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卡诺Discover蓄电池配备开放循环超高温热泵，用于大规模混合光伏和聚光太阳能电站
大型可再生能源电厂常位于偏远且恶劣环境中，面临严重的能源限制问题，迫切需要更安全、更高效和更灵活的能源储存解决方案。本研究提出了一种基于开放循环超高温热泵和塔式聚光太阳能（CSP）配置的新型卡诺电池系统。开放循环空气热泵集成于已配备熔盐热储和sCO的CSP电厂中2动力块，用于回收放电时的残热，提升整体能源利用率。为10兆瓦功率系统建立了充放循环和太阳能电站的热力学模型。对组件性能进行了敏感性分析，并研究了运行条件对性能的影响。结果显示，拟议系统在典型运行条件下实现56.2%的往返效率，在较低放电压力比下有望提升至62.5%。此外，在典型季节日评估了拟议系统的运行特性，显示夏季COP峰值为1.42。对于10兆瓦系统，采用60兆瓦光伏（PV）容量的耦合被认为最优，可将光伏的平均波动幅度降低25–34%。此外，该系统可将恒日球的加工面积减少28.5%，或将功率输出提升约20%，相比传统的光伏-CSP混合电厂。它提供了一种有前景的解决方案，能够储存多余电力，并在混合光伏-CSP电厂中高效转换为可调度电力。
图形摘要
全球能源格局正在经历快速转型，太阳能等可再生能源的比例持续上升[1,2]。然而，这些资源固有的间歇性和变异性导致了严重的限制问题，尤其是在大型可再生能源电厂中。目前，大型可再生能源电厂通常位于偏远恶劣环境中，如沙漠和干旱地区[3]。在这种情况下，电化学储能技术，尤其是锂电池，面临高成本、热安全差、维护困难和寿命短等挑战。这些问题限制了其在此类场地的大规模应用，因此迫切需要提供更高稳健性、更低成本且更适应极端环境条件的替代存储解决方案。
卡诺电池（CB）是一种大规模的电力-热-电力储能技术，近年来引起了广泛关注。凭借无地理限制[4]、大容量储能[5]和灵活的功率额定[6]等优势，它为大型可再生能源电厂中其他储能技术的局限性提供了有前景的解决方案。CB通常由三个主要部件组成：将电能转化为热能的单元（充电）、热能储存系统，以及将储存热量转换回电能的单元（放电）[7]。卡诺电池包括在充电阶段使用电阻加热的系统，以及采用热泵的系统，热泵通常称为抽水热能储存（PTES）[8]。后者具有显著优势，通过热泵实现电热放大效应，并通过低等级热回收和多能整合提升电-热-电效率。因此，本研究重点聚焦于基于热泵的CB。它使多余电力通过热泵储存为高质量热能，并在用电高峰时由热机重新转换成电力，从而促进可再生能源电厂的稳定发电。需要注意的是，根据参考文献[9]，超高温热泵（UHTHP）通常被定义为输出温度高于160°C的热泵。 与通常运行在200°C以下的传统蒸气压缩热泵不同，本研究重点关注能够在300°C以上运行的UHTHP，以满足大型工厂集成系统满足发电高温需求的需求（见图1）。
近年来，卡诺电池在性能和操作策略方面被广泛研究，提出了基于不同循环（如朗肯[10,11]、跨临界[12,13]和焦耳-布雷顿[[[14]、[15]、[16]]）、工质（如氩[4]、氮气[17]、氦[18]、空气[19]和一氧化碳）的构型2[16]），以及热储介质（例如固体颗粒、熔盐和热油）。Desrues等人[4]是最早提出这种类型热能储存用于大规模电力应用的人之一。他们开发了一个以固体耐火材料为储存介质的闭氩焦耳-布雷顿循环系统的数值模型，实现了66.7%的储存效率。White等人[20,21]进行了简化的热力学估计，以评估固体热储能系统中往返效率对各种不可逆损耗的敏感性。Wang 等人[18]提出了一种结合STS的焦耳–布雷顿CB瞬态分析方法。关键参数如颗粒尺寸和热储存尺寸得到了优化。Huang等人[[22]， [23]， [24]]还探讨了将相变材料作为CB热储存介质的潜力。此外，研究人员发现液体热储存（LTS）已成为CB的有前景替代方案[[25]， [26]， [27]]。与固体相比，液体介质允许每个储罐保持均匀温度，从而避免热混合，减少长期储存中的热量损失。一个代表性例子是MALTA [28]，它展示了利用熔盐作为热储存介质的CB技术可行性和商业潜力。赵等人[6,15,29]进行了热力学和高级耐能分析，比较焦耳-布雷顿CB与STS、焦耳-布雷顿CB与LTS以及跨临界朗金系统与LTS，并通过探索不同的工作流体和储存介质进一步优化系统性能。一位等人[30]和Yang等人[31,32]利用熔盐热储存研究了焦耳-布雷顿CB的动态特性。
上述大多数研究聚焦于“对称”CB系统，其中同一热力学循环在充放电过程中可逆地运行。在此类配置中，往返效率由内部分量不可逆性决定[17]。相比之下，“非对称”式则将充放过程分离，使它们能够为每个阶段采用不同的热力学循环或运行条件。这使得能够灵活地与现有热源或场地特定条件集成，在多变应用场景下提供更大的适应性和潜在的效率提升。例如，一些研究[[33]、[34]、[35]、[36]]探讨了CB与传统燃煤电厂的整合。与此同时，CB在可再生能源混合系统，尤其是混合光伏聚光（PV-CSP）电厂方面也具有前景。在当前的PV-CSP部署[37]中，电加热通常用于电热转换，但效率有限。相比之下，基于热泵的CB集成提供了更高效的替代方案。一些研究探讨了CB与CSP植物的整合。Farres-Antunez 等人[38]首先探索了CSP集成的CB（热泵与CSP的并行集成），并报告在565°C下熔盐的往返效率约为55–60%。 McTigue等人[39,40]进一步评估了CSP与超临界CO结合的技术经济表现2（sCO2） 热泵和动力循环。Yang等人[41]通过多目标优化实现了CSP集成CB的68.1%往返效率，但该系统可在最高750°C运行。 Petrollese 和 Cascetta 等人[42,43]开发了一种往返效率约为60%的床面 PTES-CSP 系统，并基于电网需求和太阳能可用性提出了运营策略。表1对太阳能集成卡诺电池的代表性研究进行了比较总结，并突出了该工作的独特之处。此外，应注意的是，由于不同研究中组件的工作条件和效率假设不同，不同研究提出的系统效率可能存在显著差异。文献中常见50–70%的往返效率[44,45]。
上述工作展示了将CSP与卡诺电池联结的集成优势和设计可行性。然而，这些研究通常将CSP视为独立的热源，未考虑混合光伏-CSP电厂的具体配置和运行特性，而混合型太阳能-CSP电厂在太阳能资源丰富地区日益普遍。此外，以空气为工作流体的开放循环配置具有多项优势，包括简洁、环保、低成本、安全，尤其是避免了闭循环设计常见的密封问题，如气体泄漏和频繁补充的需求。尽管有这些优点，只有少数关于卡诺电池的研究考虑了开放循环热泵，这也促使我们研究其潜力。将此类CB系统整合到实际的PV-CSP电厂的运营优势也尚未被评估。因此，在PV-CSP混合电厂中使用开放循环热泵的集成CB系统，其真正的技术潜力仍需更深入地研究，尤其是在现实的运行和环境条件下。
本研究提出了一种新型太阳能集成CB系统，将开放循环超高温空气热泵集成到带有熔盐热储和sCO的塔式CSP电厂中2布雷顿强力阻挡。建立包括详细热力学循环模型和太阳能电站模型在内的综合模型，并将进行参数分析以评估集成系统在不同设计和运行条件下的性能。此外，本研究还利用典型季节气象数据，研究将拟议系统集成于PV-CSP杂交厂中的运行特性。此外，还比较并匹配了不同光伏容量与拟议系统，并评估系统层面影响，以展示将CB整合进光伏-CSP电厂的实际效益。