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基于ADBO优化的智能逆变器集成光伏/电池储能系统，在不进一步降低电压的情况下，实现Gaborone导向的IEEE 69节点代理馈线上的电动汽车充电容量增量

摘要

储能是利用可再生能源实现社会脱碳的关键步骤。卡诺电池是储存可再生能源过剩电力的有前景的技术，但其效率通常受到限制。本研究提出了一种增强卡诺电池单元性能和灵活性的新颖思路。具体而言，建议采用一种同时利用电力和废热流的混合系统，并结合两级潜热储能以提高灵活性。此外，该系统采用了一种创新的级联高温热泵，低级采用吸收式热转换器，高级采用蒸汽压缩机组。发电装置为回热式有机朗肯循环。实际上，吸收式热转换器通过提升废热流的温度并降低蒸汽压缩热泵所需的温差，从而在合理利用废热流的同时提高了发电性能。此外，为了进行适当的比较，还研究了不含吸收式热转换器的相应配置。分析结果表明，与不含该装置的系统相比，采用吸收式热转换器将回合效率从26.30%提升至92.31%（相对提升）。对于废热流温度为100 °C的主要场景，配备吸收式热转换器的系统回合效率为72.86%，能质效率为35.02%。

关键词：

高温热泵; 储热; 有机朗肯循环; 余热回收; 吸收式热转换器; 卡诺电池

1. 简介

可再生能源在电网中的渗透率不断提高，使得储能成为平衡电力需求与生产、维持电网稳定[1]以及限制可再生能源发电量损失[2]的关键要素。这一问题在欧洲日益凸显，2024年可再生能源发电量已占电力组合的47%，同时负电价现象显著增加，表明存在发电过剩和系统灵活性不足的时期[3]。在希腊，这一挑战已显而易见，仅在2024年前七个月，就有约528吉瓦时（GWh）的可再生能源电力被弃用，约占可再生能源总产量的3.5% [4]。尽管电化学电池能有效提供短期灵活性，但其大规模部署面临着成本、寿命、安全以及对锂、钴、镍和石墨等关键材料依赖等问题 [5]. 热管理也是电池运行的重要方面，近期研究探讨了先进的冷却配置，包括径向发散冷却通道和具有非均匀螺旋翅片的液冷板，以改善传热和温度均匀性 [6,7]. 热能储存代表了一种有趣的替代方案，特别是在大规模应用中，因为它可以使用相对廉价的储存介质并在较长的储存周期内运行 [8]。同时，热储能可以促进废热的利用，而废热在很大程度上仍是一种未被充分开发的能源。具体而言，据估计，欧盟每年技术上可利用的废热潜力为300 TWh [9]。在此框架下，卡诺电池成为一个非常有前景的选择，因为它们在充电时将多余的电能转化为热能，以热能形式储存，并在需要时将其重新转化为电能 [10]。它们结合电能和热能流的能力，以及整合废热的可能性，使其在可再生能源渗透率高的未来能源系统中特别具有吸引力[11]。通常，卡诺电池基于朗肯循环或布雷顿循环的使用[12]。它们可以设计为100千瓦到100兆瓦或更高的各种容量[13]，同时还结合了显热或潜热储能[14]。此外，卡诺电池可以在多能联产系统中被利用，以产生多种有用的输出（例如电力、供暖和制冷）。

在文献中，已有若干研究探讨了卡诺电池在储存可再生能源过剩电力方面的应用。Steger等人[15]研究了一种采用R1233zd(E)工质和显热储水的环境源卡诺电池，并对90至120°C范围内的储热温度进行了研究。结果表明，其往返效率为59%，在此情况下，有机朗肯循环（ORC）的热力学效率为10.2%，热泵（HP）的性能系数（COP）为5.8。Frate等人[16] 研究了一种采用显热储能和环戊烷工质的卡诺电池。他们发现其往返效率为55%，储能密度为15 kWh/m3。Eppinger等人[17]对一种采用潜热储能的卡诺电池进行了详细分析，并得出其往返效率在56%至61%之间。在Dumont和Lemort[的关键基准研究中18], 研究得出结论，卡诺电池的经典架构可达到60%的功率转换效率，而先进架构和对废热流（WHSs）的利用可进一步提升这一指标。在此方向上，McTigue等人[19]研究了一种作为卡诺电池单元的回收式焦耳-布雷顿配置，其往返效率可达72%，证明了先进配置的有效性。

能源的利用为系统（如热泵蒸发器）提供了重要的有效能输入，这是一种提高往返效率并开发合适设计的方法[20]。Henchoz等人[21]研究了一个由环境能源和太阳能集热器驱动的系统。他们发现往返效率可达65%，这是一个令人满意的数值。Bellos等人[22] 研究了一套太阳能驱动装置，该装置采用回热式热泵和以环戊烷为工质的有机朗肯循环（ORC），并应用了潜热储能技术。他们发现，在最佳设计中，往返效率为68%，投资回收期为7.8年。Yu等人[通过验证模型研究了集中式抛物槽式太阳能集热器在卡诺电池系统上的应用。23]. 这一想法使得在更高温度下利用热泵的热输入成为可能，从而在更高的温度水平上储存热能。这项工作的研究结果表明，在仅使用太阳能运行的情况下，往返效率达到了63%，与不含太阳能集热器的系统相比，这是一个重要的提升。

此外，文献中还研究了其他重要理念。Yang等人[24]研究了与吸收式制冷机耦合的卡诺电池，该制冷机同时产生冷能。他们优化了废热流以充分利用这些资源。他们发现该装置的有效能效率高达37%，往返效率高达73%。Lykas等人[25] 研究了一种多能联产卡诺电池，该电池可满足建筑物的电力、供暖和制冷负荷。结果表明，其总往返效率为82%，平均可覆盖建筑物87%的负荷。Bellos [26] 考察了一种具有潜热储能的新型卡诺电池设计，该设计能优化利用WHS。WHS被以两种方式利用：首先直接向储能单元供热，然后为热泵供热。研究发现，其往返效率为64%，有效能效率接近37%。

正如现有文献所示，大量研究致力于卡诺电池，旨在最大化其性能并将其与可再生和替代能源相结合。在此方向上，本文提出了一种新型卡诺电池单元，该单元集成了两个潜热储能系统，这是其关键创新特征，因为它增加了系统的灵活性，提供了在不同时间段存储来自电力和废热流能量的机会。另一个创新之处在于高温热泵，它是一个级联装置，下级包含吸收式热转换器（AHT），上级包含蒸汽压缩式热泵。其动力热力循环为回热式有机朗肯循环（ORC）。AHT的存在提升了WHS，并使热泵能够以高COP高效运行。值得注意的是，该装置是与不含AHT但配备双储能系统的相应系统进行对比的。分析基于热力学原理，旨在计算该装置在各种设计条件下的能量和能质性能。模拟在Engineering Equation Solver [27] 分析重点在于确定使所提配置的热力学性能最大化的条件。

2. 材料与方法

2.1. 研究配置

在本研究中，对两套卡诺电池系统进行了研究，其特点是在两种不同的潜热系统中进行热能储存。该方案允许在两个不同的温度下储存能量，提高了系统的灵活性，并使为该单元供能的废热系统（WHS）能够得到最佳利用。在本分析中，假设热泵的输入电功率为1000 kW，而废热系统包含温度分别为80–100–120 °C的烟气。烟气的质量流量不受限制，假设始终有足够的废热来提升系统性能。假设最低出口温度没有问题，废热系统离开系统时的温度水平降低了20 K。潜热储存系统采用相变材料（PCM）构建，这些材料在恒定温度下发生相变（这是一个合理的假设），并且这些系统始终在潜热阶段储存能量。此外，HP和ORC设备的高压上限设定为临界压力的90%，这是一个合理的假设。

第一个研究的系统如图1所示，这是一种新型系统，包含AHT、HP、ORC和两个储能单元。AHT由WHS驱动，实际上升级了热输入，该热输入储存在低级PCM单元中，并供给HP的蒸发器。HP包含一个内部换热器（IHX），并利用多余的电能来进一步提升热输入。升级后，热量从热泵冷凝器释放到高级PCM中进行储存。当需要电能时，高级PCM中储存的热能被提供给ORC用于发电。第二个被研究的系统，如图所示图2，实际上是与第一个场景相似的基准场景，1所示，但不包含AHT。该系统同时包含潜热储能单元、热泵（HP）和有机朗肯循环（ORC）。因此，AHT-HP-ORC系统中存在双级热升级，实际上，热泵是一个级联系统，AHT作为低级子系统，机械蒸汽压缩热泵作为高级系统。这一构思在高温热泵领域非常有趣，近期Bellos[28].

图1。新型卡诺电池，包括AHT、HTHP、ORC和两个潜热储能单元（系统-1）。

图2。基准卡诺电池，包括HTHP、ORC和两个潜热储能单元（系统-2）。

关于所使用的设备，简要描述有助于理解其工作原理。AHT采用LiBr/H2O工作介质，在发生器和蒸发器中吸收热量。吸收的热量被提升后，通过低级潜热储能单元从吸收器中释放。该储能单元储存热量，并在有剩余电量可用于进一步热量提升时，将热量输送至热泵（HP）。该热泵为带有内部热交换器（IHX）的单级循环，以环戊烷作为工作介质运行。热泵提升后的热量储存在高级潜热储能系统中。当有电力需求时，高级储能装置中储存的热能被提供给有机朗肯循环（ORC）的热回收系统（HRS）用于发电。该ORC是一个带有回热器的循环，以环戊烷作为工作介质运行。根据文献[，选择环戊烷是实现高效运行的合适选择15,29].

2.2. 数学公式

2.2.1. 吸收式热转换器建模

WHS通过两个装置（即蒸发器和发生器）向系统提供热输入。假设这两个装置在相同的温度水平下运行[30]，且热量输入由WHS并行产生。以下方程描述了各自的能量平衡：

= mwhs⋅ cwhs⋅ (Tp,whs− Twhs,in − Twhs,out)

(1)

= Qwhs+ Qwhs,1 + Qwhs,2

(2)

（m）是同时为这两个设备供能的WHS的总质量流量。此外，各自的能量平衡方程为：whs

= Qwhs,1 = Qe,AHT

(3)

= Qwhs,2 = Qg,AHT

(4)

吸收器中总质量和溴化锂的能量平衡和质量流量平衡如下：

= ma⋅ hr+ m4⋅ hs− m10· hw ⋅ h5

(5)

= mw+ mstr + mr

(6)

⋅ Xw= mw⋅ Xstr ⋅ Xstr

(7)

蒸发器、冷凝器、发生器和溶液换热器的能量平衡由以下方程给出：

= me⋅ (hr− h4 − h3)

(8)

= mc⋅ (hr− h1 − h2)

(9)

= mg⋅ hr+ m1⋅ hs− m8⋅ hw ⋅ h7

(10)

= mhex⋅ (hs− h10) = m9⋅ (hw− h5 − h6)

(11)

溶液换热器的有效率如下，并选定为70% [31]:

η_{hex} = \frac{T_{10} - T_{9}}{T_{5} - T_{9}}

(12)

节流阀中的过程是理想的，根据热力学第一定律，可以写为：

= h7 = h6

(13)

在AHT中，与主要设备的传热量相比，两台泵的泵送功都极低，因此给出了[30]:

= h3 = h2

(14)

= h9 = h8

(15)

2.2.2. 热泵建模

来自低级储能单元的热泵热输入被提供给蒸发器：

= me,HP⋅ (hHP− ha − hf)

(16)

压缩机的输入电功率如下：

P_{el, in} = \frac{m_{HP} \cdot (h_{c} - h_{b})}{η_{motor, C}}

(17)

使用等熵点“c,is”给出的压缩机等熵效率如下：

η_{is, c} = \frac{h_{c, is} - h_{b}}{h_{c} - h_{b}}

(18)

从高压泵到高压级储能系统的有用热量产生为：

= mc,HP⋅ (hHP− hc − hd)

(19)

IHX中的能量平衡方程为：

= mIHX⋅ (hHP− hb) = ma⋅ (hHP− hd − he)

(20)

IHX热侧的温差设定为ΔT= 5 K [IHX24]:

ΔΤΙHΧ= Td− Tb

(21)

节流阀中的过程是理想的，根据热力学第一定律，可以写为：

= he = hf

(22)

在高压泵中，蒸发器出口处没有过热，冷凝器出口处没有过冷[22].

2.2.3. 有机朗肯循环建模

来自高阶储能单元的ORC热回收系统热输入为：

= mhrs,orc⋅ (horc− h4,orc − h3,orc)

(23)

在本分析中，HRS出口未选择过热，以最小化传热过程中的能损[22].

通过冷凝器排放到环境中的热量表示为：

= mc,orc⋅ (horc− h6,orc − h1,orc)

(24)

发电机产生的电量表示为：

= ηG⋅ mmg⋅ (horc− h4,orc − h5,orc)

(25)

驱动泵的电动机所消耗的电量为：

P_{P} = \frac{m_{orc} \cdot (h_{2, orc} - h_{1, orc})}{η_{motor, P}}

(26)

ORC的净发电量计算如下：

= Pel,out− PG − PP

(27)

膨胀机的等熵效率如下所示，使用等熵点“5,orc,is”：

η_{is, T} = \frac{h_{4, orc} - h_{5, orc}}{h_{4, orc} - h_{5, orc, is}}

(28)

泵的等熵效率如下所示，使用等熵点“2,orc,is”：

η_{is, P} = \frac{h_{2, orc, is} - h_{1}}{h_{2, orc} - h_{1, orc}}

(29)

回热器的能量平衡方程为：

= mrec⋅ (horc− h3,orc) = m2,orc⋅ (horc− h5,orc − h6,orc)

(30)

回热器冷侧的温差设定为ΔT= 5 K [rec24]:

ΔTrec= T6,orc− T2,orc

(31)

2.2.4. 储能系统建模

AHT-HP-ORC低级储能系统：

低级潜热储能系统的能量平衡方程如下：

= Qa,AHT+ Qe,HP + Qloss,low

(32)

低级潜热储能系统的储能效率为[26]:

η_{st, low} = \frac{Q_{e, HP}}{Q_{a, AHT}}

(33)

HP-ORC的低级储能系统：

低级潜热储能系统的能量平衡方程如下：

= Qwhs+ Qe,HP + Qloss,low

(34)

低级潜热储能系统的储能效率为[26]:

η_{st, low} = \frac{Q_{e, HP}}{Q_{whs}}

(35)

两种系统（AHT-HP-ORC和HP-ORC）的高级储能：

高级潜热储能系统的能量平衡方程如下：

= Qc,HP+ Qhrs,orc + Qloss,high

(36)

高级潜热储能系统的储能效率为[26]:

η_{st, high} = \frac{Q_{hrs, orc}}{Q_{c, HP}}

(37)

假设相变是在恒温水平下进行的，且仅存在潜热储存，没有显热储存[26].

2.2.5. 系统评价指标

AHT的COP定义如下，忽略泵送功需求[30]:

CO P_{AHT} = \frac{Q_{a, AHT}}{Q_{e, AHT} + Q_{g, AHT}}

(38)

HP的COP计算如下：

CO P_{HP} = \frac{Q_{c, HP}}{P_{el, in}}

(39)

ORC的热效率计算如下：

η_{th, orc} = \frac{P_{el, out}}{Q_{hrs, orc}}

(40)

整套装置的功率到功率（或往返）效率计算如下：

η_{P 2 P} = \frac{P_{el, out}}{P_{el, in}}

(41)

装置的有效能效率计算如下：

η_{ex} = \frac{P_{el, out}}{P_{el, in} + E x_{whs}}

(42)

在本研究中，采用的是已利用的WHS有效能速率。具体为：

E x_{whs} = Q_{whs} - m_{whs} \cdot c_{p, whs} \cdot T_{0} \cdot \ln [\frac{T_{whs, in}}{T_{whs, out}}]

(43)

其中参考温度为T= 298.15 K。0

2.3. 采用的方法

在本分析中，所研究的配置使用工程方程求解器中开发的程序进行模拟[27]。研究在稳态条件下进行，假设两个储能单元中均存在潜热储存。在所有HTHP案例中，电力输入均设定为1000 kW，这是本分析的一个假设。选取了透平机械、换热器设计及其他参数的典型值，并汇总于表1，并提供了相应的参考文献。需要注意的是，提供接近或高于200 °C热量的蒸汽压缩高温热泵（HTHPs）需要专门的系统设计，以应对与润滑剂热稳定性、制冷剂-润滑剂兼容性、材料耐久性、部件温度限制，以及在如此苛刻的条件下可能出现的高运行压力和排气温度相关的挑战。

作者在之前的研究中也使用了针对AHT、HTHP和ORC开发的模型，其验证证据已在这些先前研究中提供。具体而言，AHT模型的验证在参考文献[30]中通过使用参考文献[31]的数据给出，而HTHP-ORC系统已在参考文献[22]中通过使用参考文献[29]的数据得到验证。因此，没有具体理由再次展示验证过程。关于LiBr/水的物性，使用了该工具的适当库，这些库基于参考文献[32].

在本研究中，WHS的温度以20 °C为步长，从80 °C变化到120 °C。对两种配置的PCM高温级温度进行了参数化研究，同时对PCM低温级温度也进行了参数化研究，但仅针对AHT-HP-ORC系统。对于HP-ORC系统，PCM的低温级温度是固定的，且取决于WHS出口和夹点处的温度。本研究为理论研究，对PCM的熔化温度进行了参数化研究。然而，存在能够满足所研究温度水平需求的实际PCM，例如太阳能盐（NaNO3–KNO3), LiNO3–氯化钠和基于硝酸盐的共晶体。此外，对AHT-HP-ORC系统进行了优化设计过程，以最大化能效（目标函数）。在优化分析中，两个阶段的相变材料温度水平是优化变量。对于单优化变量的情况，采用“黄金分割搜索法”；当存在两个优化变量时，采用“共轭方向法”。所用工具支持这两种优化方法；最大迭代次数设定为1000次，收敛标准设定为10−8.

表1。分析的主要边界条件。

3. 结果与讨论

3.1. 各独立设备的性能

本节展示了单独测试的设备性能结果，以说明关键设计参数的变化如何影响它们。图3展示了不同低级PCM温度水平以及三种不同WHS温度水平下的AHT COP变化情况。对于三种研究的WHS温度（Twhs,in= 80–100–120 °C），三条曲线呈现相似的模式；在达到一个温度水平之前，COP约为0.5，之后随着Tpcm,low的增加而急剧下降。这一事实表明，对于每个Twhs,in在一定的Tpcm范围内，系统性能相对稳定。%%此外，值得注意的是，对于较高的T值，系统可以在更高的T值下运行。%%在实际应用中，目前的结果表明，系统在适当的T范围内可以保持相对令人满意的COP值。%%但超过一定极限后，AHT的总温升会增加，且无法实现高效的热升级。,low values in which the system has a relatively constant performance. Also, it is worthwhile to state that for higher Twhs,in values, the system can operate at higher values of Tpcm,low. Practically, the present results show that the system can keep relatively satisfying COP values for a proper range of Tpcm,low, but after a certain limit, the gross temperature lift of the AHT increases, and there is no possibility for efficient heat upgrade.

图3。不同低级相变材料和水热系统温度组合下的AHT性能。

图4显示了不同T值下热泵的COPpcm,low和Tpcm,high。COP的取值范围大约在2到10之间，这是一个极大的范围；这表明运行条件对热泵的性能有强烈影响。显而易见，T的升高pcm,low会导致COP增大，而T的升高pcm,high导致更小的COP。实际上，当HP在更大的温升下运行时，其性能会降低，温升可定义为Tpcm,high负Tpcm,low。更高的温升意味着机器需要进行更高等级的热升级，这会降低性能裕度。需要明确指出的是，在本分析框架内，Tpcm,low并未达到报告最高COP值的高温区间。实际上，根据Tpcm,high值，其最高温度可达150 °C。

图4。不同低、高阶段PCM温度水平组合下热泵的COP。

图5展示了有机朗肯循环（ORC）在不同运行工况下的热力学效率。该指标的关键参数是Tpcm,high，其范围为140至220 °C，同时给出了三种冷凝器温度（30、35和40 °C）下的结果。研究发现，冷凝器温度的升高会降低热力学效率，这一结果符合预期。在本研究中，主要分析是基于30 °C的冷凝器温度进行的。在此工况下，ORC的效率范围为17.00%（当Tpcm,high= 140 °C时）至22.97%（当Tpcm,high= 220 °C时）。

图5。ORC在不同高阶PCM与冷凝器温度组合下的热力学效率。

3.2. WHS温度为100 °C时的参数化分析

本节展示了Twhs,in= 100 °C时AHT-HP-ORC系统的性能结果。结果给出了各种Tpcm,low和Tpcm,high温度水平组合下的情况。Tpcm,low范围为80至115 °C，Tpcm,high范围为140至220 °C。

图6展示了所研究场景下该装置的往返效率。根据结果，该指标随T的增加而增加pcm,low并随T的增加而降低pcm,high。在某些场景中，该指标的数值超过100%，这是由于利用了WHS为系统提供了有效能输入。这一宝贵成果证明，合理利用卡诺电池装置中的废热流，使得实现高性能和高发电量值的可持续设计成为可能。例如，对于Tpcm,high= 140 °C，往返效率范围为 66.16% 至 134.40%；对于 Tpcm,high= 180 °C，往返效率范围为 53.41% 至 77.93%；对于 Tpcm,high= 220 °C，往返效率范围为 43.46% 至 54.91%。

图6。T = 100 °C时AHT-HP-ORC系统的电-电效率whs,in= 100 °C。

整个单元的有效能效率在图7中给出。该指标考虑了利用的废热流对系统整体性能的贡献，其范围约为30%至35%。所示曲线展示了Tpcm,low= 110 °C时的最大有效能效率，表明该温度水平是理想的。这一结果可以通过AHT的性能来解释，其性能如图所示图3。对于T的情况whs,in= 100 °C，当温度达到T之后，AHT的COP开始大幅下降pcm,low= 110 °C，这意味着系统的整体能效在这一温度水平下达到最大值。关于Tpcm,high对能效性能的影响，研究发现当Tpcm,high= 180 °C时，能效达到最大值，这也是高阶段相变材料温度的理想值。因此，当Tpcm,low= 110 °C–T时，报告的最大能效为35.01%pcm,high= 180 °C，根据T的参数分析whs,in= 100 °C时的ORC净发电量

图7。T时AHT-HP-ORC系统的有效能效率whs,in= 100 °C。

在本节的下一部分，发电量的值给出在图8中。所呈现的结果与图6中的往返效率具有相同的趋势，因为在本文中，所有场景的电输入均为1000 kW。所产生的功率随T的增加而增加pcm,low以及T的减少pcm,high例如，当Tpcm,high= 140 °C时，往返效率范围为661.6 kW至1344 kW；当Tpcm,high= 180 °C时，往返效率范围为534.1 kW至779.3 kW；当Tpcm,high= 220 °C时，往返效率范围为434.6 kW至549.1 kW。

图8。AHT-HP-ORC系统在Twhs,in= 100 °C时的ORC净发电量

本分析的最后一幅图是图9，其中给出了系统中的WHS热输入。该热输入被提供给待升级的AHT。所展示的结果与图8中报告的发电量结果趋势相似。实际上，WHS需求的增加会导致发电量的上升，因为额外的WHS能量通过所研究的单元转化为电能。WHS的需求随着T的升高而增加pcm,low以及T的减少pcm,high例如，当Tpcm,high= 140 °C时，往返效率范围为6677 kW至17,092 kW；当Tpcm,high= 180 °C时，往返效率范围为3747 kW至7005 kW；当Tpcm,high= 220 °C时，往返效率范围为2211 kW至3646 kW。报告结果显示，对于高Tpcm,low，需求更高，低T也是如此。pcm,high在HT COP较高的案例中，由于电能输入保持不变，对WHS的热输入需求更高；这一说明可以解释在...中报告的结果。图9.

图9。AHT-HP-ORC系统中的废热流输入，Twhs,in= 100 °C。

3.3. 100 °C WHS温度下两种卡诺电池系统的比较

本节包含了AHT-HP-ORC（系统1）和HP-ORC（系统2）在T为100°C时的性能表现。%%针对140至220°C范围内的不同T值进行了对比分析。%%关于T值的取值，系统1通过优化以最大化系统能效，而系统2则受限于夹点约束而固定。%%具体而言，系统2的T值为75°C，因为WHS入口温度为100°C，在换热器中降温20K，且存在5K的夹点，正如%%第2节中所详细说明的那样。whs,in = 100 °C are included in this section. The comparison is conducted for different values of the Tpcm,high in the range from 140 to 220 °C. Regarding the values of the Tpcm,low, it is optimized for System-1 to maximize the system exergy efficiency, while it is fixed for System-2 due to the pinch point constraints. Specifically, it is 75 °C for System-2 because the WHS has a 100 °C temperature at the inlet; it loses 20 K in the heat exchanger, and there is also a pinch point of 5 K, as has been clearly explained in Section 2.

ORC的发电量如图所示图10。系统1（AHT-HP-ORC）的发电量明显高于系统2（HP-ORC）。对于两个系统，发电量均随T的增加而降低pcm,high。在较低的T值下，系统1的发电量提升更为显著pcm,high。具体而言，当T为时，提升幅度为92.31%pcm,high= 140 °C 和 26.30% 对于 Tpcm,high= 220 °C。此外，系统1的发电量变化范围为Tpcm,high= 140 °C时的1186 kW至Tpcm,high= 220 °C时的533.6 kW，而系统2的范围为Tpcm,high= 140 °C时的616.7 kW至Tpcm,high= 220 °C时）。

图10。ORC在两种卡诺电池系统中的净发电量，其中Twhs,in= 100 °C，以及AHT-HP-ORC系统的进一步优化Tpcm,low。

该单元操作的WHS需求如图所示图11。结果表明，系统1驱动该单元所需的WHS需求显著更高。具体而言，系统1的WHS需求在Tpcm,high= 140 °C时的14,086 kW至Tpcm,high= 220 °C时的3318 kW之间波动，而系统2的需求则在Tpcm,high= 140 °C 至 1038 kW，用于 Tpcm,high= 220 °C。系统1对WHS需求显著提高，这是由于AHT的热升级提升了HP的COP所致（见图12）。由于所有情景中电力输入恒定为1000 kW的边界条件，这一事实导致HP的热输入需求更高。系统1对WHS需求的增加实际上意味着系统内更高的能质输入，因此，该系统能够产生更高的电能输出。

图11。两种卡诺电池系统的废热流输入，其温度Twhs,in= 100 °C，以及AHT-HP-ORC系统的进一步优化温度T %%pcm,low for the AHT-HP-ORC system.

图12。热泵在Twhs,in= 100 °C的两种卡诺电池系统中的COP，以及AHT-HP-ORC系统进一步优化的Tpcm,low。

如前所述，系统1的HP COP显著高于系统2，如图12所示。系统1的COP范围从Tpcm,high= 140 °C时的7.34到Tpcm,high= 220 °C时的2.45，而系统2的COP范围从Tpcm,high= 140 °C 至 1.94，用于 Tpcm,high= 220 °C。COP提升幅度在T为pcm,high= 140 °C时为92.27%，而在T为pcm,high= 220 °C时为26.29%。需要指出的是，系统1COP较高的原因是存在AHT，它升级了WHS。在最佳条件下，AHT的COP近似恒定，接近0.47，而T的最佳值pcm,low约为111 °C。

本节的下一部分致力于基础性能指标。两个系统的功率转换效率如图13所示图13对于两个系统。系统1表现更优，其往返效率值在Tpcm,high= 140 °C时的118.60%到Tpcm,high= 220 °C时的53.36%之间，而系统2的效率值从Tpcm,high= 140 °C 至 42.25%（用于 T）pcm,high= 220 °C。结果表明，在系统1中应用AHT后性能显著提升，导致T提升了92.31%pcm,high= 140 °C，T提升了26.30%pcm,high= 220 °C。此外，值得注意的是，系统1的性能受T变化的影响显著pcm,high，而系统2的变化则更为有限。

图13。两种卡诺电池系统在Twhs,in= 100 °C时的功率转换效率，以及AHT-HP-ORC系统进一步优化的T %%pcm,low for the AHT-HP-ORC system.

研究的另一个指标是总单元的能效，相应的结果表示在图14中。能效受电能输入和输出速率以及WHS消耗的影响。结果表明，系统-2的能效高于系统-1，而系统-1产生的电能更多。这一结果是由于系统-1对WHS的需求更高，导致单元中能的增加更多。系统-2的能效随T的增加而降低pcm,high；具体而言，当T为40.05%时，能效达到最大值pcm,high= 140 °C，且当T为35.64%时达到最小值pcm,high= 220 °C。系统1的能效在T为35.02%时达到最大值pcm,high= 180 °C，而当T为33.70%时pcm,high= 140 °C，当T为33.49%时pcm,high= 220 °C。两种情景的能效差异并不大，范围从T为18.83%起pcm,high= 140 °C 至 6.42%（用于 T）pcm,high= 220 °C时）。

Figure 14. Exergy efficiency for both Carnot battery systems with Twhs,in = 100 °C, and further optimized Tpcm,low for the AHT-HP-ORC system.

3.4. Performance for Different WHS Temperatures and Discussion

最后一部分第3节致力于比较两种系统在不同WHS温度下的结果，并对其进行进一步讨论。当前结果显示，系统1的T存在一个最佳值。pcm,low图15显示了T的功率对功率效率= 两个系统的温度均为80–100–120 °C。结果给出了不同T下的情况whs,in在140至220 °C范围内。对于Tpcm,high= 120 °C的情况，Twhs,in范围在160至220 °C之间，因为对于较低的数值，两个不同温度水平的热存储空间不足。结果表明，T的升高pcm,high降低了所有情况下的功率效率。此外，系统1的效率始终高于系统2。在较低的T下，性能提升更为显著pcm,high值pcm,high values.

图15。两种卡诺电池系统在不同T值下的功率转换效率whs,in以及AHT-HP-ORC系统进一步优化的T值 %%pcm,low for the AHT-HP-ORC system.

所研究的T为80–100–120 °C工况下的㶲效率如图16所示。对于所有工况，系统-2均表现出更高的㶲性能，且随着T的升高，㶲效率呈下降趋势。另一方面，系统-1的㶲效率曲线则呈现出一个峰值。对于Twhs,in= 80 和 100 °C，最佳 T为180 °C，而对于T= 120 °C，则为190 °C。pcm,high. On the other hand, the curves of the exergy efficiency for System-1 presented a maximum performance. For Twhs,in = 80 and 100 °C, the optimal Tpcm,high was 180 °C, while for Twhs,in = 120 °C, this was 190 °C.

图16。两种卡诺电池系统在不同T下的有效能效率whs,in以及AHT-HP-ORC系统的进一步优化Tpcm,low值。

值得注意的是，当WHS温度较高时，往返效率和有效能效率均表现出更高的数值。这是一个有趣的发现，表明WHS温度越高，所能达到的性能就越好。此外，这也是一个合理的结论，因为通过WHS向系统输入更高的有效能速率，能为实现最佳性能提供更强的能力。表2包含了对System-1在不同WHS温度下进行参数化研究的结果。

表2。AHT-HP-ORC系统结果摘要，采用优化后的Tpcm,low以及不同的Twhs,in（优化参数：Tpcm,low).

本分析的最后一部分是针对不同WHS温度对系统1进行优化。优化变量为两个PCM温度，目标是最大化有效能效率。优化结果报告在表3中。结果表明，当Twhs,in= 80 °C时，最佳Tpcm,low为72.5 °C，最佳Tpcm,high为178.7 °C，发电量为503.8 kW，往返效率为50.38%，系统有效能效率为34.18%。对于Twhs,in= 100 °C，最佳Tpcm,low为110.8 °C，最佳Tpcm,high为181.5 °C，发电量为728.6 kW，往返效率为72.86%，系统有效能效率为35.02%。对于Twhs,in= 120 °C，最佳Tpcm,low为150 °C，最佳Tpcm,high为187.7 °C，发电量为1254 kW，往返效率为125.40%，系统能效为35.36%。

表3。不同T下AHT-HP-ORC系统的优化设计whs,in（优化参数：Tpcm,low和Tpcm,high).

值得注意的是，WHS温度的升高显著提高了低级PCM的最佳温度，而高级PCM的最佳温度仅略有上升。此外，WHS温度的升高显著提升了发电量和往返效率，而有效能效率仅有微小提升。实际上，更热的WHS可以带来更高的发电量，但需要更多的WHS；因此，仅考虑电能流动的电-电效率指数大幅提升，而同时考虑WHS的有效能效率仅有小幅提升。

本研究提出了一种新型单元，该单元包含两个不同温度水平的热储能，并结合了先进的级联高温热泵。该热泵包含AHT和蒸汽压缩单元，充分利用了WHS和多余电力。两级系统的应用使得提高灵活性成为可能，因为在存在两个储能系统的情况下，WHS和多余电力可以在它们具有不同运行特性时被利用。AHT的引入可以显著提高电-电效率，在某些场景下，由于对WHS的优化利用，报告的效率值超过100%。本系统（系统-1）与另一种具有两个储能水平但没有AHT的替代系统进行了比较。研究发现，AHT在发电方面是有益的，尽管它会略微降低能质性能。

通常，报告的功率转换效率值高于文献中报道的其他数值。当WHS温度达到100°C或以上以驱动AHT时，本系统表现出高效性。WHS温度低于80°C时无法驱动AHT，因此必须选择System-2的配置。作为参考，可以指出在最佳设计下，System-1的往返效率在Twhs,in= 100°C时为72.86%，在Twhs,in= 120°C时为125.40%。对于常规配置，该指标的典型文献值最高为60%；即55% [16], 59% [15], 56%至61% [17], 以及高达60% [18]。对于先进系统，报告的数值更高：双废热利用系统为64% [26]，太阳能驱动系统为68% [22]，焦耳-布雷顿系统则高达72% [19]。因此，显而易见，本分析结果表明其性能优于其他文献研究；因此，该方案在热力学性能方面极具前景。然而，必须强调的是，所提出的带有AHT的系统消耗了大量的WHS，这是一个必须考虑的关键方面。

在未来的工作中，需要使用动态分析详细研究当前配置，并进一步选择合适的相变材料。可以使用WHS和多余电力的实际输入数据。此外，可以通过应用考虑日间可变电价的经济分析来优化系统，同时可以采用存储策略以实现利润最大化。此外，还需要设计合适的水轮机组，使其能够在高温下运行，并使可逆系统高效运行[40]。最后但同样重要的是，可以进行详细的组件级能效分析，旨在确定对系统性能起重要作用的设备并对其进行适当优化。

4. 结论

本研究提出了一种新型卡诺电池配置，包含两个利用WHS的潜热储能系统。该系统包括吸收式热转换器、高温热泵和有机朗肯循环。为了进行基准测试，将该系统与不含吸收式热转换器的类似系统进行了比较。分析基于热力学，目标是评估该装置在能量和能质方面的性能。本研究最重要的结论如下：

-: 配备AHT的系统（系统1）比未配备的系统（系统2）消耗了更多的WHS，因为系统1的热泵COP更高，需要更多的热输入。
-: 系统1的往返效率显著高于系统2。对于Twhs,in= 100 °C，提升幅度从Tpcm,high= 140 °C时的92.31%到Tpcm,high= 220 °C时）。
-: 由于需要大量WHS才能妥善驱动包含AHT在内的系统-1，系统-2的有效能效率略高于系统-1。
-: AHT-HP-ORC系统的优化结果表明，当Twhs,in= 80 °C时，发电量为503.8 kW，往返效率为50.38%，系统能效为34.18%；当Twhs,in= 100 °C时，发电量为728.6 kW，往返效率为72.86%，系统能效为35.02%；当Twhs,in= 120 °C时，发电量为1254 kW，往返效率为125.40%，系统能效为35.36%。
-: 发现最佳低阶段潜热储存温度为：当Twhs,in= 80 °C时为72.5 °C，当Twhs,in= 100 °C时为110.8 °C，当Twhs,in= 120 °C时为150.0 °C。然而，最佳高阶段潜热储存温度为：当Twhs,in= 80 °C时为178.7 °C，当Twhs,in= 100 °C，T 为 187.7 °Cwhs,in= 120 °C。

研究发现，所建议的解决方案实现了可持续的回合效率值，而两阶段储能则具有灵活性优势。挑战在于需要大量废热流才能使该装置正常运行。

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