典型卡諾電池系統(tǒng)的簡化方案

　　基于熱泵-有機液位循環(huán)，葡萄牙科學家已經(jīng)創(chuàng)建了六種不同型號的卡諾電池用于固定式儲能。他們調(diào)查了16種不同的工作流體組合，并為最佳候選者創(chuàng)建了多目標優(yōu)化。

　　葡萄牙科英布拉大學（Universidade de Coimbra）的研究人員設計了各種版本的基于有機朗肯循環(huán)的卡諾電池（CB）的熱泵。

　　卡諾電池是一種通過水或熔鹽等儲存介質(zhì)以熱量形式儲存電力的系統(tǒng)，并在需要時將熱量轉(zhuǎn)化為電能。這一類別包括液態(tài)空氣儲能（LAES）系統(tǒng)和基于布雷頓或朗肯的泵送熱能儲能（PTES）系統(tǒng)，以及Lamm-Honigmann儲能，這是一種基于吸附的技術(shù)，可以用熱和電力充電和放電，以及基于集成電阻加熱和功率循環(huán)的系統(tǒng)。

　　所有這些儲能技術(shù)都允許廣泛的應用，如套利業(yè)務、輔助服務或電網(wǎng)內(nèi)的調(diào)峰。

　　科學家們使用16種不同的環(huán)保工作流體組合，通過單目標優(yōu)化和多目標優(yōu)化模擬了幾個系統(tǒng)，以提高電力、能量和經(jīng)濟效率。

　　學者們解釋說：“CB是一種'功率-熱量-功率'的儲能技術(shù)，通過加熱或冷卻熱能儲能（TES）系統(tǒng)將多余的電力轉(zhuǎn)化為熱能。儲存的熱能可以在需要時轉(zhuǎn)化為電力。”CB分為三個熱區(qū)：TES罐（高溫和低溫）、熱源和散熱器。

　　該團隊提出了六種可作為CB使用的HP-ORC組合。系統(tǒng)1是最基本的系統(tǒng)，包括蒸汽壓縮熱泵（VCHP）和簡單的ORC。系統(tǒng)2向HP添加再生器，系統(tǒng)3向ORC添加再生器，而系統(tǒng)4向HP和ORC都添加再生器。系統(tǒng)5使用帶有閃蒸室的兩級熱泵，而系統(tǒng)6使用兩級HP和再生ORC。

　　對高壓側(cè)和ORC側(cè)的四種不同工作流體進行了測試，總共產(chǎn)生了16種可能的組合。具體來說，它們分別是R1224yd（Z）、R1234ze（Z），R1336mzz（Z）和R1233zd（E）。這些系統(tǒng)是在MATLAB 2024a中開發(fā)的，假設VCHP和ORC處于穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)；熱交換器中無熱損失和壓力損失；壓縮機和膨脹機恒定效率；水作為熱源、儲存和冷源中的傳熱流體。

　　首先，對六種系統(tǒng)配置和16種工作流體對應的所有可能組合進行了單目標優(yōu)化。每種組合都經(jīng)過了三個單一目標的優(yōu)化——能量、運動和經(jīng)濟。采用一種新的評分方法來系統(tǒng)地識別最佳工作流體配置對。

　　模擬表明，再生熱泵和ORC配置（系統(tǒng)4）在所有流體組合中始終提供最佳結(jié)果，與其他系統(tǒng)相比，證明了其適用于該技術(shù)，R1233zd（E）-R1233zd（E），其次是R1234ze（Z）-R1224yd（Z），顯示出最高的整體性能。發(fā)現(xiàn)R1336mzz（Z）-R1336mzz（Z）的基本熱泵和ORC配置（系統(tǒng)1）的性能最低。

　　在此分析之后，該小組在HP和ORC側(cè)使用R1233zd（E）對系統(tǒng)4進行了多目標優(yōu)化。根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)，往返效率和平準化儲能成本（LCOS）之間的權(quán)衡。然而，最優(yōu)設計實現(xiàn)了57.43%的往返效率和0.649歐元（0.73美元）/KWh的LCOS。

　　該團隊表示：“在不顯著影響整體性能的情況下，可以實現(xiàn)高達81.30%的效率。超過這一點，由于性能迅速下降，進一步的改進是不合理的。最佳設計點對應于小型實驗試驗臺的LCOS為1.093歐元/KWh，但預計在更大范圍內(nèi)會降低。”

　　他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《能量轉(zhuǎn)換和管理：X》（Energy Conversion and Management: X）上名為《用于儲能應用的卡諾電池的多目標優(yōu)化和設計》的論文中。

　　在2023年發(fā)表的一項研究中，丹麥技術(shù)大學的學者提出使用卡諾電池將燃煤發(fā)電廠轉(zhuǎn)換為可再生能源生產(chǎn)。

　　丹麥的另一組研究人員還研究了卡諾電池如何在本國儲存可再生能源，并發(fā)現(xiàn)這些設備只有在一定的成本閾值下才能做出重大貢獻。

　?。ㄋ夭膩碜裕篣niversidade de Coimbra 物理儲能網(wǎng)、全球儲能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）