克被認為是實現可控核聚變的最有前景的方法。許多國家和組織正在積極研究和設計以托卡馬克為核心反應堆的聚變發電廠。然而,目前托卡馬克無法長時間處于穩態運行。其原因在于需要不斷為提供磁約束的磁鐵充電。這一限制導致在停留期間功率輸出急劇下降,加速了聚變電廠中蒸汽渦輪機的老化,并顯著影響了電網的穩定性。為了解決這些問題,本文提出了一種混合儲能(HES)方案,該方案結合了電化學儲能和熱儲能技術。與傳統熱儲能相比,該方案降低了儲能系統的構建復雜性并提高了運行效率。為了優化HES系統的容量,本文采用了一種改進的多目標灰狼優化器(MOGWO),該優化器引入了三種特殊機制來提升算法性能。基于中國聚變工程試驗堆(CFETR)的典型運行條件進行的案例研究表明,HES方案可將投資成本降低204.5萬美元,并將儲能系統效率提高9.54%。這項研究不僅提出了一種適用于間歇性聚變發電廠運行的能量平衡方案,還優化了儲能容量,并驗證了HES系統的可行性,強調了儲能技術在可控核聚變中的重要性。
術語表
符號說明
| 符號 | |
| C | 成本(百萬美元) |
| Q | 容量(兆瓦時) |
| m | 質量(千克) |
| P | 功率(兆瓦) |
| T | 溫度(°C) |
| 下標 | |
| he | 熱量 |
| ba | 電池 |
| st | 蒸汽 |
| ge | 發電機 |
| 縮寫 | |
| MOGWO | 多目標灰狼優化器 |
| ITER | 國際熱核實驗反應堆 |
| ASIPP | 中國科學院等離子體物理研究所 |
| PF | 多極場 |
| TF | 環形場 |
| CS | 中央螺線管 |
| DEMO | 示范發電廠 |
| CFETR | 中國聚變工程試驗堆 |
| HELIAS | 螺旋軸先進恒星器 |
| EES | 電化學儲能 |
| RAM | 隨機存取存儲器 |
能量輸出平衡方案
由于聚變電廠會定期停機,其熱功率輸出具有高度間歇性。為了解決這一挑戰,本節對基于托卡馬克的發電廠的發電原理和能量輸出特性進行了全面分析。在此基礎上,本文評估了傳統的熱儲能方法[17]、[20]、[21],并提出了一種集成的熱電化學儲能方案。該方法旨在有效緩解間歇性問題。
儲能容量的優化配置
目前,研究人員廣泛采用元啟發式算法來優化儲能容量,尤其是在優化目標之間存在強烈耦合和顯著非線性的場景中。本文介紹了一種改進的MOGWO,用于優化涉及混合熱儲能和電化學儲能系統的容量。傳統的MOGWO經過改進,以更好地適應本研究的具體應用環境。
案例研究
本文以中國聚變工程試驗堆(CFETR)的典型運行條件為例,計算了單獨熱儲能系統的經濟性和效率,并使用改進的MOGWO計算了熱儲能與電化學儲能混合系統的經濟性和效率,并對兩者進行了比較。
結論
由于托卡馬克設備以長脈沖模式運行,可控聚變發電廠的電力輸出存在顯著波動,這會對蒸汽渦輪機的壽命和電網穩定性產生不利影響。為了解決這一問題,本文提出了一種結合熱儲能和電化學儲能的混合儲能系統。具體包括以下內容:
(1)考慮到基于托卡馬克的聚變發電廠的脈沖輸出特性,熱儲能系統可以
CRediT作者貢獻聲明
蘇航:撰寫——原始草稿、驗證、軟件開發、概念構思。
李華:撰寫——審閱與編輯、數據整理、概念構思。
宋志全:監督、資源協調。
劉正光:可視化處理、軟件開發。
徐萌:撰寫——審閱與編輯。
梁展鵬:軟件開發、方法論設計。
資助信息
研究資助方:中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所
資助項目名稱:中國聚變技術綜合研究設施項目
資助編號:2018–000052–73–01–001228
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的財務利益或個人關系。
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